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Otimização Energética e Meio Ambiente

Entre as principais características do sistema elétrico brasileiro destacam-se: dimensões continentais, taxas de crescimento do consumo de energia elevadas, grande participação de fontes renováveis, com predominância da hidroeletricidade, e participação crescente das chamadas novas renováveis, como a eólica e a solar. Adicionalmente, o sistema apresenta uma relevante diversidade hidrológica, temporal e espacial, permitindo a complementaridade energética entre as regiões. Estas características motivaram o Cepel, desde a sua criação, a desenvolver e manter, no estado da arte, uma cadeia inovadora e integrada de metodologias e modelos computacionais para as áreas energética, de recursos hídricos e meio ambiente, e que orienta a operação do sistema eletroenergético brasileiro e o planejamento de sua expansão. Atualmente, estes modelos são desenvolvidos no âmbito do Departamento de Otimização Energética e Meio Ambiente (DEA).

 

Este conjunto de metodologias e programas computacionais integra os horizontes de longo, médio e curto prazos, possibilitando a definição de planos coordenados de expansão e operação do sistema elétrico em bases sustentáveis e considerando o tratamento de incertezas. Os modelos da cadeia são baseados em técnicas matemáticas e estatísticas de otimização, simulação e decisão, e muitos deles são utilizados oficialmente pelo Ministério de Minas e Energia - MME, Instituições Setoriais como a Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, Empresa de Pesquisa Energética – EPE, Operador Nacional do Sistema Elétrico – ONS e Câmara de Comercialização de Energia Elétrica – CCEE, além de empresas do Sistema Eletrobras, concessionárias de energia elétrica e agentes setoriais.

 

Algumas atividades do setor elétrico brasileiro realizadas com o uso desses modelos são:

 

·          Elaboração de estudos de inventário de bacias hidrográficas pelas empresas do setor elétrico, com o modelo SINV;

·          Elaboração do Plano Nacional de Energia 2030, utilizando o modelo MELP;

·          Elaboração de Planos Decenais de Expansão de Energia (PDE), definição e cálculo da Garantia Física de Empreendimentos de Geração, e elaboração de diretrizes para os Leilões de Energia pela EPE, utilizando os modelos NEWAVE e SUISHI;

·          Elaboração do Plano da Operação Energética (PEN) pelo ONS, utilizando o modelo NEWAVE;

·          Determinação do Programa Mensal da Operação (PMO) pelo ONS e estabelecimento do Preço de Liquidação de Diferenças (PLD) no mercado de curto prazo pela CCEE, utilizando os modelos NEWAVE, DECOMP, GEVAZP, PREVIVAZ, PREVCARGAPMO e o módulo MODCAR do programa CONFINT;

·          Elaboração do Plano Anual de Prevenção de Cheias e operação de controle de cheias utilizando o Sistema SPEC e os modelos OPCHEN, OPCHEND e OPCHENS

·          Elaboração do estudo “Emissão de Gases de Efeito Estufa – 2050: Implicações Econômicas e Sociais do Cenário de Plano Governamental”, pelo Centro de Estudos Integrados sobre Meio Ambiente e Mudanças Climáticas (Centro Clima/COPPE/UFRJ), com auxílio do modelo MATRIZ;

 

Os modelos passam por um amplo e aberto processo de validação, e sua utilização necessita ser aprovada pela ANEEL ou pela CPAMP/CNPE- Comissão Permanente para Análise de Metodologias e Programas Computacionais do Setor Elétrico, coordenada pelo MME e vinculada ao Conselho Nacional de Política Energética, da qual o Cepel faz parte como assessoria técnica.

 

A partir dos estudos de inventário hidrelétrico e projeções de mercado, realizados com a utilização dos modelos SINV e PREVMERCADO, respectivamente, estudos integrados de planejamento de longo prazo da expansão da geração elétrica e de gás natural ou de todo sistema energético brasileiro podem ser realizados através dos modelos MELP e MATRIZ, respectivamente. O objetivo destes estudos é estabelecer uma estratégia de expansão de usinas geradoras e interligações para o sistema elétrico, levando-se em consideração as interdependências com as outras cadeias energéticas de forma econômica e aspectos de confiabilidade e ambientais. Os resultados das simulações destes modelos podem fornecer importantes subsídios/condicionantes para o planejamento da expansão de médio e curto prazos realizados através dos modelos NEWAVE e SUISHI, de modo a obter-se a um programa de obras de referência, que visa à implantação de novos projetos de geração e transmissão, contratados por meio de leilões públicos.

 

Parte dos modelos realiza também a transição para o planejamento e programação da operação, com horizonte variando de 5 anos a semanas, e com desagregação mensal, semanal e horária. O uso desses modelos de otimização/simulação garante a operação coordenada e ótima do sistema elétrico brasileiro, com o objetivo de minimizar o custo de geração, porém considerando medidas de risco para melhor garantir o suprimento de energia. Os modelos NEWAVE e DECOMP são utilizados no planejamento da operação de médio e curto prazos. Para essas atividades, são utilizados também: modelos para previsão de vazões (PREVIVAZ) e geração de cenários sintéticos de vazões e energia (GEVAZP) para as usinas hidrelétricas; modelos para controle de cheias (SPEC/OPCHEN); modelos para previsão de carga (PREVCARGAPMO) e de confiabilidade (CONFINT), que possuem módulos específicas para determinar curvas de duração de carga (patamares) para uso nos modelos NEWAVE e DECOMP. Para a programação diária, o modelo DESSEM encontra-se em período de validação e operação shadow para estabelecimento do preço horário a partir de 2020. Neste horizonte mais curto de tempo, o Cepel desenvolve ainda modelos para previsão de carga horária (PREVCARGADESSEM), previsão probabilística de geração eólica (VENTOS) e operação do sistema em regime de cheias (OPCHEND), além de um modelo de previsão de carga para tempo real (ISELF). Finalmente, têm sido desenvolvidas no CEPEL uma série de metodologias para incorporação, nos diversos níveis do planejamento, da incerteza nas fontes intermitentes e de representação dos dispositivos de armazenamento rápido de energia elétrica.

 

Na dimensão ambiental, são desenvolvidas metodologias para incorporação das questões socioambientais nas diversas etapas do processo de planejamento da expansão da geração e transmissão de energia elétrica, como por exemplo em estudos de inventário hidroelétrico no projeto SINV, para aprimoramento do processo de tomada de decisão da melhor alternativa através de métodos multicritério. Neste sentido, um dos principais resultados foi a incorporação da avaliação ambiental integrada, culminado na revisão de 2007 do Manual de Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas. No âmbito do projeto AAEXP, o modelo AMBIENTRANS aplica técnicas e ferramentas de geoprocessamento disponíveis no LABGIS para a determinação de rotas para traçados de linhas de transmissão que ofereçam menor impacto, considerando também várias dimensões socioambientais. São desenvolvidos ainda métodos, critérios e indicadores para a gestão da sustentabilidade empresarial, e o desenvolvimento da ferramenta IGS, em uso nas empresas do sistema Eletrobras, que possibilita o armazenamento, edição, tratamento, consulta, monitoramento e reporte desses indicadores. Destaca-se ainda, no âmbito do projeto BALCAR, o desenvolvimento, em parceria com as empresas do Sistema Eletrobras e diversas universidades, de metodologia para o cálculo de emissões líquidas de gases de efeito estufa em reservatórios de usinas hidroelétricas, considerando ainda o carbono depositado no sedimento. A aplicação em campo da metodologia desenvolvida para um conjunto de oito empreendimentos hidrelétricos (dois dos quais em locais onde ainda seriam implantadas usinas), cobrindo todas as regiões geográficas do Brasil, apontou que usinas em regiões tropicais podem ter níveis de emissões semelhantes àquelas em regiões boreais, desmistificando o conceito errôneo de que usinas hidroelétricas em regiões tropicais são, necessariamente, fontes relevantes de emissões de gases de efeito estufa. Menciona-se ainda o desenvolvimento da ferramenta de cálculo corporativo de emissões de gases de efeito estufa (EMISFERA) e de metodologias e critérios para medição, modelagem e gerenciamento de emissões de gases de efeito estufa em reservatórios.

Com foco do desenvolvimento sustentável da hidroeletricidade, o Cepel desenvolveu recentemente, no projeto UHPLAT, uma metodologia com o objetivo de compatibilizar as políticas socioambientais e a geração de energia elétrica, através da minimização dos impactos ambientais circunscrevendo-os ao local do empreendimento, da incorporação de ações de conservação ambiental ao empreendimento e de mecanismos de participação. O projeto, desenvolvido para o MME e Banco Mundial com fundos do Projeto META - Mineral and Energy Technical Assistance Loan, é voltado principalmente para a construção de usinas hidroelétricas localizadas em áreas de baixa ocupação antrópica (ex: bacia Amazônica) onde o foco em preservação e conservação ambiental deve ser maximizado.

 

Os modelos computacionais do Cepel têm orientado a expansão e operação do sistema elétrico brasileiro de forma sustentável, com uma elevada participação de fontes renováveis, como hidrelétricas e biomassa e, mais recentemente, eólica e solar. Devido a sua natureza intrínseca, também tem contribuído para a elaboração de ações de mitigação, especialmente aquelas relacionadas a estratégias de implementação de tecnologias de baixo carbono, com a consequente redução das emissões de gases de efeito estufa. Por outro lado, é notória, a nível mundial, a preocupação cada vez mais crescente com o aquecimento global - ou mudanças climáticas, e com os impactos do aumento dos níveis de emissões de gases de efeito estufa de origem antropogênica nos sistemas climáticos; em decorrência, como variações de temperatura, alterações nos regimes de precipitações e a ocorrência de eventos climáticos extremos podem impactar o setor energético em termos de demanda, suprimento de energia, infraestrutura e ativos. Atento a esta necessidade, o Cepel vem desenvolvendo o projeto transversal e multidisciplinar MUDCLIMA, que visa o desenvolvimento e aprimoramento continuado de metodologias e programas computacionais com o objetivo de estreitar o gap entre modelos climatológicos e de simulação/otimização energética. O Projeto MUDCLIMA engloba atualmente as seguintes vertentes: (i) elaboração e análise, a partir dos Representative Concentration Pathways (RCP) do IPCC, de cenários de vazões afluentes às usinas hidrelétricas até 2100, incluindo eventos extremos; (ii) desenvolvimento de metodologias para a consideração de seus impactos no planejamento da expansão e da operação energética, em termos de economicidade, segurança e emissões de gases de efeito estufa, com reflexos nas políticas de mitigação e adaptação; (iii) desenvolvimento de estratégias e ações de adaptação aos efeitos de mudanças climáticas nas áreas social, de ecossistemas e empresarial; e (iv) desenvolvimento de metodologia para o estabelecimento de indicadores associados à adaptação e resiliência para elegibilidade de projetos hidroelétricos, visando sua caracterização para fins de emissão de títulos climáticos / verdes.

O DEA também desenvolve modelos para subsidiar a tomada de decisão de investimentos em projetos de geração e transmissão de energia. A principal ferramenta para a análise financeira e de riscos é o modelo ANAFIN, que apoia decisões de investimento das empresas, lidando com incertezas inerentes a cada projeto desenvolvido. No âmbito do projeto ECOMERC, são estudados aspectos relacionados à comercialização de energia elétrica.

 

Alguns dos modelos do departamento passaram a empregar técnicas de processamento distribuído em suas formulações e de computação de alto desempenho, disponíveis no laboratório LABCIN e que também podem ser utilizadas em ambiente de nuvem. Com isso, obtêm-se benefícios de redução dos tempos de processamento e possibilidades de modelagens mais precisas de componentes, até então representados de forma menos detalhada. Estão sendo desenvolvidos também, no âmbito do projeto LIBS, algoritmos e facilidades computacionais para a programação, interface e integração dos programas da área energética, em um novo ambiente computacional que permitirá a unificação dos dados de entrada e saída dos modelos e seu uso por meio de uma interface Web.

 

 

Figura 1 - Fluxograma dos projetos e cadeia de modelos desenvolvidos no DEA para o o planejamento da expansão e operação energética de sistemas elétricos.

 

As Linhas de Pesquisa associadas ao departamento são:

 

·   Planejamento da Expansão Energética:

o Planejamento da Expansão de Sistemas Energéticos Integrados;

o Planejamento da Expansão de Geração;

o Desenvolvimento Sustentável de Hidroeletricidade;

 

·   Planejamento da Operação Energética:

o Planejamento de Longo e Médio Prazo da Operação Energética;

o  Planejamento de Curto Prazo e Programação Diária da Operação Energética;

 

·  Meio Ambiente;

·  Hidrologia Estocástica e Recursos Hídricos;

·  Integração das Fontes Intermitentes e Armazenamento de Energia;

·  Análise Financeira de Projetos e Comercialização de Energia;

·  Técnicas Computacionais Aplicadas à Área Energética. 

 

 

 

Laboratórios
Programas Computacionais