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Experiência da EDF em Usinas Hidrelétricas Reversíveis na França.
Seminário Técnico Sobre Usinas Hidrelétricas Reversíveis no Setor Elétrico Brasileiro. 11 e 12 de novembro 2014
1 Cédric Rogeaux EDF
Sumario
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1. Princípio Geral
2. Dimensionamentos clássicos das UHRs
3. As UHRs da EDF
4. Os serviços fornecidos pelas UHRs
5. EDF : protagonista mundial em matéria de UHRs
6. Desenvolvimento das UHRs na Europa
7. Tecnologias de Bombeamento
8. Perspectivas
1. Princípio Geral (1/3) • Uma Usina Hidrelétrica Reversível (UHR) permite o armazenamento de energia mediante o bombeamento da água de um reservatório inferior para um reservatório superior. • A energia assim armazenada pode ser posteriormente restituída por turbinagem. • Vantagem: armazenar energia nos períodos de pouca demanda, quando ela é mais barata, e restituí-la nos períodos de pico, quando é cara.
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1. Princípio geral (2/3) • A eficiência do ciclo de uma UHR é geralmente de cerca de 75 - 80 % • Isto significa que para cada GWh de energia elétrica dispendido no bombeamento, recupera-se cerca de 0,75 GWh a 0,8 GWh de energia elétrica na geração • Um exemplo na França, em 2000 :
• Preço do kWh nuclear em horário de menor consumo: 0,40 € • Preço do kWh hidráulico em horário de pico: 0,80 € • B/A =2 > 0,75 -> o armazenamento de energia é vantajoso • «Ganha-se» cerca de 0,20 € = 0,8*0,75-0,40 brutos por kWh armazenado
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1. Princípio Geral (3/3) • Ilustração de uma « semana típica » da UHR de Montezic :
5 Semana Fim de
semana Fim de
semana
2. Dimensionamentos clássicos das UHRs (1/2)
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As grandezas que caracterizam as UHRs são as seguintes: • A potência, que pode variar entre o bombeamento e a geração (se houver influência da gravidade, por exemplo); • A vazão (de bombeamento e turbinada); • A constante de tempo na geração: corresponde ao tempo necessário para esvaziar o reservatório superior ou encher o reservatório inferior, considerando a UHR funcionando a plena potência na geração. • Inversamente, a constante de tempo no bombeamento: corresponde ao tempo necessário para encher o reservatório superior ou esvaziar o reservatório inferior, considerando a UHR funcionando a plena potência no bombeamento. • A constante de tempo de uma UHR depende diretamente, portanto, do volume útil do menor de seus reservatórios e da vazão do equipamento.
2. Dimensionamentos clássicos das UHRs (2/2)
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Para cada UHR (volumes dos reservatórios e queda específicos), vários dimensionamentos são possíveis em função da potência instalada: • UHR diária (tipo UHR de La Coche): A constante de tempo na geração é de cerca de 4 a 8 horas. A constante de tempo no bombeamento é de cerca de 5 a 10 horas. Este tipo de UHR funciona todos os dias e utiliza diariamente todo o volume disponível (esvaziamento do reservatório superior durante o dia e enchimento na noite seguinte). • UHR semanal (tipo UHR de Montézic) : A constante de tempo na geração é de cerca de 20 a 30 horas. A constante de tempo no bombeamento é de cerca de 25 a 40 horas. Este tipo de UHR funciona todos os dias da semana e utiliza uma parte do volume. O reservatório superior é abastecido no final de semana por bombeamento contínuo, durante 25 a 40 horas. •Outros tipos de UHRs são possíveis: sazonal, infra-diária.
3. As UHRs da EDF
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3. As UHRs da EDF
• A EDF explora 6 UHRs :
+ A UHR de Lac Noir (50 MW atualmente parada) • Num ano, as UHR da EDF possibilitam o armazenamento médio de 3 600 GWh • Isto representa uma média de 700 h de geração e 800 h de bombeamento anuais por UHR
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UHR de La Coche • Situada nos Alpes, perto de Albertville
• Em funcionamento desde 1977 • 4 grupos reversíveis com 5 estágios de 82 MW = 330 MW • 930 m de queda • Qt = 40 m3/s • Qp = 30 m3/s • UHR « mista » com afluência no reservatório superior que permite a geração de 400 GWh adicionais • Projeto de acréscimo de um grupo Pelton
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UHR de Cheylas
• Situada nos Alpes perto de Grenoble • Em funcionamento desde 1979 • 2 grupos reversíveis de 240 MW = 480 MW • 250 m de queda • Qt = 230 m3/s • Qp =170 m3/s • UHR diária, com afluência no reservatório superior que permite a geração de 650 GWh adicionais • Um dos grupos está em fase de modificação para passar à velocidade variável
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UHR de Revin
• Situada na região de Ardennes, perto do rio Reno e da Alemanha • Em funcionamento desde 1976 • 4 grupos reversíveis de 180 MW = 720 MW • 250 m de queda, • Qt = 400 m3/s • Qp = 300 m3/s • UHR diária « pura » (sem afluência no reservatório superior) • Grande flexibilidade de utilização
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UHR de Revin – Corte
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UHR de Super Bissorte
• Situada nos Alpes • Em funcionamento desde 1987 • 4 grupos reversíveis com 5 estágios de 150 MW + 1 grupo Pelton de 130 MW = 730 MW • 1 150 m de queda, • Qt = 76 m3/s • Qp = 48 m3/s • UHR «acrescentada» ao aproveitamento existente em Bissorte • com afluência no reservatório superior que permite a geração de 250 GWh adicionais
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UHR de Montezic
• Situada no Maciço Central • Em funcionamento desde 1982 • 4 grupos reversíveis de 227 MW = 910 MW • 420 m de queda • Qt = 270 m3/s • Qp = 200 m3/s • UHR semanal « pura » (sem afluência no reservatório superior) • Grande flexibilidade de utilização
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UHR de Grand’Maison
• Situada nos Alpes • Em funcionamento desde 1985 • 8 grupos reversíveis com 4 estágios de 150MW + 4 grupos Pelton de 157 MW = 1790 MW • 920 m de queda • Qt = 210 m3/s • Qp = 145 m3/s • UHR semanal com afluência no reservatório superior que permite a geração de 200 GWh adicionais e com utilização turística do reservatório inferior no verão (variação do NA limitada) 16
4. Os serviços fornecidos pelas UHRs
• Armazenamento e transferência de energia, que, além da oferta rápida de energia em si, comportam outras vantagens: absorção de potência que permite evitar o desligamento das usinas (térmicas, por exemplo), melhor valorização da energia nuclear, venda de energia de ponta… • Religação das usinas nucleares francesas durante um « black start ». • Forte adaptabilidade (para cima e para baixo) que confere uma grande flexibilidade à rede. • Reserva rápida de potência, essencial para a segurança da rede • Serviços sistemas: regulação primária e secundária (tensão e frequência), compensador síncrono.
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5. EDF : protagonista mundial em matéria de UHRs
• A EDF opera 6 UHRs de potência elevada na França há quase 40 anos, acumulando 764 anos-grupos de operação, o que a torna um protagonista mundial de primeiro plano na área das UHRs. • A EDF também projeta UHRs (projetos novos ou sobreequipamento) na França e no mundo há várias décadas. Dentre eles, destacam-se : • A construção da UHR de Afourer, no Marrocos :
• 465 MW, em funcionamento desde 2004
• O repotencialização da UHR de Hongrin-Léman, na Suíça:
• Passagem de 240 a 480 MW, entrada em funcionamento em 2015
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6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (1/4)
• EDF explora 5 GW de UHR, ou seja, 15 % do potencial instalado na Europa (32 GW)
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Panorama do armazenamento de energia na Europa
6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (2/4)
• Dois principais períodos de desenvolvimento das UHR na Europa :
• 1970 – 1990: as UHRs acompanham o desenvolvimento Nuclear e permitem o armazenamento dessa energia. • 2005 – 2010: o desenvolvimento forte das energias renováveis (+ 30 GW de energia eólica na Alemanha, por exemplo), com grandes necessidades de armazenamento.
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6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (3/4)
• Desde 2010, o desenvolvimento das UHRs foi fortemente reprimido na Europa, devido a uma série de razões:
• As fortes evoluções recentes do mercado de energia (crise econômica, energias renováveis, gás de xisto …) dificultam a visibilidade no longo prazo e, portanto, a elaboração de Planos de negócios confiáveis. • O desenvolvimento intensivo das energias renováveis em determinados países « anulou » as diferenças de custo da energia entre horas de pico e horas de consumo reduzido, suprimindo em grande parte a rentabilidade desses esquemas. • Na França, os encargos (taxas, acesso à rede…) oneram muito os custos e não estimulam o investimento.
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6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (4/4)
• Na França, os encargos (taxas, acesso à rede…) oneram muito os custos e não estimulam o investimento. •Exemplo: Operationnal cost breakdown (6 UHR da EDF em 2010).
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7. Tecnologias de Bombeamento
• Existem diversas tecnologias para unidades de bombeamento/geradoras, em função da altura das quedas e das especificidades do aproveitamento :
• Com grupos reversíveis Francis a velocidade fixa (estágio único ou múltiplos estágios).
• Com grupos ternários (Francis + Pelton num mesmo eixo).
• Com grupos reversíveis Francis a velocidade variável.
• Também existem várias tecnologias para acionar o funcionamento da bomba desses grupos:
• Back to back (utilização de uma turbina para acionar uma bomba).
• Conversor estático de frequência.
• Drenagem da bomba.
• Acionamento direto com uma turbina (grupos ternários).
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Unidades geradoras reversíveis – Alturas de queda
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• Alturas de queda alcançadas com um rotor Francis pela Toshiba
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Unidades geradoras reversíveis
• Esses grupos utilizam o mesmo rotor (Francis) para bombeamento e turbinagem. • O número de estágios varia em função da queda:
• 1 estágio (queda de até 800 m) e • múltiplos estágios (permite atender quedas maiores) .
• Os grupos de 1 ou 2 estágios permitem a regulagem da potência da bomba. • Esses grupos geram uma economia de custo civil. • São os grupos mais utilizados atualmente, sendo bem conhecidos e controlados pelos construtores.
Grupos ternários (1/2)
• Uma Pelton e uma Francis acopladas no mesmo eixo. • O bombeamento é feito pela Francis, que é acionada graças à Pelton. • A turbinagem é feita pela Pelton. • A potência de bombeamento pode ser modulada graças à Pelton. • Custo civis elevado, porém transitórios hidráulicos menores. • Sistemas com potência limitada (150 MW em média, podendo alcançar 250 MW).
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Grupos ternários (2/2)
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UHR Hongrin Léman, Suíça.
Turbinas-bombas com velocidade variável (1/2)
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• Estabilização da rede:
• Em modo bomba, controle e variação da potência consumida para uma determinada queda.
• Melhoria dos desempenhos hidráulicos:
• Rendimentos ótimos tanto em modo bomba como, e especialmente, em modo turbina, com faixa de funcionamento mais extensa.
• Grande variação de queda.
G.D. Ciocan “variable speed pump-turbine technology” Vol 74, Iss 1, 2012
Turbinas-bombas com velocidade variável (2/2)
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• Controle dinâmico da potência entregue:
• Potência regulada tanto pelo distribuidor como pela velocidade do gerador.
• Resposta rápida às solicitações da Rede: • Equilíbrio da rede. • Menor necessidade de ligar e desligar a máquina. • Mais energia armazenada.
La Rance UHR: usina maremotriz (1/2)
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• 24 unidades bulbo de 10 MW.
• Geração tanto vazante
quanto na enchente.
• Bombeamento nas baixas
quedas para aproveitar uma
geração a quedas maiores.
• Maior usina maremotriz do mundo entre 1966 e 2011. • Serve de ponte entre Saint-Malo e Dinard.
La Rance UHR: usina maremotriz (2/2)
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• Possibilidade de bombeamento (a) e ganho de queda durante a geração (b). Principalmente durante as grandes marés.
8. Perspectivas (1/2)
• As perspectivas de desenvolvimento das UHR são numerosas :
• Armazenamento de energias tradicionais (nuclear, hidrelétrica a fio d’água …). • Acompanhamento do desenvolvimento das energias renováveis (eólica e solar que são energias “inevitáveis”). • Otimização das redes isoladas (ilhas, sistemas radiais …). • Aproveitamentos com objetivos múltiplos: irrigação por bombeamento, turismo …
• A EDF contribui com sua experiência para o desenvolvimento das UHRs nas seguintes áreas:
• Definição das necessidades e análise técnico-econômica. • Escolha das melhores localizações. • Concepção geral e dimensionamento do aproveitamento. • Acompanhamento da concepção e dimensionamento das turbinas. • Monitoramento de realização. • Operação e manutenção.
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Perspectivas (2/2) : as UHRs marítimas
• Um dos possíveis eixos de desenvolvimento é a criação de UHRs marítimas, utilizando o mar como reservatório inferior. • Existe uma única UHR deste tipo no mundo : a UHR de Okinawa no Japão
• 30 MW • 150 m de queda
• Esse tipo de UHR apresenta as seguintes vantagens:
•Reservatório já existente (redução do custo) •Facilidade de instalação numa ilha(sistema isolado) •Baixo impacto sobre os recursos hídricos
• Mas também tem inconvenientes: •Material resistente à agua salgada •Necessidade de vedar o reservatório superior
• O desenvolvimento deste tipo de UHRs poderia ser uma das soluções para os problemas de armazenamento de energia no futuro. • A EDF está estudando atualmente 2 UHRs deste tipo nas ilhas da Reunião e Guadalupe.
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Obrigado.
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Ludington – Estados Unidos
Bath Country– Estados Unidos
Kruonis - Lituânia
Ludington – Etats Unis Goldisthal - Alemanha
Cédric Rogeaux EDF DPIH CIH
