Análise de Viabilidade Técnica de um Projeto Híbrido de Geração de Energia Elétrica Utilizando Hidrelétricas Reversíveis

Tipo de documento:TCC

Área de estudo:Engenharias

Documento 1

Coorientador (se houver); e-mail de contato RESUMO Fontes renováveis de energia contribuem para o aumento da oferta de geração sem grandes impactos ambientais, porém causam problemas de qualidade na rede elétrica e de segurança de abastecimento por serem fontes intermitentes. Para lidar com esse problema, uma solução possível são os sistemas de armazenamento de energia, onde as usinas hidrelétricas reversíveis desempenham um papel importante, por serem a única tecnologia capaz de armazenar grandes quantidades de energia a um relativo baixo custo. A utilização de usinas híbridas, combinando a geração a partir de fontes renováveis com a possibilidade de armazenamento em uma usina hidrelétrica reversível, pode beneficiar o sistema elétrico por trazer as vantagens da utilização de fontes alternativas sem prejudicar a confiabilidade da rede. Esse trabalho investiga essa possibilidade, apresentando as principais características desse tipo de geração, locais onde um empreendimento semelhante poderia ser implantado no Brasil e as condições necessárias para viabilizá-lo. Palavras-chave: Usinas híbridas, hidrelétricas reversíveis, fontes renováveis. ABSTRACT Renewable sources of energy contribute to the increase generation without major environmental impacts, but also cause quality problems in the electricity grid and in the security of supply because they are intermittent sources. To address this problem, one possible solution is the use of energy storage systems, where reversible hydroelectric plants play an important role because they are the only technology capable of storing large amounts of energy at a relatively low cost.

The use of hybrid plants, combining generation from renewable sources with the possibility of storage in a reversible hydroelectric plant, can benefit the electrical system by bringing the advantages of using alternative sources without damaging the reliability of the network. This work investigates this possibility, presenting the main characteristics of this type of generation, locations where a similar enterprise could be implemented in Brazil and the necessary conditions to make it viable. Keywords: Hybrid power plants, reversible hydroelectric, renewable sources. O Espejo de Tarapacá é um projeto de geração de energia advinda de uma central hidráulica reversível de bombeamento e geração, localizada na costa marítima chilena. A ideia é bombear água do mar durante um período do dia, utilizando para isso energia advinda de uma planta solar complementar ao sistema, conhecida como Cielo de Tarapacá, e gerar energia para ser implantada na rede elétrica chilena no período contrário ao da realização do bombeamento.

Por tratar-se de um projeto de geração de energia através de fontes renováveis, por maximizar a possibilidade de geração, visto que há utilização de mais de um tipo de fonte em seu sistema e por fazer a manutenção adequada da quantidade de recursos utilizados para esse fim através do uso de uma bomba para reversão do sistema, acredita-se que projetos semelhantes a esse possam ser de grande importância para atender à demanda crescente de energia elétrica ocasionada pelo crescimento populacional, e a instalação de plantas semelhantes no Brasil gerem um ganho energético e financeiro alto para os investidores. Contextualização Após a crise no setor energético ocorrida entre os anos de 2001 e 2002, que resultou no racionamento de energia, os problemas estruturais da matriz energética brasileira entraram em pauta e um Novo Modelo do Setor Elétrico do Brasil foi instituído em 2004, a fim de instituir mecanismos que proporcionassem uma maior segurança energética, garantindo o fornecimento de eletricidade ao mesmo tempo em que busca a modicidade tarifária, ou seja, geração elétrica ao menor custo possível.

Com o objetivo de fortalecer o plano energético do país são realizados periodicamente estudos para direcionar o governo nas decisões sobre as políticas energéticas nacionais, como os Planos Decenais de Expansão de Energia (PDEE) e o Plano Nacional de Energia (PNE). Além das usinas híbridas, usinas hidrelétricas reversíveis também pode ser projetadas e instaladas a fim de expandir ainda mais a geração energética no país e otimizar a utilização dos recursos energéticos em todo o território. Motivação A crescente participação da geração de eletricidade a partir das fontes renováveis é uma excelente alternativa para aumentar a capacidade instalada causando poucos impactos ambientais. Além da hidroeletricidade, já bem estabelecida na matriz elétrica brasileira, a participação das fontes solar e eólica deve aumentar rapidamente (EPE, 2018).

No cenário brasileiro, devido a restrições ambientais, existe grande dificuldade de instalar novos projetos de usinas hidrelétricas de grande porte, com grandes reservatórios. Cerca de 65% do novo potencial inventariado de geração hidrelétrica encontra-se na região Amazônica, que possui um delicado ecossistema, dificultando muito a sua exploração. Objetivos Específicos Os objetivos específicos deste trabalho são: • Compreender o funcionamento e vantagens das usinas hidrelétricas híbridas e reversíveis; • Identificar as condições em que uma usina hidrelétrica híbrida e reversível pode ser utilizada no Brasil; • Identificar potenciais locais para a implantação de um projeto semelhante no território nacional; • Avaliar a viabilidade técnica de tal implantação. Materiais e Métodos O presente trabalho é realizado a partir de uma revisão bibliográfica da literatura e artigos científicos, procurando caracterizar o estado da arte deste tipo de tecnologia.

Também se buscou na literatura identificar exemplos de implantação de projetos semelhantes no mundo. Posteriormente, foi realizado um estudo de caso, procurando identificar no Brasil um local e condições onde seria possível realizar a implantação de uma usina híbrida e reversível, estudando a viabilidade técnica de tal empreendimento. Estrutura do Trabalho Este trabalho tem a seguinte estrutura: no Capítulo 2 é realizada uma revisão bibliográfica, identificando qual o estado da arte da tecnologia de usinas hidrelétricas reversíveis e híbridas. Entre as tecnologias existentes, as hidrelétricas reversíveis são as mais maduras, competitivas e mais largamente utilizadas, além de únicas capazes de armazenar quantidades de energia relativamente grandes. Nesse sentido, as baterias possuem capacidade limitada, eficiências de conversão entre 60 e 70%, custo elevado e uma vida útil aproximada de 10 anos ou menos, causando um impacto ambiental negativo em seu descarte/substituição (SILVA, 2014).

Comparativamente, as usinas hidrelétricas reversíveis (UHR) têm maior eficiência global média (normalmente entre 70 e 75%), vida útil de até 30 anos, e grande capacidade de armazenamento. Elas podem absorver picos de potência do sistema elétrico, são capazes de iniciar operação independente (black-start) e também podem ser utilizadas para restaurar o sistema em caso de blecaute (ROSA, 2005). Os benefícios da presença de UHR nos sistemas elétricos estão bem documentados na literatura científica. Em 2017, o Brasil foi responsável por pouco menos de 1% da potência total adicionada mundialmente (REN21, 2017). Esse vertiginoso aumento ocorre por uma conjunção de fatores (SILVA, 2014), sendo o principal deles a queda acentuada no custo de investimento (custo por kW instalado) dessa fonte nos últimos anos, o que fez com que o custo da energia gerada passasse a ser, em algumas situações, competitivo com outras fontes de energia (IRENA, 2019).

Os painéis fotovoltaicos são constituídos por células formadas por materiais semicondutores (Silício, na maioria das vezes) que, ao receberem irradiação luminosa, absorver a energia dos fótons de luz, tendo seus elétrons excitados, passando para uma camada eletrônica de maior potencial energético. Quando convenientemente dispostos estruturalmente e após receberem uma dopagem de elementos químicos (usualmente, Boro e Fósforo), é possível formar um circuito elétrico que aproveite essa movimentação dos elétrons, transformando-a em corrente elétrica útil (ROSA, 2005). Existem diversas tecnologias diferentes de painéis fotovoltaicos (SILVA, 2014): a primeira geração de painéis mono e policristalinos (a base de Silício, e que formam a tecnologia convencionalmente adotada); a segunda geração de módulos fotovoltaicos, de painéis de filmes finos (baseada em Silício amorfo ou combinação de elementos raros), e ainda a terceira geração, de corante sensibilizado ou células orgânicas (ainda em fase experimental).

No entanto, como a irradiação solar é extremamente variável, a geração fotovoltaica é caracterizada pela sua intermitência. Essa variação da geração ocorre em diferentes escalas de tempo: ao longo do ano, entre as diferentes estações; de semana a semana, alternando dias mais chuvosos com dias ensolarados; ao longo de 24 horas, devido à alternância de dia e noite; e também em questão de segundos, pela passagem de nuvens encobrindo o sol momentaneamente. Por exemplo, a passagem de uma nuvem projetando sua sombra sobre um módulo fotovoltaico, faz com que a geração de eletricidade deste aparelho caia praticamente a zero em questão de segundos. Essa flutuação inerente na energia elétrica gerada pelos sistemas fotovoltaicos é prejudicial ao sistema elétrico, afetando negativamente a qualidade da eletricidade (controle de tensão e frequência).

Por isso, são importantes os sistemas de amortecimento do sistema elétrico, como reservas e/ou armazenamento de energia. Esta relação de preços deve ser tal que: Além disso, é necessário que a diferença de preços entre geração e consumo de eletricidade seja suficiente para cobrir os demais custos operacionais da UHR (normalmente baixos, uma vez que o custo operacional principal é o de bombeamento). ESTUDO DE CASO Esse estudo de caso procura encontrar uma região no Brasil na qual a instalação de um projeto com características semelhantes ao chileno mencionado na seção de Introdução seja viável tecnicamente. Com a instalação de usinas deste tipo no país, seria possível ampliar a quantidade de plantas de geração energética a partir de fontes renováveis, garantindo ainda uma maior confiabilidade no sistema e um menor impacto ambiental na geração por evitar a instalação de novas termelétricas de back-up.

Como visto no capítulo anterior, existem particularidades para a instalação de usinas fotovoltaicas e de usinas hidrelétricas reversíveis. Usinas fotovoltaicas precisam de lugares com uma grande irradiação solar média anual para que possam produzir grandes quantidades de energia de maneira eficiente e econômica. Os demais aproveitamentos potenciais levantados nesse estudo encontram-se na região sul e na região nordeste. A Companhia Energética de São Paulo (CESP) também realizou um pré-inventário de possíveis aproveitamentos no estado, identificando 141 sítios entre as Serras Geral e Mantiqueira com potência total estimada em mais de 1 GW. Porém, este é um estudo muito antigo, realizado em 1979 e em caráter preliminar, portanto suas informações devem ser utilizadas com cautela, pois podem não refletir a realidade atual.

Certamente as premissas desses estudos estão desatualizadas, os critérios de pré-dimensionamento adotados não estão otimizados considerando o estado da arte da tecnologia, e a maioria dos locais pode apresentar interferências com áreas de proteção ambiental. Em outros estudos antigos que podem ser citados (FERREIRA, 2016) foram levantados também o aproveitamento UHR Caraguatatuba, identificado pela CESP em 1974, localizado no município de mesmo nome, e com potência total de 1. OPÇÃO A: Piraí/RJ. Em 1983, a LIGHT (companhia elétrica do estado do Rio de Janeiro) fez os estudos da UHR Cacaria, localizada no município de Piraí/RJ. Esta usina poderia operar com uma queda bruta de 315 m, tendo como reservatório superior a represa de Lages, e obtendo uma potência total de 3.

MW. Na configuração estudada, a usina poderia operar com um ciclo diário de 6 horas de geração. obtivemos a curva de geração apresentada na figura a seguir. Observa-se que a geração diária da planta solar é extremamente variável, como já discutido. O fator de capacidade médio da usina é de 24,2% portanto a geração esperada é de 1. MWh/ano. No entanto, a produção diária oscila entre valores tão baixos como apenas 640 MWh/dia até valores tão altos como 3. Figura 3: Localização do potencial UHR Pacatuba, em Piraí/RJ Utilizando a mesma forma de simulação da irradiação solar (Pfenninger e Staffell, 2016), igualmente para uma usina com 600 MW de potência solar instalada, sistema de rastreamento solar de leste a oeste e 10% de perdas no sistema elétrico, tem-se o perfil de geração fotovoltaica demonstrado na figura a seguir.

Figura 4: Perfil de geração de uma usina fotovoltaica de 600 MW em Pacatuba/CE Novamente, tem-se uma geração diária fotovoltaica extremamente variável, porém com menores oscilações entre os meses de agosto e novembro. O fator de capacidade médio da usina é de 25,3% portanto a geração esperada é de 1. MWh/ano, um ganho de 4,5% em relação a Opção A. Nesse caso, a produção diária oscila entre valores mínimos de 942 MWh/dia até valores máximos de 4. De fato, as UHR nem mesmo aparecem nas matrizes elétricas dos países, por não serem consideradas de fato geração, mas sim armazenamento de energia. Do ponto de vista comercial, pode-se especular sobre a possibilidade de se obter lucro armazenando energia no reservatório superior quando os preços da eletricidade estiverem baixos e gerando eletricidade quando os preços estiverem altos, viabilizando assim a existência e operação da UHR.

Para que essa estratégia comercial seja válida, é preciso respeitar a relação de preços apresentada na Equação 3 (capítulo 3). Ou seja, a razão entre os preços da eletricidade no consumo e na geração devem ser inferiores à eficiência global da UHR (cerca de 73%). Foi feito um levantamento dos preços da energia no curto prazo no Brasil, para os 10 últimos anos nos mercados sudeste/centro-oeste e nordeste, dentro dos quais as duas opções de usinas híbridas estão localizadas. Caso contrário, é mais econômico simplesmente ter a geração de fonte renovável sem a implantação de uma UHR. No entanto, não existe um mecanismo para este tipo de remuneração no quadro regulatório brasileiro. Algumas usinas termelétricas são contratadas por disponibilidade, como forma de investimento na segurança energética do sistema elétrico, mas para isso essas usinas precisam estar lastreadas através de contratos de combustível que estabelecem uma garantia física de potência, ou seja, garantindo a geração em caso de eventual necessidade.

No caso de uma usina híbrida, fotovoltaica e UHR, não existe um mecanismo para contratação por disponibilidade, pois o recurso primário não é garantido. Uma UHR só pode gerar se houver água armazenada em seu reservatório superior. Esse estudo apresentou duas possíveis localizações para uma usina deste tipo, uma no estado do Rio de Janeiro e outra no estado do Ceará, ambas baseadas em geração fotovoltaica com potência instalada de 600 MW combinada com uma UHR para armazenamento e geração de energia. As duas opções mostraram-se viáveis tecnicamente a partir deste estudo preliminar, sendo a alternativa localizada no Ceará a mais interessante do ponto de vista da geração fotovoltaica. No entanto, embora a instalação de uma usina híbrida em território brasileiro seja viável tecnicamente, existem dúvidas sobre a viabilidade econômica de tal empreendimento devido especialmente à ausência de regulação específica sobre esse tema.

A grande vantagem da utilização de uma UHR é aumentar a segurança energética e prover o sistema elétrico de um amortecimento em relação à variabilidade das fontes intermitentes. Porém o atual ambiente regulatório não prevê nenhuma forma de remunerar esse benefício gerado. itamaraty. gov. br/images/ed_desenvsust/BRASIL-iNDC-portugues. pdf>. Acessado em: 30 mar. Disponível em: <https://www. ccee. org. br/portal/faces/pages_publico/o-que-fazemos/ como_ccee_atua/precos/precos_semanais>. Acesso em 10 abr. Usinas Reversíveis: Perspectivas no Setor Elétrico Brasileiro. X Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas e Usinas Reversíveis, 28 abr. HUNT, J. D. FREITAS, M. LCOE 2010-2017. Disponível em: <https://www. irena. org/ourwork/Knowledge-Data-Statistics/Data-Statistics/Costs/LCOE-2010-2017>. Acesso em 06 abr. Energy v. pp.

REN21. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Renewables 2017 Global Status Report. Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar, Oceânica. EPE: Rio de Janeiro, 2016. VALHALLA (2019). Espejo de Tarapacá Project. Disponível em: <http://valhalla.

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