A Retomada do Conceito de Usinas Hidrelétricas

A RETOMADA DO CONCEITO DE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS NO SETOR
ELÉTRICO BRASILEIRO
Sérgio Zuculin1, Mirian Adelaide R. R. C. Pinto2, Paulo S. F. Barbosa3
1
CESP – Companhia Energética de São Paulo
2
3
Hedaidi Engenharia
UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas
Resumo. O conceito de Usina Hidrelétrica Reversível (UHR) pode não parecer
razoável num primeiro instante, por se tratar de uma instalação que tanto gera quanto
consome energia, conforme estiver turbinando ou bombeando água. É possível admitir
que esse tipo de usina tenha um caráter neutro ou até mesmo negativo na produção de
energia. “Por que gastar energia para bombear água até um reservatório superior se
posteriormente essa água será turbinada de volta, gerando menos energia que aquela
gasta no bombeamento?”. Ocorre, porém, que a relevância e a oportunidade de usinas
hidrelétricas reversíveis devem ser avaliadas sob o ponto de vista das necessidades
sistêmicas, mais afetas às dificuldades operacionais que se avolumam conforme as
tendências da expansão da oferta e da demanda, como da configuração do sistema
interligado, considerando também os benefícios regionais para atendimento de ponta,
confiabilidade, controle, modulação das disponibilidades, dentre outros.
Palavras-chave: usina hidrelétrica reversível, geração de energia elétrica, sistema
elétrico, inventário.
1. Introdução
A expansão da geração no Brasil, por qualquer fonte, ocorre sempre considerando
sua garantia física, ou, pela energia que as novas plantas podem oferecer ao sistema.
Como usinas hidrelétricas reversíveis são instalações que operam gerando ou
consumindo energia, turbinando ou bombeando água, respectivamente, e que o balanço
é sempre negativo, isto é, que esse tipo de usina de forma geral, tem um consumo maior
que a geração, fica a questão: “O setor elétrico brasileiro precisa de usinas hidrelétricas
reversíveis?”, e se a resposta é positiva “Como viabilizar uma fonte de geração com
características de carga?”.
Acontece que um sistema elétrico precisa mais do que apenas energia. Precisa de
recursos elétricos para que essa energia seja disponibilizada com qualidade e
confiabilidade. Precisa de diversidade de fontes, para sustentabilidade. É justamente
para oferecer esse equilíbrio ao sistema, que a usina hidrelétrica reversível (UHR) surge
como alternativa.
A maior vantagem da UHR é armazenar energia em horários de menor demanda e
gerar energia nos horários de maior demanda. E por esse princípio, decorrem todos os
outros benefícios que essa fonte de geração oferece.
Figura 1 – Turbina-bomba Francis típica
2. O conceito de usina hidrelétrica reversível (UHR)
As UHR representam parte significativa do parque gerador em diversos países e
vem tendo utilização crescente. A potência instalada atual no mundo é da ordem de
127.000 MW.
O armazenamento de energia por bombeamento depende de um reservatório de água
superior e outro inferior. A água é bombeada do reservatório inferior para o reservatório
superior durante períodos de baixa demanda de energia no sistema e preços baixos,
geralmente à noite, e liberada para ser turbinada e gerar eletricidade quando a demanda
por energia ou requisitos elétricos e os preços estão altos.
Usinas Hidrelétricas Reversíveis são inerentes a sistemas elétricos que combinam
fontes de energia renováveis como a eólica e a solar, pois podem compensar
intermitências, nivelando as flutuações características dessas fontes. Em sistemas com
grande capacidade instalada de eólicas, usinas hidrelétricas a fio d’água e usinas
nucleares, a UHR pode funcionar como uma carga na forma de bateria, armazenando
energia.
Os benefícios sistêmicos da UHR
• Suporte à expansão de fontes renováveis intermitentes, como eólica e solar;
• Suporte à expansão de usinas a fio d’água e usinas idealmente motorizadas pela
garantia física;
• Confiabilidade e qualidade do suprimento de energia, uma vez que o estoque de
energia disponível na UHR pode ser usado prontamente em ocasiões de
contingências;
• Controle de potência reativa, correção do fator de potência e controle de tensão;
• Alavancagem da carga, melhoria do fator de carga;
• Modicidade da expansão da geração, por meio da melhor utilização da
capacidade instalada e redução do custo de aquisição de energia no horário da
ponta;
• Acompanhamento de variações da carga;
• Modulação da oferta de energia ao longo das horas do dia;
• Redução das necessidades de reserva girante convencional;
• Adiamento da expansão da transmissão;
• Suporte à expansão da geração distribuída na rede;
• Estabilidade do sistema de potência e controle das oscilações de tensão e
frequência;
• Apoio ao controle automático da geração;
• Restabelecimento black-start;
• Redução do despacho termelétrico por razões elétricas;
• Diminuição de impactos ambientais;
Os grandes desafios para inserção de UHR no Sistema Interligado Nacional (SIN)
são: a viabilidade econômica e o estabelecimento de bases regulatórias.
O Brasil passou por um período de forte expansão de oferta de energia hidrelétrica,
durante
o
qual,
certos
requisitos
elétricos
seriam
suportados
por
usinas
supermotorizadas, ou usinas de ponta. Esta opção feita à época, quando o parque
brasileiro tinha uma capacidade instalada da ordem de 30 GW, eliminou a necessidade
de UHR no SIN, naquele momento.
Atualmente o SIN conta com 130 GW de capacidade instalada e franca expansão
das fontes eólicas e solares, conjugada ao novo modelo do setor elétrico, no qual não se
viabilizam usinas com motorização além do necessário às suas garantias físicas e com
forte tendência para usinas a fio d’água. Neste novo cenário de expansão e configuração
do sistema, é razoável a retomada de alternativas que ofereçam outros recursos elétricos
ao sistema, além da garantia física, como é o caso da UHR.
3. O potencial brasileiro – Estudos de pré-inventários
As usinas hidrelétricas reversíveis foram objetos de estudos no Brasil, no século
passado. Registros de inventários desenvolvidos dão conta de um imenso potencial para
esse tipo de fonte. Os levantamentos feitos à época consideraram algumas premissas
que precisam ser revistas, à luz das características atuais e futuras do SIN, bem como,
dos requisitos ambientais e de uso dos recursos hídricos, que evoluíram. Muitos locais
inventariados estarão inviabilizados por ocupações urbanas e outras prioridades de usos.
Em 1979 a Eletrobrás coordenou um estudo de pré-inventário de UHR. No Estado
de São Paulo, a CESP inventariou a Serra do Mar, Serra da Mantiqueira e Serra Geral,
numa área de 106.000 km² com cartas do IBGE na escala 1:50.000. A partir de
premissas básicas, como: queda mínima de 300 metros, relação entre a queda e a
distância de interligação dos reservatórios menor que 1/10 e potencial mínimo de 1 GW
para 14 horas de geração, foi feita uma redução da área para 72.000 km² na qual estão
cadastradas 341 alternativas, com um potencial de 735 GW. Estudos de prédimensionamento das alternativas possibilitaram utilizar estimativas de custos como
mais um filtro, chegando às seguintes alternativas viáveis à época:
Tabela 1 – Pré-inventário UHR no Estado de São Paulo (1982)
Local
Alternativas
Capacidade Instalada
(MW)
Serra do Mar
37
150.000
Serra da Mantiqueira
19
32.200
Serra Geral
12
17.500
Total
68
199.700
Fonte: Relatório IPT 17.316 de 21 de dezembro de 1982, Arquivos CESP
Tabela 2 – Pré-inventário UHR Eletrobrás (1979)
Local
Alternativas
Capacidade Instalada
(MW)
Região Nordeste
-
5.000
Minas Gerais
-
24.000
Rio de Janeiro
-
260.000
Total
-
289.000
Fonte: Ciclo de Debates “UHR no programa de expansão da Hydro Quebec”, Eletrobrás, 1981
Sabe-se que existe um enorme potencial para UHR na região Sul.
4. Aspectos ambientais e de recursos hídricos
Estudos ambientais específicos sobre UHR ainda não foram conduzidos sob a égide
da legislação brasileira, mas é possível perceber que os impactos socioambientais de
uma UHR, guardam alguma similaridade com os de uma UHE convencional ou mais
propriamente com os de uma PCH, inovando em alguns aspectos, a depender da
configuração de cada empreendimento e dimensionalmente menores em outros.
Sempre haverá necessidade de dois reservatórios: o inferior e o superior, porém,
consideravelmente pequenos em relação aos reservatórios tradicionais de hidrelétricas.
Um estudo de caso de UHR foi feito, com cerca de 800 MW de potência instalada e
geração de 8 horas diárias e seis dias por semana, precisaria de um reservatório de
menos de 10 hm³. A UHE Três Irmãos, em São Paulo, tem 808 MW instalados e um
reservatório de cerca de 13.500 hm³ (3.500 hm³ de volume útil). Essa é uma diferença
radical na análise de impactos socioambientais, pois enquanto na UHE convencional o
reservatório é projetado para criar ou concentrar a queda de um rio, na UHR a queda é o
próprio desnível natural abrupto de uma serra, ficando o reservatório apenas para conter
o volume de geração e bombeamento, num circuito fechado ou semiaberto. Também
para comparação, a UHE Ilha dos Pombos, no Rio de Janeiro, com 187 MW, tem um
reservatório similar, com 7 hm³.
Os reservatórios, por serem pequenos, sofrerão oscilações consideráveis e
frequentes do nível d’água, podendo essa variação ser diária ou semanal, dependendo da
duração do ciclo bombeamento e geração. A exceção à variação se dá em casos nos
quais um dos reservatórios seja existente e infinito (por exemplo, quando se usa o
reservatório existente de uma hidrelétrica). Tais variações de nível podem provocar
erosão das margens. Tamanha variação no nível d’água acaba criando uma faixa
inóspita à habitação. A operação da usina reversível determinará a qualidade da água
bombeada ao reservatório superior, que poderá implicar, ou não, em impactos à fauna e
flora.
Embora não haja legislação específica para este tipo de usina, é possível a aplicação
da existente, mormente quanto às leis da Política Nacional de Meio Ambiente e da
Política Nacional de Recursos Hídricos, inclusive quanto à outorga de direitos de uso.
Há que se discutir o enquadramento dessa usina.
A cobrança pelo uso da água deve ser um ponto para discussão. Por se tratar de um
circuito fechado ou semiaberto, há a criação do volume inicial e depois disso, apenas a
água necessária à reposição por evaporação e outras perdas. A isenção da taxa pode vir
a ser um incentivo à viabilização desse tipo de usina.
Da legislação ambiental infere-se que a UHR estará condicionada ao processo de
Estudo de Impacto Ambiental (EIA) e Relatório de Impacto do Meio Ambiente
(RIMA), bem como suas medidas e obtenção das licenças prévia (LP), de instalação
(LI) e de operação (LO).
5. Estudo de caso – Aspectos Técnicos
Um projeto de P&D da ANEEL nos termos da Lei 9991 de 2000 foi desenvolvido
pela CESP, em 2013-14 e considerou um estudo de caso de UHR na Serra do Mar,
litoral norte do Estado de São Paulo ao nível de “projeto de concepção”. Os locais dos
reservatórios ainda são viáveis.
Com um olhar aplicado sobre este estudo de caso, a pesquisa buscou contextualizar
a importância, os benefícios e os contraditórios da implantação de uma usina
hidrelétrica reversível, com as finalidades inerentes a este tipo de usina, associadas a
benefícios precípuos de uso dos recursos hídricos, como o abastecimento público a
cidades litorâneas, melhorando as condições sanitárias que se agravam no verão e como
também melhorando as condições elétricas da região, conciliando benefícios sistêmicos
e necessidades regionais.
Essa alternativa havia sido estudada no passado e demonstrava vantagens de ordem
logística, ecológica e de suporte básico de investigações, pois já contava com acessos
rodoviários implantados, instalações em faixa já explorada por outros empreendimentos
e por isso, com menor impacto ecológico adicional, além de considerável volume de
dados topográficos e geológicos, devido aos estudos realizados. A utilização de um
reservatório (superior) existente contribui significativamente para a viabilidade do caso,
que tem o seguinte arranjo para a UHR:
Cota Máx: 714 m
Cota Mín: 706 m
Vol. Útil: 8,1 hm3
Chaminé de
Equilíbrio
Túnel
Q
Ø
2,00 m
666 m
Reservatório
Superior
51,2 m3/s
Por Túnel
Qger
Pger
Pbom
53,1 m3/s
Ø
3,10 m
Qbom
UHR
Qbom
Qger
157,4
m3/s
39,2 m3/s
78,4 m3/s
786 MW
504 MW
Casa de Força
PELTON (2 x 131 MW)
Cota: 75 m
Cota Máx: 70 m
Cota Mín: 48 m
Vol. Útil: 7,5 hm3
Reservatório
Inferior
0,5 m3/s
(abastecimento)
Casa de Força Subterrânea
FRANCIS (4 x 131 MW)
Cota: 0 m
Figura 2 – Desenho esquemático da UHR – Estudo de Caso
Os dados característicos do estudo de caso são:
•
Potência instalada total de geração: 786 MW, sendo 4 grupos turbinas-bombas
Francis x 131 MW e 2 grupos geradores 131 MW Pelton.
•
Reservatório superior com 8,1 hm³ de volume útil variando entre as cotas 706 m
e 714 m;
•
Reservatório inferior com 7,5 hm³ de volume útil variando entre as cotas 48 m e
70 m;
•
Um túnel de adução escavado em rocha, com 3.930 m de comprimento e 6,5 m
de diâmetro desde o reservatório até a chaminé de equilíbrio;
•
Dois túneis escavados em rocha, revestidos em concreto, com 3,10 m de
diâmetro até a Casa de Força Subterrânea na Cota Zero com 4 grupos turbinasbomba de 131 MW;
•
Um terceiro túnel escavado em rocha, revestido em concreto, com 2,0 m de
diâmetro até a Casa de Força Pelton na Cota 75 m com 2 grupos geradores de
131 MW;
•
Retirada de 0,5 m3/s de água do reservatório inferior para abastecimento local;
O arranjo com 4 grupos turbo-bombas e 2 grupos geradores Pelton foi decorrente da
perspectiva de atendimento elétrico regional, com os 2 grupos Pelton escoando energia
em 138 kV e os 4 grupos Francis conectados ao 345 kV. Esta linha de 345 kV é
proveniente da subestação onde conecta-se a linha 765 kV oriunda da usina hidrelétrica
de Itaipu. As conexões com a Rede Básica se dariam a cerca de 3 km da planta.
Uma parceria com um fornecedor de equipamentos permitiu detalhar o projeto
eletromecânico do estudo de caso, aproximando-o da realidade de mercado.
O custo estimado da casa de força das turbobombas e da casa de força Pelton,
considerando: turbinas, RV, válvulas, equipamentos hidromecânicos, barramentos e
equipamentos auxiliares, sistema de comandos, controle e proteção e sistema de
telecomunicação, mais, transformador e subestação, foi da ordem de R$ 600 milhões,
sem os impostos (ICMS, IPI, PIS, COFINS) e sem a instalação. O prazo de
fornecimento desses equipamentos foi estimado em 32 meses para entrada em operação
comercial da 1ª unidade e 38 meses até a última unidade.
O custo do quilowatt instalado do caso estudado é da ordem de R$ 2.500,00.
6. Estudo de caso – Garantia Física
No sentido de conciliar a usina hidrelétrica reversível do caso de referência aos
princípios de expansão de geração no Brasil e de comercialização de garantia física,
com algum esforço técnico tendo como base as metodologias das Portarias MME 303 e
258, adaptadas, foi calculada a garantia física dessa usina.
A garantia física resultante foi de 240 MW médios, que corresponderia à garantia
física de uma usina hidrelétrica convencional equivalente, com as características da
UHR em referência e com afluências de vazões históricas fixas e iguais à premissa de
geração de 47 horas semanais.
7. Aspectos Comerciais e Regulatórios da UHR no SIN
O grande desafio para inserção das usinas hidrelétricas reversíveis no setor elétrico
brasileiro é a regulação dos aspectos comerciais desse tipo de agente de geração,
mormente quanto à outorga desses empreendimentos por meio de leilões, sem
considerar alterações muito profundas aos processos existentes.
No projeto de P&D desenvolvido pela CESP se verifica que a viabilidade dessas
usinas em outros mercados decorre principalmente de valores diferenciados da energia,
para os vários patamares de carga, o que não se aplica ao SIN. O trabalho reconhece
pelo menos três dificuldades para a proposição regulatória de UHR no modelo
brasileiro: (i) A falta de um mercado de potência ou de serviços ancilares, que poderia
ser uma referência; (ii) A pequena diferenciação, quando existente, dos preços de curto
prazo (PLD) entre as cargas pesadas, média ou leve e (iii) A inexistência de empresas
verticalizadas, onde haveria compensação financeira para investimentos em UHR,
diante dos seus benefícios não apenas no componente Geração, mas nos demais
segmentos (T e D), como ocorreu com grande parte dos projetos de UHR nos EUA, em
período prévio ao mercado competitivo.
A partir de premissas pouco triviais, chega-se às seguintes alternativas para inserção
da UHR no mercado brasileiro:
a) Venda da geração no CCEAR e aquisição do bombeamento por tarifas de
suprimento especiais;
b) Venda da geração no CCEAR e aquisição do bombeamento em excedentes da
carga leve (exigiria maiores mudanças regulatórias);
c) Venda da geração no CCEAR e inserção da usina no MRE.
8. Conclusões
Do ponto de vista tecnológico, não abordado neste artigo, usinas hidrelétricas
reversíveis encontram-se bem desenvolvidas e consolidadas pelo mundo, com arranjos
dos mais diversos tipos, entre turbinas, bombas e turbinas-bombas, entre as quais as de
tecnologia de curto-circuito hidráulico e as de velocidades variáveis, as de estágio
simples e múltiplos, cada qual mais ou menos indicada para cada solução que se busca,
ágeis, bem eficientes e em preços compatíveis com as tecnologias convencionais.
A evolução da matriz energética brasileira, bem como as tendências e mesmo a
configuração atual do sistema elétrico, indica a necessidade desse tipo de fonte de
geração, que trará muitos benefícios ao Sistema Interligado Nacional.
O potencial de hidrelétricas reversíveis no Brasil excede em muito a necessidade
atual e futura dessas usinas no SIN, o que possibilita inventariar esse potencial
considerando alternativas mais econômicas para implantação.
A viabilidade econômica desse tipo de usina passa por uma solução que seja
compatível com o modelo do setor elétrico brasileiro, como por exemplo, a atribuição
de uma Garantia Física a ser disputada em leilão, associada ao reconhecimento dos
benefícios que a UHR traz ao sistema, possibilitando sua integração ao MRE.
9. Referências Bibliográficas
PROJETO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO “A retomada do conceito de usinas
hidrelétricas reversíveis no setor elétrico brasileiro” Código ANEEL PD-0061-0026/2011.
JOG, M. G. Hydro-electric and pumped storage plants. John Willey & Sons, pag. 133-185, 1989.
CONNOLLY, D.; LUND, H.; FINN, P.; MATHIESEN, B.V.; LEAHY, M. Practical operation
strategies for pumped hydroelectric energy storage (PHES) utilizing electricity price arbitrage.
Energy Policy Volume 39, Issue 7, Pages 4189-4196, JUL 2011.
HIDROSERVICE - Engenharia de Projetos. (1979). Estudos de Viabilidade Técnico-econômica Relatório Final - Volume I - usina hidrelétrica reversível de Caraguatatuba. São Paulo: CESP.
TER-GAZARIAN, A. Energy storage for power systems, chapter 6, pages 86-99.Institution of
Engineering and Technology, 1994.