Definições em hidroeletricidade

O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil, definido como Sistema Interligado Nacional (SIN), apresenta uma participação de Usinas Hidrelétricas (UHEs) superior a 75% da capacidade instalada do parque gerador, com complementação termelétrica. A interdependência operativa entre as usinas, a interconexão do sistema de transmissão e a integração desses recursos para o atendimento ao mercado de energia e à demanda formam a base para que a operação do SIN seja realizada de forma centralizada através do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). Devido ao grande porte do SIN, faz-se necessário reduzir a quantidade de UHEs para diminuir o número de variáveis e entender melhor a situação energética.

Um pouco de Hidrografia

Uma bacia hidrográfica é uma área onde ocorre a drenagem da água das chuvas para um determinado curso de água. Com o terreno em declive, a água de diversas fontes (chamados de afluentes) deságuam num determinado rio principal, formando assim uma bacia hidrográfica. Os afluentes (ou tributários) podem ser rios, ribeirões (ou ribeiras), riachos (ou arroios), regatos, córregos, etc, em ordem decrescente de volume de água.

O rio começa a correr a partir da nascente e deságua na foz. As águas seguem o declive segundo o seu talvegue (linha que se encontra no meio da junção mais profunda de um vale ou rio), de montante (lado onde nasce) para jusante (o lado onde termina), entre as duas margens: direita e esquerda, conforme um observador voltado para jusante. O leito do rio é o terreno por onde ele corre. No lugar próximo da foz, o leito do rio alarga-se, em geral, para formar um estuário – se o rio deságua no mar por várias aberturas, o espaço compreendido entre os braços extremos chama-se delta.

A vazão de um curso d’água é o volume de água que passa por uma determinada seção por uma unidade de tempo. Ele pode ser afluente (que chega a um determinado ponto), defluente (o que sai de um aproveitamento hidrelétrico), derivada (desviada do seu curso normal) ou vertida (liberada por um reservatório através de vertedouros de superfície e/ou de descarregadores de fundo).

As usinas hidrelétricas (ou hidroelétricas) devem aproveitar o desnível natural em um curso de água para, através da pressão da água que gira uma turbina, transformar a energia potencial em energia cinética. Depois de passar pela turbina, o gerador transforma a energia cinética em energia elétrica. A queda de água (ou queda-d’água, já que se usa o hífen nos compostos entre cujos elementos onde há o emprego do apóstrofo) pode receber o nome de cachoeira (quando de menor porte), catarata (em forma de cortina), salto (em forma de esguicho com queda ininterrupta de grande altura) ou cascata (quando a água desliza por uma série declives acidentados).

Reservatório de Furnas (MG) - veja mais sobre a UHE Furnas clicando no link. Foto: ViniRoger.

Reservatório de Furnas (MG) – veja mais sobre a UHE Furnas clicando no link. Foto: ViniRoger.

Uma barragem, dique, açude (mais voltado para recolher água da chuva) ou represa é uma barreira artificial feita em cursos de água para a retenção de grandes quantidades de água. A sua utilização é sobretudo para o abastecimento de água zonas residenciais, agrícolas, industriais, produção de energia elétrica ou regularização de um caudal. Um pôlder é uma porção de terrenos baixos, planos e alagáveis que são protegidos continuamente de alagamentos por meio de diques e dessecamento, visando à utilização na agricultura ou como moradia – grande parte dos Países Baixos constitui-se de pôlderes. Mananciais são todas as fontes de água, superficiais ou subterrâneas que podem ser usadas para o abastecimento público, o que inclui os reservatórios, lagos, etc.

Reservatórios são lagos feitos pelo homem, normalmente através do barramento de um rio, com a finalidade de gerar energia elétrica, irrigação, abastecimento d´água, etc. O reservatório tem formato de V, geralmente o leito do rio que foi represado e alagado, com profundidade máxima próximo da barragem. Já o lago tem origem natural, com eras geológicas de idade, formado em alguma depressão em formato de U, com a profundidade máxima perto do centro. Geralmente, as lagoas são lagos de tamanho reduzido, enquanto que uma laguna possui conexão com o mar, recebendo água salgada. Os mares são considerados parte dos oceanos, sendo menores e menos profundos, mas de água salgada – a cor da água se deve ao reflexo do céu, temperatura das águas, presença de sedimentos coloridos e profundidade (quanto mais fundo, mais escuro).

Reservatórios e usinas

O Reservatório Equivalente de Energia (REE) é uma abstração do volume total de água existente nos reservatórios das hidrelétricas de um determinado subconjunto. Esse conceito é utilizado quando uma sequência de decisões mensais do total de energia hidrelétrica tem maior importância econômica do que a alocação da energia de cada UHE, ou seja, quando é necessário saber da ativação ou não de termelétricas, gerando um custo adicional considerável ao preço da energia. As decisões são pensadas em termos de energia (megawatts) em vez de água (metros cúbicos). Essa classificação também torna a análise mais real, sem alguma bacia que tenha mais peso individualmente mascarando o resultado de todo um subsistema, puxando a média para cima ou para baixo.

O volume mínimo (ou volume morto) corresponde a menor quantidade de água que deve estar armazenada num determinado reservatório e ainda assim a usina preserva sua capacidade de geração. Já o volume máximo correspondente a quantidade total de água que pode ser armazenada no reservatório incluindo o volume mínimo. O volume útil de um reservatório é dado pela diferença entre o volume máximo e mínimo do mesmo. Cotas são as diferenças verticais em metros entre a superfície do reservatório e a superfície do oceano – a diferença de altura entre a superfície do leito do rio imediatamente após a saída da turbina e a superfície do oceano é denominada cota do canal de fuga.

O agrupamento em REEs reduz o número de variáveis do problema e reduz o problema do acoplamento espacial entre as UHEs de uma mesma cascata (quando as UHE estão em sequência em um mesmo curso de água). Por ser um modelo simplificado, o foco não é a precisão na operação real de cada reservatório no estudo do Planejamento Anual da Operação Energética. As usinas de pequeno porte, como Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCHs, não são consideradas no cálculo dos parâmetros dos REEs.

O conjunto de UHEs e/ou REEs formam um mesmo Subsistema Elétrico (SEE), definido como uma região elétrica em que as restrições de transmissão não são atingidas de maneira relevante, tanto na ocorrência quanto na duração. No Brasil, os subsistemas são: Sul (S), Sudeste/Centro-Oeste (SE/CO), Norte (N) e Nordeste (NE).

Topologia D3 com REEs e Subsistemas (vide tabela mais mais abaixo para siglas). Fonte: ANEEL

Topologia D3 com REEs e Subsistemas (vide tabela mais mais abaixo para siglas). Fonte: ANEEL

Essas definições implicam em algumas observações ao comparar com as bacias hidrográficas. Por exemplo, existem usinas pertencentes ao subsistemas SE/CO e NE na bacia do rio São Francisco, devendo a energia produzida por essa cascata ser dividida entre dois REEs. Para resolver esse problema, é possível adicionar usinas fictícias ou considerar os diferentes REEs no cálculo.

Nas usinas com reservatório de regularização do rio, ocorre acúmulo de água nos períodos de cheia para ser usada durante os períodos secos na geração de energia. De certa forma, ao se estocar água, está estocando energia (quem sabe foi esse tipo de raciocínio que a presidente Dilma estava tendo ao falar de se estocar vento? =P). Já nas usinas a fio d’água, o reservatório tem dimensão reduzida ou mesmo inexistente.

A Energia Afluente é a energia que pode ser gerada a partir das afluências, que podem ser natural (afluência total que chega a usina) ou incremental (apenas a afluência decorrente do trecho que começa na usina a montante). Como a afluência incremental pode ser calculada como a afluência natural da usina menos a afluência natural da usina a montante, é comum utilizar a Energia Natural Afluente (ENA): obtida a partir da medida da vazão natural afluente turbinada em uma usina situada à jusante do ponto (ou seja, de um ponto mais alto para um ponto mais baixo do fluxo do rio, na direção da foz).

Na prática, a ENA é o volume de energia que pode ser produzido de acordo com o regime de chuvas (e consequentente preenchimento dos rios que pertencem à bacia) em determinado local: quanto maior a ENA, maior a quantidade de energia possível de ser gerada pela usina hidrelétrica. A ENA pode ser apresentada em MW ou em percentual da média histórica de longo termo (%MLT), calculada a partir de uma série histórica (de 1931 até ano definido pelo ONS).

A ENA é calculada pelo ONS a partir do produto das vazões naturais e das produtividades (ou também chamadas de produtibilidades) equivalentes ao armazenamento de 65% do volume útil dos reservatórios dos aproveitamentos hidroelétricos, somadas para uma bacia ou subsistema. Essa produtibilidade média refere-se ao aproveitamento hidrelétrico conjunto turbina-gerador, referente à queda obtida pela diferença entre o nível de montante e o nível médio do canal de fuga. O fator de produtibilidade não é uma constante e varia com a altura da água no reservatório (por isso a referência de 65% do volume do reservatório). Os valores de ENA estão disponíveis no site do ONS.

Os sistemas hídricos com complementaridade térmica possuem características bem distintas, como:

  • Estocasticidade: relacionada com a incerteza em relação às afluências futuras, que se tornam mais significativas quanto maior for o horizonte do planejamento;
  • Acoplamento espacial da operação: a construção de usinas hidráulicas em cascata, ou seja, no leito de um mesmo rio, faz com que a operação de uma usina, à montante interfira na operação das usinas à jusante
  • Acoplamento temporal da operação: a decisão da utilização dos recursos hídricos em um mês pode ocasionar efeitos indesejados nos meses subsequentes, tais como o não suprimento da carga (déficit) ou mesmo o vertimento de água dos reservatórios, que representa um desperdício de energia.

Através da série histórica de valores, é possível estudar seu comportamento estatístico e obter uma previsão de custo da energia. Outro tipo de modelo pode ser desenvolvido por conservação de massa (conhecido como Balanço Hídrico) – veja mais sobre Hidrologia clicando nesse link.

A previsão de ENA do ONS considera somente as séries históricas de energias naturais afluentes, calculadas a partir do histórico de vazões naturais médias mensais e da configuração dos aproveitamentos hidroelétricos representados. Por exemplo, se no passado o mês de janeiro geralmente é chuvoso com altos valores de ENA e acontece uma seca fora da média, esse modelo do ONS não irá prever uma queda da ENA.

Chuvas locais e em afluentes podem aumentar o nível dos reservatórios, enquanto que a evaporação (proporcional à área, maior nos meses mais quentes e com menos nuvens) diminui o nível. A energia é calculada pelo somatório das quedas de cada usina. Como os armazenamentos dos reservatórios oscilam ao longo dos meses, pode-se considerar constante o percentual de contribuição de cada reservatório à energia controlável total em um mesmo período de x meses.

Postos do ONS

O ONS dispõe de séries de vazões naturais diárias e semanais para alimentar os modelos de previsão de vazões e controle de cheias. É utilizado um subconjunto de postos (ou aproveitamentos) de cada bacia, denominados de postos base, lançando-se mão do uso de relações de regressão entre estes postos base e os postos nos locais dos demais postos para complementar as previsões de vazões para todo o SIN. Eles podem ser classificados como em operação ou em expansão e como naturais ou artificiais.

  • vazão natural – obtida com a retirada do efeito antrópico, tais como regularizações de vazões realizadas por reservatórios, desvios de água, evaporações em reservatórios e usos consuntivos (irrigação, criação animal e abastecimentos urbano, rural e industrial)
  • vazão artificial – considera todos os efeitos da vazão natural; são adotadas apenas no modelo de planejamento de médio prazo, no qual a representação dos subsistemas se faz através de reservatórios equivalentes, não sendo possível considerar as operações de bombeamentos e de desvios decorrentes de regras específicas para algumas bacias
  • vazão incremental – correspondente a toda vazão lateral captada entre um posto de medição e todos os postos de medição imediatamente a montante deste
  • vazão turbinada – aquela que passa pelas turbinas e gera energia
  • vazão vertida – passa pelos vertedouros da usina e não gera energia (quando não existe espaço para armazenar o excedente de água no reservatório)
  • vazão defluente – soma da vazão turbinada e da vazão vertida

Ainda existe o posto fictício, cuja vazão é calculada em um ponto que seria o ideal de medição considerando o posto real mais próximo.

O ONS promove previsões da vazão natural afluente (Qnat, em m³/s) em diversos postos. Para o Programa Mensal de Operação (PMO) e suas revisões (REV), são previstas vazões diárias para o fechamento da semana em curso e vazões semanais para o restante do mês. Das 6 semanas operativas que compõem o arquivo gerado (uma em cada coluna), para a primeira semana é utilizado um modelo chuva-vazão, e da segunda semana em diante o ONS roda o Previvaz para a maioria dos postos e outros modelos desse tipo para os demais, assim como obtém os valores de postos similares.

Esses arquivos são chamados de PREVS.REV, onde PMO corresponde à rodada feita na última semana do mês prevendo a primeira semana do mês seguinte (REV0). O resultado é divulgado na internet nesse link toda quinta-feira, sendo que toda semana operativa começa no sábado. Por exemplo, a primeira semana operativa de novembro/2016 foi a de 29/10 a 04/11; a segunda foi de 05/11 a 11/11; e assim sucessivamente.

Com a adoção da nova topologia D3, ocorreram algumas mudanças nos postos. Por exemplo, para obter a ENA do REE de ITAIPU, são utilizadas as vazões incrementais (verificadas, estimadas e previstas) dos reservatórios de Jupiá (45/245), Porto Primavera (46/246), Taquaruçu (62), Rosana (63) e Itaipu (66/266). De forma a facilitar a reprodutibilidade deste cálculo, o somatório destas vazões incrementais é disponibilizado no arquivo PREVS através do posto 166.

O Cepel (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica) da Eletrobras e outros órgãos e empresas fazem o planejamento mensal da operação do sistema hidrotérmico com metas de geração para cada usina do sistema que atendam à demanda e minimizem o valor esperado do custo de operação ao longo do período de planejamento. Para isso, são utilizados modelos com diferentes graus de detalhe para representação do sistema, abrangendo períodos de estudos com horizontes distintos:

  • longo e médio prazo: NEWAVE (Modelo de Planejamento da Operação de Sistemas Hidrotérmicos Interligados de Longo e Médio Prazo), baseado na técnica de Programação Dinâmica Dual Estocástica (PDDE) e em sistemas equivalentes de energia;
  • curto prazo: DECOMP (Modelo de Planejamento da Operação de Sistemas Hidrotérmicos Interligados de Curto Prazo);
  • operação diária: DESSEM (Modelo de Despacho Hidrotérmico de Curto Prazo).

A estocasticidade das afluências é considerada através de cenários de afluências às usinas do sistema, produzidos pelo modelo GEVAZP (Geração de Séries Sintéticas de Energias e Vazões Periódicas) e representados por uma árvore de afluências, com probabilidades de ocorrência associadas a cada ramo. Já o SUISHI é um modelo de simulação mensal da operação energética de sistemas hidrotérmicos interligados a usinas individualizadas, que utiliza heurísticas operativas baseadas na busca pela operação em paralelo por faixas dos reservatórios e consideração das não linearidades nas restrições operativas associadas ao problema.

Atualmente, o ONS é o agente responsável por gerenciar as informações das usinas hidrelétricas que fazem parte do SIN – antes da re-estruturação do Setor Elétrico Brasileiro, o gerenciamento ficava sob a responsabilidade da Eletrobrás. Em janeiro de 2016, o ONS começa a utilizar a topologia D3, que conduz uma composição menos restritiva (mais realista) do problema de otimização do despacho hidrotérmico. À medida que a composição da oferta hidrelétrica é desagregada em mais reservatórios, o número de restrições do problema de otimização aumenta diretamente. A nova topologia representa os REEs abaixo relacionados, com os respectivos subsistemas e bacias (note que uma bacia pode ter usinas que pertençam a um REE e outras usinas de outro REE):

Subs REE Bacias
SE/CO Sudeste Atlântico Sudeste, Cubatão, Doce, Itabapoana, Jequitinhonha, Mucuri, Paraguai, Paraíba do Sul, Paraná, São Francisco, Tietê, Tocantins
S Sul Atlântico Sudeste, Capivari-Cachoeira, Iguaçu, Jacuí, Paranapanema, Uruguai
NE Nordeste Atlântico Leste, Jequitinhonha, Parnaíba, São Francisco
N Norte Amazonas, Araguari, Tocantins-Araguaia
SE/CO Itaipu Paraná
SE/CO Madeira Amazonas
SE/CO Teles Pires Amazonas
N Belo Monte Amazonas
SE/CO Paraná Grande, Paraná, Paranaíba, Paranapanema, Tietê

Clique no link para ver o arquivo com a relação dos postos das UHEs com ID, Bacias, Reservatórios e Subsistemas. Um posto hidrométrico é um local de medição de água por equipamentos especificamente projetados para medir os processos hidrológicos, também chamado de fluviométrico quando mede a vazão dos rios e pluviométrico quando mede chuvas.

Na tabela de relação de postos, eles são de vazão natural, a não ser que se diga o contrário. Muitas usinas possuem o seu número de referência igual ao código do posto de medição de vazões, mas esta não é uma regra que pode ser aplicada a todas as usinas. Cada uma das usinas possui um número que serve para identificá-la, sendo que o nome deve conter no máximo 12 caracteres alfa numéricos – algumas possuem mais de um nome. São registros mensais, sendo que o primeiro é de janeiro de 1931 para todos os postos. Alguns códigos são de postos que já foram desativados estão reservados para expansão – veja mais nas matérias Hidrelétricas paradas do marco regulatório antigo (apenas a partir do novo marco regulatório de 2004 é que os empreendimentos de energia passaram a ir a leilão com licença ambiental prévia) e Projetos de hidrelétricas podem sair do papel.

Turbina e Barragem da UHE Itaipu. Fotos: ViniRoger.

Turbina e Barragem da UHE Itaipu. Fotos: ViniRoger.

Quando uma usina pode ter a sua jusante dois aproveitamentos distintos, é dita que é uma usina de bombeamento (ex: no desvio do Jordão na Bacia do Iguaçu). Mais informações podem ser obtidas no documento do ONS “Séries Históricas de Vazões” (link no final do post).

Para cada usina hidrelétrica existe um determinado número de conjuntos de máquinas que é estabelecido de acordo com o tipo e disposição das turbinas/geradores existentes em uma determinada usina – cada máquina é definida como um conjunto turbina/gerador. As turbinas hidráulicas podem são classificadas como:

  • turbinas de ação (Pelton) – transformam a energia cinética de um fluido em energia mecânica (adequadas para alturas acima de 350 metros)
  • turbinas de reação (Francis e Kaplan) – trabalham submersas e aproveitam a energia cinética e de pressão do fluido para obter energia mecânica (a francis tem maior eficiência para alturas entre 40 e 400 metros e a Kaplan entre 20 e 50 metros)

Veja mais sobre geração e distribuição de energia clicando no link.

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