Meteorologia e o setor de Energia

A matriz energética brasileira é dependente da atuação de vários fenômenos meteorológicos, como precipitação (hidroeletricidade), ventos (energia eólica, undi-elétrica) e radiação (solar). Essas são fontes de energia renováveis, e apesar do menor impacto no ambiente, as variações das forças da natureza envolvidas podem tornar necessário o acionamento de outras matrizes visando a segurança energética, o que eleva o custo de produção. Além disso, eventos de temperatura máxima e mínima impactam no consumo de eletricidade.

Matriz energética brasileira. Fonte: ANEEL/ABSOLAR
Matriz energética brasileira. Fonte: ANEEL/ABSOLAR

A geração (com foco na hidroeletricidade) e Distribuição de energia elétrica é apresentada no post do link. Na parte de consumo, o post sobre Como calcular o gasto de energia nos eletrodomésticos apresenta mais sobre o conceito de quilowatt.

A distribuição de cargas entre as diversas usinas do Sistema Integrado Nacional (SIN) ocorre nas diversas situações e de demanda (máxima, média ou mínima). A alocação dessa geração dá-se o nome de despacho de geração, cujo estabelecimento depende muito da operação racional e eficaz do sistema como um todo pelo Operador Nacional do Sistema (ONS). Veja mais informações nos posts sobre Definições em hidroeletricidade e Precificação de energia.

Empresas que atuam no mercado de energia precisam acompanhar de perto como estará o tempo, tanto no curto como no médio prazo. No sistema de comercialização, o cliente compra diretamente do produtor de energia, por intermédio de uma empresa comercializadora. Nessas situações, há uma livre concorrência por preços, como em outros setores que praticam o livre mercado.

Radiação solar

O Brasil é um dos países com maior incidência solar. Como a irradiação solar é diferente em cada região, é importante analisar essas variáveis ao dimensionar o sistema. O local pode ser bem próximo ao Equador e receber mais energia solar por área (W/m²) do que em uma região temperada. No entanto, deve-se considerar que cada local possui um clima diferente, com maiores períodos de sombra por nuvens e variabilidade temporal inerente. Por isso, publicações como o Atlas Brasileiro de Energia Solar (INPE) são tão consultadas.

Além da instalação, é importante acompanhar as condições atmosféricas no dia a dia. O sistema bem dimensionado pode produzir mais energia do que é consumida, cujo valor não utilizado é convertido em créditos na concessionária de energia para ser utilizado em meses de maior consumo.

No inverno, os dias têm menor duração e, consequentemente, menor a exposição do sistema ao sol, o que resulta em menor produção de energia quando comparado ao verão. Quanto maior a latitude, maior essa diferença na duração do dia.

Poluição proveniente de queimadas e queima de combustíveis contribui para queda de produtividade em painéis fotovoltaicos e espelhos concentradores. Períodos mais secos e com atmosfera estável tendem a acumular esses poluentes junto da superfície, enquanto que períodos chuvosos inviabilizam uma boa manutenção do sistema. Inclusive tempestades com granizo, raios e ventos fortes podem danificar partes do sistema de geração elétrica.

Acúmulo de folhas no período de outono, resíduo de pássaros e outras sujeiras podem contribuir para uma queda de produtividade de, aproximadamente, 15%. Veja mais sobre o funcionamento de Usinas solares no link.

Mesmo em dias nublados e cinzentos, o desempenho do sistema fotovoltaico é positivo. No entanto, é importante o acompanhamento meteorológico da nebulosidade e irradiância em superfície para estimar a geração de energia e agendar manutenções preventivas, preditivas (acompanhamento periódico) ou corretivas.

Além da geração de energia, elementos arquitetônicos ligados à radiação solar permitem sombrear e direcionar o vento para economizar energia na ventilação de ambientes e preservação de mobiliário.

Ventos

Turbinas eólicas podem ter mais de 200 metros de altura. As pás se movem com o vento, enquanto as turbinas têm um dispositivo que controla a velocidade do movimento (para o caso de ventos muito fortes). Esse movimento gera energia mecânica, que movimenta um gerador para transformá-la em energia elétrica. Essa energia produzida pode ser gerada isoladamente ou combinada com outras matrizes para ser entregue à rede integrada.

Os aerogeradores começam a trabalhar quando o deslocamento do ar chega aos 10 km/h e têm seu funcionamento interrompido quando essa marca alcança de 90 a 100 km/h. Seu melhor desempenho ocorre quando as velocidades estão entre 25 e 40 km/h.

De modo geral, períodos de seca venta menos, devido a anticiclones, e períodos chuvosos, devido às tempestades, venta mais. No Brasil, as estações mais propícias para a geração de energia eólica são o inverno e a primavera. Entre agosto e novembro que ocorre o registro da maior ocorrência de ventos capazes de fazer girar as turbinas eólicas. O período de maior incidência de ventos intercala-se bem com o período de maior volume de chuvas (início do verão até meados do outono), garantindo que o país não passe por ameaças no fornecimento energético.

Como o regime de ventos geralmente é irregular e há períodos sem correntes ideais de ar, não é o ano todo que temos uma boa geração de energia eólica. A região Nordeste reúne as condições mais favoráveis para a produção de energia eólica no país. Os ventos alísios de Sudeste apresentam estabilidade e constância. Em anos de La Niña, os ventos alísios ficam mais intensos do que o normal. Em algumas regiões do Rio Grande do Norte, podem se intensificar em até 2% durante o inverno e a primavera em anos de La Niña. No entanto, o fenômeno tende a reduzir entre 5 e 10% a intensidade do vento em algumas regiões do Ceará, em certas épocas do ano.

Antes da instalação de uma usina, são necessárias séries temporais com vários anos de dados de vento. Com ela já instalada, é importante o monitoramento e previsão das características do vento para manutenção, carga gerada, comercialização/contratos, etc.

Precipitação

A energia é gerada em uma hidrelétrica em turbinas, que são movimentadas pela água que passa por elas, transformando essa energia mecânica em eletricidade. Isso geralmente exige o represamento do rio onde é instalado, para controle de velocidade da água e estoque de energia potencial. Quanto maior o reservatório formado, maior o impacto ambiental. Usinas fio d’água e pequenas centrais hidrelétricas (PCH) minimizam esse problema.

Diversos fatores influenciam o poder de geração de uma usina: altura da queda, qualidade das turbinas, vazão, etc. A vazão (volume de água do rio que passa por uma seção por determinado período de tempo) costuma aumentar após a ocorrência de chuva entre as nascentes e a usina, principalmente quando sobre o reservatório adjacente. Quando o regime de chuvas está dentro do normal para a época e a região, as usinas chegam ao nível previsto de produção de energia.

Rios da região Sul geralmente têm calha estreita e funda, permitindo que a vazão responda rapidamente – em episódios de chuva, a vazão aumenta e diminui em questão de horas. Além disso, muitas usinas tem pouco ou nenhum reservatório, potencializando esse efeito.

Chuvas no Sudeste na região da usina de Três Marias impactam no Rio São Francisco e nas usinas do Nordeste. Também, com atraso de alguns dias de atraso, chuvas na Bolívia contribuem com bacia do Madeira. Isso porque são precipitações que ocorrem próximo das nascentes.

Se o regime de chuvas é afetado por alguma massa de ar seco ou por algum fenômeno como El Niño e La Niña, a produção de energia pode ficar comprometida. Se o nível de um reservatório fica muito baixo, a geração de energia é comprometida e as turbinas podem até parar. Inclusive o abastecimento humano é prioritário nesses casos, sendo necessário fechar comportas para garantir essa condição. Usinas termelétricas são acionadas para compensar esse déficit na geração. Esse custo maior é repassado para os consumidores na forma das bandeiras vermelha e amarela (cobranças temporárias) até que o nível dos reservatórios seja restabelecido.

Durante o El Niño, há um aumento do volume de chuvas no Sul do Brasil. Já no Nordeste, ocorre menos precipitação. No Centro-Oeste, fica com um regime irregular de chuvas. Os maiores reservatórios estão situados no Sudeste, nas bacias hidrográficas dos rios Grande e Paranaíba. O aumento das chuvas no Sul pode gerar a diminuição da precipitação sobre esses reservatórios.

Quando ocorre El Niño, também existe maior dificuldade da formação de ZCAS, que costumam trazer grandes volumes de chuva para o Centro-Oeste e Sudeste durante o verão, assim como leste e norte da Amazônia. Quando as chuvas ficam no formato de temporais fortes, porém muito espaçados, não apresentam volume suficiente para restaurar a umidade do solo. Isso porque dá tempo para o sol secar novamente o solo, impedindo a água de chegar às camadas mais profundas da terra e saturar o solo suficientemente para abastecer os reservatórios.

Saber das condições climáticas para o ano é importante, por exemplo, para que o governo determine investimentos na ampliação de outras plantas, como as de energia eólica ou solar. Na comercialização de energia, conhecer o regime de chuva e previsão de vazões a curto, médio e longo prazo permite negociar os melhores valores no preço de contratos de energia.

Durante a estiagem, é comum o acionamento de usinas térmicas. Elas usam como combustível derivados de petróleo (como diesel e gasolina), carvão ou gás natural para serem queimados e aquecerem água até virar vapor. A pressão desse gás deve ser suficiente para movimentar um gerador elétrico. É um custo bem maior, que é repassado aos consumidores.

Existem poucas usinas térmicas que usam biomassa (de bagaço de cana, cascas de cereais, lenha, etc) como combustível. A produção dos insumos que serão transformados em matéria-prima para a energia de biomassa faz parte dos negócios de perfil agrícola. Assim, os gestores de fazendas precisam saber como o clima se comportará para planejar a safra e o excedente a ser usado nesse tipo de usina.

Temperatura

Além dos impactos na formação de chuva, vento e nebulosidade, a temperatura pode influenciar na evaporação de reservatórios e da água no solo. Seu ciclo diurno e máximos extremos promovem um aumento no consumo de energia devido à refrigeração. Não tão evidente é o impacto de chuveiros elétricos no caso de temperaturas mínimas no Sudeste e Sul.

Em um trabalho de Andrade & Sant’Anna (2013), “Estimativa do impacto das variações de temperatura sobre o consumo residencial de energia elétrica no Rio de Janeiro“, estimaram que o aumento de 1°C poderia aumentar o consumo residencial da cidade em valores entre 3,1% e 6,3%, com um valor médio de 4,7%. Assim, o consumo médio mensal ao longo do ano pode chegar a ser 14 kWh/mês maior do que o cenário base, totalizando 223 kWh/mês.

Raios

A incidência das descargas atmosféricas nos condutores de linhas de transmissão ou de distribuição (descargas diretas) ou em suas proximidades (descargas indiretas) pode dar origem a sobretensões transitórias de elevada amplitude que se propagam ao longo da linha. É possível reduzir a probabilidade de ocorrência desses danos e minimizar as suas consequências através da utilização de sistemas de proteção contra descargas.

O monitoramento de tempestades é importante para acionar mecanismos de proteção quando necessário e buscar/evitar janelas de manutenção preventiva e corretiva.

Clima espacial

A eletrodinâmica da magnetosfera pode afetar os serviços de telecomunicações, satélites, GPS, transmissões na ionosfera e até rede elétricas. O monitoramento do campo magnético solar e terrestre (índice Kp), fluxo de raios-X, manchas e erupções solares, assim como a previsão de tempestades solares e o acompanhamento do ciclo de máximos solares permitem se antecipar à ocorrência de eventos no clima espacial.

A Somar Meteorologia publica textos da categoria Energia em seu blog, além de trabalhar diretamente com esse ramo de negócios através de consultoria e monitoramento.

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