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Integração de fontes
renováveis e de armazenamento
no Sistema Elétrico Brasileiro
Saulo Cisneiros
Diretor Técnico do Cigré-Brasil
XXIV SNPTEEGrupo VI - GCR (Grupo de Estudo de Comercialização,
Economia e Regulação de Energia Elétrica) Curitiba, 25 de Outubro de 2017
2
Sumário
1. SIN - Características e Evolução
2. A Geração Intermitente no Brasil
3. Características da Geração Eólica
4. Características da Geração Solar
5. Inserção de Recursos de Storage no SIN
1. Características do SIN
4
O Sistema Interligado Nacional - SIN
5
Evolução do SIN
6
Integração dos Subsistemas e Bacias do SIN
Norte
Nordeste
Sudeste /
Centro-Oeste
Sul
7
Interdependência entre bacias e usinas hidráulicas sob
coordenação centralizada da operação do SIN
Múltiplos proprietários: 57 empresas e 152 usinas (> 30 MW)
em 14 bacias 101.598 MW (DEZ/2016)
70 usinas com reservatório, 78 a fio d’água e 04 de
bombeamento
Características da Geração Hidráulica
8
Principais características do SIN - 2016
Dimensão Continental
Predominante hidroelétrico com grandes usinas distantes dos
centros de carga:
• Capacidade instalada de geração: 72%
• Produção anual depende das afluências
Longas linhas de transmissão
Números atuais:
• Capacidade instalada de geração: >142.000 MW
• Extensão das linhas de transmissão >=230 kV: >130.000 km
Integração de novas fontes
• Grandes usinas a fio d’água na região amazônica
• Inserção das fontes renováveis variáveis
9
(*) > 84% de Energia Renovável
Evolução da Matriz de Energia Elétrica por Fonte
10
2. A Geração Intermitente
no Brasil
12
Potência Instalada e Geração por País - 2016
13
Evolução da Capacidade Instalada de Eólica no SIN
14
1,5 GW
6 GW10 GW
18 GW
Região Capacidade (MW)
Sul 1.889
Sudeste 28
Nordeste 9.311
Norte 193
Total 11.421
17%
83%
Capacidade Instalada de Eólica no SIN
Capacidade instalada de todas as eólicas – SET/2017
15
Nordeste Sul
NE
S
83%
17%
RS 3o
1770 MW
CE 4o
1739 MW
RN 1o
3465 MW
PI 5o
1435 MW
BA 2o
1948 MW
PE-592 MW- 6o
MA
193 MW
SE-35 MW
PB-98 MW SC
117MW
PR
12 MW
Localização e capacidade instalada de EOL - Brasil
Fonte: ANEEL, Google Earth 2017
16
Fator de Capacidade - Dados médios horários
dos últimos 2 anos - Nordeste
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cia
Fator de Capacidade
Fator de capacidade no Nordeste - 2 Anos
Frequência Cumulativo (%)
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Fator de Capacidade - Dados médios horários
dos últimos 2 anos - SUL
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Cu
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cia
Fator de Capacidade
Fator de capacidade no Sul - 2 Anos
Frequência Cumulativo (%)
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Velocidade Média (m/s) Anual de Vento no Brasil
Faixa velocidade de vento para operação das turbinas eólicas:
3m/s - 25m/s
19
Radiação Solar Média Anual no Brasil
Radiação
Solar:
6.250
Wh/m2.dia
A 2ª mundial
20
Radiação Solar Média Mensal no Brasil
Wh/m2.dia
3. Características da
Geração Eólica
22
A Geração Eólica é intermitente e sazonal e apresenta alta
incerteza e variabilidade a qualquer tempo, o que significa:
• Dificuldade de previsão por depender de uma variável
meteorológica com alta incerteza
• Variações rápidas e significativas que dependem das
condições meteorológicas
Essas características causam as seguintes consequências
imediatas e estratégicas:
• Mudança dos métodos e das ferramentas tradicionais usados
no planejamento e operação dos sistemas elétricos
• Mudança dos procedimentos e requisitos para conexão
dessas fontes aos sistemas elétricos
• Melhoria dos métodos e ferramentas para previsão de vento
e da geração eólica
Características Básicas da Geração Eólica (EOL)
23
Além das suas características básicas, a EOL pode ser
considerada como 2 fontes de geração: potência e
energia.
Como fonte de potência há uma grande variabilidade
durante o dia:
A máxima e a mínima geração podem ocorrer a
qualquer momento do dia
A EOL causa impactos negativos sobre o sistema
elétrico o que requer medidas estruturais e
operacionais
Geração Eólica como Fonte de Potência
24
Geração Eólica como Fonte de Potência
Geração diária de um parque eólico da Região Nordeste
25
04/03/2014
Geração diária de um parque eólico da Região Sul
Geração Eólica como Fonte de Potência
26
Como Fonte de Energia há uma característica sazonal,
com a geração mensal variando durante o ciclo anual:
Os maiores valores de geração ocorrem na 2ª parte
do ano durante o período seco dos rios e bacias
A geração mensal é muito mais previsível do que a
geração diária e horária
A produção anual das eólicas tem grande
previsibilidade o que pode reduzir a necessidade por
geração térmica e hidráulica
Este benefício é tão maior quanto maior for o volume
de geração eólica
Geração Eólica como Fonte de Energia
27
A geração eólica com fonte de potência ou de energia
tem impactos diferentes sobre o sistema elétrico
Como fonte de potência causa impactos negativos
enquanto que como fonte de energia agrega
benefícios ao sistema de energia elétrica
Esta contradição traz um grande desafio que é reduzir
a sua grande variabilidade ao longo do dia
A questão chave da geração eólica é: Como
minimizar seus impactos negativos causados como
fonte de potência e maximizar seus benefícios como
fonte de energia?
Fonte de Geração Eólica: Potência X Energia
28
Geração Eólica como Fonte de Energia
FC Médio Mensal da EOL na Região NE – 2014/2016
29
Geração Eólica como Fonte de Energia
FC Médio Mensal da EOL na Região Sul – 2014/2016
30
Reduzir a variabilidade
Capacitar os geradores eólicos para participar do
controle de frequência
Melhorar os métodos e as ferramentas para
previsão de vento e da geração eólica
Melhorar o desempenho dos aerogeradores e
plantas eólicas para resistir a impactos da rede
Medidas para melhorar o desempenho
da Geração Eólica
31
Agregar várias plantas em um mesmo ponto da rede
Agregar outras fontes em um mesmo site
• eólica + solar
• eólica + solar + biomassa
• eólica + solar + gás
• eólica + solar + baterias (storage local)
Implementar parques eólicos em locais com
condições ambientais e de vento adequadas
Encontrar os melhores sites
Medidas para reduzir a variabilidade das
Plantas Eólicas
32
A geração agregadaé menos variável do
que a geraçãoindividual de cada
parque
Agregar várias plantas em um mesmo ponto da rede
33
Agregar várias plantas em um mesmo ponto da rede
A geraçãoagregada é
menos variável do que a geração
individual de cadaparque
4. Características da
Geração Solar
35
A exploração da fonte solar para geração de energia elétrica dá-
se por meio de duas tecnologias:
Heliotérmica (Termossolar)
O princípio básico é a utilização de superfícies espelhadas que
refletem e concentram a irradiação solar direta, com o objetivo
de convertê-la em energia térmica
A partir daí gera-se vapor d’água que irá acionar um ciclo
Rankine
Fotovoltaica
Faz uso de elementos semicondutores fotossensíveis que
convertem a irradiação solar em uma diferença de potencial nos
terminais P-N
A ligação elétrica desses terminais resulta na circulação de
corrente contínua
Tecnologias para Geração Solar
36
A Tecnologia Heliotérmica ainda se mostra pouco atrativa
economicamente e, portanto, com menor utilização, porém
apresenta as seguintes vantagens:
Possibilidade de armazenamento da energia suficiente para
assegurar a disponibilidade de plena potência ao sistema
elétrico por até 12 horas após o pôr do sol
Uso de geradores síncronos convencionais, com aumento dos
requisitos de inércia e de nível de curto-circuito da área
A Tecnologia Fotovoltaica tem se mostrado cada vez mais atrativa
economicamente e, portanto, com maior utilização, porém
apresenta as seguintes desvantagens:
Depende efetivamente da presença da radiação solar
Gera energia em CC o que requer o uso de conversores para
conexão à rede elétrica
Tecnologias para Geração Solar
37
Principais fatores que influenciam a eficiência da conversão dos
módulos fotovoltaicos: Temperatura Ambiente e Irradiação Solar
Temperatura Ambiente
O aumento da temperatura implica um pequeno aumento da
corrente fotogerada, porém causa a diminuição da tensão de
saída do módulo
A diminuição da tensão com o aumento da temperatura é mais
expressiva do que o aumento da corrente
Como a geração de energia está relacionada ao produto V x I =
P, o aumento da temperatura dos módulos implicará em uma
perda de potência
Desempenho dos módulos fotovoltaicos
38
Irradiação Solar
Este fator é o mais importante para o valor da energia gerada
A irradiação solar influencia diretamente na corrente elétrica
fotogerada
A relação entre a corrente de curto-circuito e a irradiação solar
pode ser considerada praticamente linear
Fato que não ocorre com a tensão nos terminais do módulo,
pois apesar de ser diretamente proporcional à irradiação, essa
relação não é linear, pois a temperatura do módulo não
permanece constante, se houver variação da irradiação solar
Desempenho dos módulos fotovoltaicos
39
Recordes de geração solar FV no dia 22/10/17 – NEMédia diária (12hs): 336 MWmed - FC=61% eMáxima diária às 13h36: 436 MW - FC=80%
Potência Instalada: 547,2 MW
40
A partir da observação das curvas de geração diária da central
solar de Tacaratu podem ser feitas as seguintes constatações:
A geração solar depende efetivamente da presença da Irradiação
Solar. Sem ela não há geração
Desta forma, à noite não há geração, e de dia o montante da geração
depende da Irradiação Solar, intermitências provocadas por
sombreamento de nuvens e eclipses do sol
Os períodos de curvas ascendentes e descendentes da geração
solar são muito mais previsíveis do que os da geração eólica
Isto permite uma preparação antecipada das medidas operativas
definidas na programação e executadas em tempo real
Devem ser levadas em conta as previsões meteorológicas para os
dias seguinte e corrente contemplando temperatura, chuvas e
nebulosidades
Os fenômenos de eclipses solares são raros e de previsão precisa, o
que possibilita a definição de medidas prévias
Características Básicas da Geração Solar
6. Inserção de Recursos
de Storage no SIN
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Recursos de Storage têm um papel essencial na operação
dos sistemas elétricos, pois a energia deve ser consumida
quando produzida
Os sistema elétricos precisam de flexibilidade das fontes
de geração para possibilitar o balanço entre geração e
carga
A expansão das usinas hidráulicas sem reservatório e das
fontes variáveis requer meios de Storage para acomodar
os excedentes de geração dessas fontes a fim de serem
aproveitados em outro momento quando este excedente
desaparecer
Recursos de “storage” viabilizam o controle da potência
liberada pelas fontes variáveis e do fluxo de potência na
rede de transmissão
Importância da Inserção de Storage
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First stage of British energy storage investment initiated (Energy Market Price - 24/07/2017)
The first stage of the 246-million-pound investment into
energy storage will be launched today by British MP Greg
Clark. The investment is part of the government’s plan to
lift productivity in the energy sector.
Prime Minister Theresa May came forward with the
government’s plans to develop the main branches of the
industry, shift to clean energy and incorporate electric
cars, to cope with Britain leaving the EU.
The way in which a new center for battery research will be
chosen is through the Faraday Challenge – a race that will
gather the best minds and will revive sectors of the energy
industry that have declined over the years.
Importância da Inserção de Storage
44
Em parques eólicos e solares para controle da
potência liberada por essas fontes em um mesmo site
Nas redes de distribuição para controle do fluxo de
potência, reduzindo o investimento para expansão
dessas redes
Nas redes de transmissão para controle do fluxo de
potência, reduzindo o investimento para expansão da
rede básica:
• No nível de 230 kV para controle do fluxo em áreas
• No nível de 500 kV para controle do fluxo em
subsistemas regionais e nas interligações inter-regionais
Nos reservatórios das usinas hidroelétricas para
armazenar a energia excedente em nível sistêmico
Propostas para Implantação de Storage
45
Nas redes de transmissão para controle do fluxo de
potência:
Definir a expansão da transmissão requerida para
eliminar restrições ao escoamento da geração renovável
Definir nos pontos de estrangulamento a implantação de
meios de Storage para armazenar o fluxo excedente da
geração renovável nos períodos em que for necessário
Cotejar os investimentos requeridos para cada uma das
opções: expansão da transmissão X implantação de
Storage
Os recursos de Storage passariam a ser uma nova
opção a ser avaliada na expansão requerida da rede
básica a ser cotejada com os meios convencionais
Propostas para Implantação de Storage
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Realizar “Leilões Híbridos” para implantação de parques de energia eólica e
solar de forma integrada em um mesmo site, visando aproveitar a riqueza de
vento e sol da região NE do Brasil.
Condicionantes:
• Agregar recursos de “storage” (armazenamento), por exemplo, batérias, de
pelo menos 20% do montante da energia total
• O montante de energia contratada seria o conjunto eólica + solar + storage
• Os contratos de uso e de conexão da transmissão teriam valores de MUST
global menores do que a soma da contratação individual por fonte
Benefícios:
• Compartilhar a rede de conexão e de transmissão e a infraestrutura e
recursos para operação dos parques;
• Obter ganhos de eficiência do parque gerador, tornando estes projetos
mais competitivos;
• Reduzir o uso da rede elétrica e de seus investimentos;
• Reduzir as perdas de energia não gerada;
• Reduzir a variabilidade da geração, que é intrínseca às fontes solar e
eólica;
• Controlar a potência liberada pelo parque gerador.
Propostas para Leilões Híbridos
