O documento discute os desafios enfrentados pelo setor elétrico brasileiro diante das mudanças climáticas e das restrições ao licenciamento de grandes reservatórios hidrelétricos. A sinergia entre hidrelétricas, eólica e biomassa é essencial para viabilizar as energias renováveis no Brasil, mas a perda de capacidade de regularização por reservatórios pode levar a um aumento significativo nas emissões de gases de efeito estufa. Há a necessidade de avaliar objetivamente os trade-

1. ENFRENTANDO A TEMPESTADE PERFEITA
Usinas a Fio d’Água, Renováveis e Mudanças Climáticas
Mario Veiga Rafael Kelman
Tarcisio Castro
psr@psr-inc.com
XIV CBE
Rio, 23 de outubro de 2012
1

2. Brasil: histórico de energia renovável
Marmelos-MG (1889)
Parnaíba-SP (1901)
Fontes-RJ (1904)
 24 MW
2

3. Brasil: situação hidrelétrica atual
► Capacidade instalada: 120.000 MW
► Hidro: 75% da capacidade, 85% da produção de energia
 Usinas em diversas bacias e com grandes reservatórios
 Usinas em “cascata” com diferentes proprietários
Owner:
Source: ONS
3

4. Futuro: portfólio de energia renovável
Um portfólio de hidrelétricas, eólicas e biomassa permite
combinar economia de escala e flexibilidade
►Projetos de menor porte
 Diversifica os riscos de construção
e outros
►Espectro de investidores
 Capital local
 Fundos de investimento estrangeiros
►Menor tempo de construção
 Contrabalança a incerteza no crescimento da demanda
4

5. Capacidade instalada de bioeletricidade
5,500
5,000
4,500
4,000
3,500
W
M
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3,000
2,500
2,000
2008 2009 2010 2011 2012 2013
Source: PSR
5

6. Eólicas: a boa surpresa nos leilões
350
300
298
250
200
P
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150 164
131 144
100
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0
Proinfa LER 2009 LER 2010 LFA 2010 LER 2011 A-3 2011
6

7. Complementaridade regional
Norte: Nordeste:
Hidreletricidade Energia eólica
Sul: SE/CO:
Energia eólica Bioeletricidade
7

8. Sinergia hidrelétrica, biomassa e eólica
Os reservatórios das hidrelétricas e a
Os reservatórios das hidrelétricas e a
rede de transmissão são usados para
rede de transmissão são usados para
modular a produção de energia da
modular a produção de energia da
biomassa e eólica (não é necessário
biomassa e eólica (não é necessário
backup como em outros países)
backup como em outros países)
A biomassa e eólica “devolvem
A biomassa e eólica “devolvem
o favor” gerando mais no
o favor” gerando mais no
período seco das hidrelétricas
período seco das hidrelétricas
(reservatório virtual)
(reservatório virtual)
8

9. Desafios
1. A questão dos reservatórios
2. Efeito das mudanças climáticas nas afluências
3. Usos múltiplos
4. Licenciamento ambiental
5. Percepções equivocadas
9

10. Desafios
1. A questão dos reservatórios
2. Efeito das mudanças climáticas nas afluências
3. Usos múltiplos
4. Licenciamento ambiental
5. Percepções equivocadas
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11. Por que as renováveis são competitivas no Brasil?
► No resto do mundo, as renováveis requerem subsídios
 120 bilhões de Euros na Alemanha
► Razão: flutuações da produção de energia
 Na Alemanha, é necessário ter 30.000 MW (!) de usinas térmicas de
“backup” para compensar a variação do vento
Por que o Brasil é diferente?
11

12. Resposta: reservatórios + transmissão
► Os reservatórios das hidrelétricas compensam as flutuações
na produção das eólicas e a sazonalidade da biomassa
 Requer uma rede de transmissão robusta, que já foi construída para
as hidrelétricas
Os “armazéns de energia” das hidrelétricas
são essenciais para a
viabilidade econômica das renováveis
12

13. A proibição dos reservatórios
0.60
Área Inundada/Potência Instalada (km2/MW)
0.51
0.50
A relação área/potência média das novas
A relação área/potência média das novas
0.40 usinas é 0,06 km2/MW, enquanto a média
usinas é 0,06 km2/MW, enquanto a média
do Brasil em 2007 era 0,51 km2/MW
do Brasil em 2007 era 0,51 km2/MW
0.30
0.20
0.10 0.10 0.10 0.09
0.09 0.08 0.08 0.08
0.10 0.06 0.05
0.06
0.04 0.04 0.04 0.04
0.02 0.01 0.01
0.00
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14. As mega usinas a fio d’água
► Os três maiores novos projetos hidrelétricos do país – Santo
Antônio e Jirau, no Rio Madeira, e Belo Monte, no Xingu,
totalizando 18 mil MW de capacidade, são usinas “a fio
d’água”
► Isto não resultou de uma otimização econômica dos
projetos, e sim de restrições socio-ambientais
► A variabilidade das afluências a estas usinas é muito maior do
que a das usinas atuais
14

15. Média da energia afluente mensal - Sudeste
40000
35000 A energia afluente no mês mais “molhado”
A energia afluente no mês mais “molhado”
éé3,5 vezes maior do que aado mês mais
3,5 vezes maior do que do mês mais
30000 “seco”
“seco”
25000
GWh
20000
15000
10000
5000
0
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
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16. EAF média mensal – usinas do rio Madeira
8000
7000 A energia afluente no mês mais “molhado”
A energia afluente no mês mais “molhado”
éé7,5 vezes maior do que aado mês mais
7,5 vezes maior do que do mês mais
6000 “seco”
“seco”
5000
GWh
4000
3000
2000
1000
0
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
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17. EAF média mensal – Belo Monte
14000
12000
A energia afluente no mês mais “molhado”
A energia afluente no mês mais “molhado”
10000 éé25 vezes maior do que aado mês mais
25 vezes maior do que do mês mais
“seco” (!)
“seco” (!)
8000
GWh
6000
4000
2000
0
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
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18. Hidrelétricas e mudança climática
100 Vazão média futura como % da atual 95
88
80 83
80 69 73
68
60
40
20
0
18

19. Como gerenciar a volatilidade das afluências e das
renováveis sem reservatórios?
► Com mais geração termelétrica
 Compensa a falta de transferência de energia dos períodos úmidos
para os secos
► Isto resulta em maiores níveis de emissão
 Nível de emissão em 2010: 22 tCO2/GWh de consumo
 Nível de emissão em 2020: 72 tCO2/GWh de consumo
A perda de 10 pontos percentuais na capacidade de
A perda de 10 pontos percentuais na capacidade de
regularização nos próximos dez anos levará a um aumento
regularização nos próximos dez anos levará a um aumento
de 230% na emissão unitária de CO2
de 230% na emissão unitária de CO
2
19

20. A biomassa e eólica podem substituir as térmicas?
► Como visto, as usinas a biomassa e as eólicas da região
Nordeste produzem mais energia nos períodos secos
► Portanto, elas compensam em parte a transferência de
energia dos reservatórios
► No entanto, tanto a biomassa como as eólicas não são
despacháveis
 Esta função era exercida pelos reservatórios, e com a redução dos
mesmos, terá que ser exercida pelas termelétricas
20

21. O dilema do planejamento
► Os estudos atuais de inventário eliminam a priori usinas com
reservatórios
⇒ Não há qualquer análise de tradeoff energia x impacto
ambiental
É como se os custos ambientais fossem infinitos, isto é, nem podemos
saber o que estamos ganhando ou perdendo
► Seria possível avaliar objetivamente estes tradeoffs?
21

22. Avaliação dos tradeoffs energia x socioambientais
1. Pré-processamento
2. Otimização da divisão de quedas
3. Resultados
22

23. Pré-processamento
• Sistema de Informações Geográficas (GIS)
 Modelo 3D do terreno
 Inferência da rede de drenagem e identificação do rio
 Definição dos locais candidatos
 Curvas cota x área x volume para cada local
 Simulação da áreas inundadas para diferentes quedas
• Regionalização das séries de vazões para os locais
candidatos
• Aplicação do manual de inventário para dimensionamento
das estruturas e cálculo automático de orçamentos
23

24. Modelos Digitais de Elevação (MDE)
► Representação 3D de uma superfície
 O modelo digital é representado internamente por uma matriz regular de células
 Cada célula contêm a altitude associado a uma determinada coordenada
► MDEs disponíveis publicamente
 ASTER GDEM – Global Digital Elevation Model
• Fonte: NASA
• Resolução espacial(*): 30 metros
 SRTM
• Fonte: NASA
• Resolução espacial: 30 metros
(*) Dimensão de cada célula da matriz do modelo.

25. MDE – Visão 3D
25

26. Inferência da rede de drenagem em resumo
► Funções de geoprocessamento aplicadas ao modelo digital de elevação para
inferir a rede de drenagem
Funções GEO
Modelo Digital de Elevação Rede de drenagem
26

27. Identificação do rio e definição dos locais candidatos
► Exemplo Rio Ivaí, Paraná.
27

28. Locais candidatos
► Seções transversais e definição das barragens em cada local:
Barragem
28

29. Locais candidatos
► Alternativas de barragens em cada local:
► Local: 22
► Queda Bruta: 10 metros
► Reservatório:
 Área : 20,4 km2
 Volume: 75,4 Hm3
29

30. Locais candidatos
► Alternativas de barragens em cada local:
► Local: 22
► Queda Bruta: 20 metros
► Reservatório:
 Área : 58,8 km2
 Volume: 447,9 Hm3
30

31. Perfil longitudinal e curva cota × área do reservatório
31

32. Definição e orçamento dos candidatos
1. Para cada local e altura de queda a simula-se a
construção de usina com arranjo pré-definido.
2. Análise da potência a ser instalada
3. O Manual de Inventário é utilizado para dimensionar as
estruturas
4. Um orçamento é feito para este projeto (SISORH)
O procedimento é repetido para cada local, alternativa de
queda e arranjo de engenharia.
32

33. Avaliação dos tradeoffs energia x socioambientais
1. Pré-processamento
2. Otimização da divisão de quedas
3. Resultados
33

34. Problema de otimização
► Maximização do PIB hidroelétrico da bacia hidrográfica
 Análise benefício x custo onde o benefício é a valoração da
energia firme do conjunto de usinas por preço exógeno e custo
inclui obras civis, equipamentos, custos sócio ambientais, etc.
 As variáveis de decisão incluem decisões de investimento
(projetos a construir) e decisões operativas (volumes
armazenados, vertimentos,. produção mensal, etc.)
 Restrições socioambientais, interferência entre projetos, etc.
 Abordagem: formulação como grande problema de
otimização não linear inteira
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35. Estudo de caso: Rio Ivaí (Paraná)
► Solução:7 usinas (690 MW de potencia)
NA Max NA Médio do Capacidade
Queda
Local (#) Operativo Canal de Fuga Instalada
Bruta (m)
(m) (m) (MW)
18 301 285 16 103
23 326 301 25 138
34 356 337 19 76
40 381 356 25 89
48 405 381 24 83
55 463 405 58 153
76 502 471 31 48
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36. Divisão de quedas (plano)
36

37. MUITO OBRIGADO
www.psr-inc.com
psr@psr-inc.com
+55 21 3906-2100
+55 21 3906-2121