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.

Turbina e Barragem da UHE Itaipu. Fotos: ViniRoger.
Turbina e Barragem da UHE Itaipu. Fotos: ViniRoger.

Reservatórios, subsistemas e bacias

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).

Nova 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.

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. Desde a primeira semana de 2018 (conforme nota técnica de setembro de 2017 da ANEEL), foram incluídos mais 3 REEs, totalizando 12.

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
1 – SE/CO 1 – Sudeste Atlântico Sudeste, Cubatão, Doce, Itabapoana, Jequitinhonha, Mucuri, Paraguai, Paraíba do Sul, Tietê
1 – SE/CO 5 – Itaipu Paraná
1 – SE/CO 6 – Madeira Amazonas
1 – SE/CO 7 – Teles Pires Amazonas
1 – SE/CO 10 – Paraná Grande, Paraná, Paranaíba, Tietê
1 – SE/CO 11 – Paranapanema Paranapanema
2 – S 2 – Sul Atlântico Sudeste, Capivari-Cachoeira, Jacuí, Uruguai
2 – S 12 – Iguaçu Iguaçu
3 – NE 3 – Nordeste Atlântico Leste, Jequitinhonha, Parnaíba, São Francisco
4 – N 4 – Norte Tocantins-Araguaia
4 – N 8 – Belo Monte Amazonas
4 – N 9 – Amazonas Amazonas, Araguari

O link a seguir contém arquivos KMZ com a localização e outras informações das UHEs, PCHs e outros pontos de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica:

Mapas com a localização das usinas e centrais de geração de energia

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.

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. 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.

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).

O link abaixo aponta para um arquivo contendo uma lista de postos do ONS, com número de referência, nome, rio, bacia hidrográfica, subsistema, REE e cidade mais próxima, além de outras informações: situação (em operação ou nos planos de expansão), tipo de série (natural ou artificial), algoritmo de utilização (se os dados de vazão são valores observados, estimados por regressão ou calculados a partir da vazão de outros postos, cuja fórmula aparece na coluna seguinte) e se o posto possui previsão do modelo chuva-vazão.

Lista de postos do ONS

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.

Previsões de vazão

O ONS promove previsões da vazão natural afluente (Qnat, em m³/s) em diversos postos. O arquivo gerado com as previões de vazões diárias é chamado de PREVS. O resultado é divulgado na internet nesse link toda quinta-feira. A primeira previsão feita para o mês seguinte é chamada de Programa Mensal de Operação (PMO), onde são previstas as vazões das próximas semanas; nas revisões (REV), são feitas previsões de vazão somente para as semanas seguintes, enquanto que os valores das colunas que passaram são verificadas e copiadas para o próximo arquivo.

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. Assim, as revisões semanais recebem os nomes REV1, REV2, REV3 e REV4 (eventualmente). A excessão é a primeira semana, que o arquivo é chamado de PMO. Além disso, também é considerada a semana com relação ao início do ano, chamada de “ordem da semana” – por exemplo, a semana operativa 42 de 2017 foi entre 21 e 27 de outubro.

O arquivo gerado dispõe os resultados para cada posto (linhas) nas próximas seis semanas (colunas), incluindo o fechamento da semana corrente. Na verdade, a primeira coluna do arquivo contém o número da prórpia linha e a segunda marca o código (ID) do posto, mas vamos desconsiderá-las para entender melhor as colunas com valores de vazão.

A primeira coluna de previsão recebe a previsão de um modelo chuva-vazão (pois considera também os valores de precipitação) se o posto possuir um modelo de geração dessa variável. Existem alguns modelos para alguns postos, mas a tendência é adotar somente um modelo para todos os postos – por enquanto, se não tem resultado de modelo chuva-vazão para o posto, a previsão deve começar da própria semana; caso contrário, da semana seguinte. O arquivo de entrada com nome ID.inp contém a ordem da semana na qual deve começar a rodar o modelo (linha 9) – se o valor for igual ao da semana corrente (uma unidade menor que os arquivos de outros postos), não usa chuva-vazão.

A partir da segunda semana de previsão, é rodado o Previvaz: um modelo regressivo, baseado no histórico dos valores de vazão (veja mais sobre a metodologia do Previvaz clicando no link). Note que, se for a primeira revisão, por exemplo, a primeira coluna do arquivo é copiada/revisada da semana anterior, a segunda coluna é a primeira semana de previsão (que pode receber o modelo chuva-vazão ou o Previvaz) e as quatro colunas seguintes recebem somente a saída do Previvaz. Caso seja a primeira revisão (REV1), as colunas “andam uma pra direita”: copiam-se as duas primeiras colunas da semana anteiror e as previsões ficam a partir da terceira coluna (três colunas previstas), e assim sucessivamente. Veja o esquema na tabela a seguir:

Arquivo Colunas revisadas Colunas previstas
REV0 0 6
REV1 1 5
REV2 2 4
REV3 3 3
REV4 4 2

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.

ENA

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.

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