Alterações de padrões climáticos e hidrológicos e avaliação da melhor

representação energética de séries de vazões naturais

Experiência da Academia

André F.P. Lucena

Outubro 2017

Impactos sobre sistemas energéticos Energy Sector Climate Variables Related Impacts

Thermoelectric Power

Generation (natural gas, coal

and nuclear)

air/water temperature cooling water quantity and

quality

air/water temperature, wind

and humidity

cooling efficiency and turbine

operational efficiency

extreme weather events

erosion in surface mining

disruptions of off-shore

extraction

Oil and Gas

extreme weather events disruptions of off-shore

extraction

extreme weather events,

air/water temperature,

flooding

disruptions of on-shore

extraction

extreme weather events,

flooding, air temperature

disruptions of production

transfer and transport

extreme weather events disruption of import operations

flooding, extreme weather

events and air/water

temperature

downing of refineries

cooling water quantity and

quality in oil refineries

Biomass

air temperature, precipitation,

humidity

availability and distribution of

land with suitable

edaphoclimatic conditions

(agricultural zoning)

extreme weather events desertification

carbon dioxide levels bioenergy crop yield

Energy Sector Climate Variables Related Impacts

Hydropower

air temperature,

precipitation, extreme

weather events

total and seasonal water

availability (inflow to plant's

reservoirs)

dry spells

changes in hydropower system

operation

evaporation from reservoirs

Wind Power wind and extreme weather

events

changes in wind resource

(intensity and duration), changes

in wind shear, damage from

extreme weather

Solar Energy air temperature, humidity

and precipitation

insolation changes (clouds)

decrease in efficiency due to

decrease in radiation

decrease in efficiency due to

ambient conditions

Geothermal air/water temperature cooling efficiency

Wave Energy wind and extreme weather

events changes in wave resource

Demand air temperature,

precipitation

increase in demand for air

conditioning during the summer

decrease in demand for warming

during the winter

increase in energy demand for

irrigation

ESMAP (2011)

Estudos

• Manual técnico para formulação de estudos sobre

impactos e adaptação do IPCC:

– Experimentos

– Analogias empíricas

– Julgamento de especialistas

– Projeção de impactos

Metodologias para avaliação de impactos de Mudanças Climáticas

Cenários de Emissões/concentração

Modelagem Climática (GCM)

Downscaling

Modelagem Hidrológica

Projeção de Impactos de Mudanças Climáticas – Abordagem Sequencial

Energia

Projeção de Impactos de Mudanças Climáticas – Abordagem Paralela

Cen

ário

s d

e Fo

rçam

ento

Rad

iati

vo

(RC

P)

Modelagem Climática Global (GCM)

Modelagem Climática Regional (downscaling)

Modelagem Hidrológica

Modelagem Energética Avaliação de impactos e

alternativas de adaptação no sistema energético

Precipitação, temperatura, etc.

Precipitação, temperatura, etc.

Vazão natural afluente aos reservatórios do SIN

Cen

ário

s d

e Em

issõ

es

(ou

fo

rçam

en

to r

adia

tivo

- R

CP

)

Modelagem Climática Global (GCM)

Modelagem Climática Regional (downscaling)

Modelagem Hidrológica

Vazão natural afluente aos reservatórios do SIN

Modelos Climáticos (General Circulation Models – GCM)

IPCC AR4 IPCC AR5 (CMIP5)

ACCESS1-0 GISS-E2-R p2

ACCESS1-3 GISS-E2-R p3

bcc-csm1-1 GISS-E2-R-CC

bcc-csm1-1-m HadGEM2-AO

BNU-ESM HadGEM2-CC

CanESM2 HadGEM2-ES

CCSM4 inmcm4

CESM1-BGC IPSL-CM5A-LR

CESM1-CAM5 IPSL-CM5A-MR

CMCC-CM IPSL-CM5B-LR

CMCC-CMS MIROC5

CNRM-CM5 MIROC-ESM

CSIRO-Mk3-6-0 MIROC-ESM-CHEM

EC-EARTH MPI-ESM-LR

FGOALS-g2 MPI-ESM-MR

FIO-ESM MRI-CGCM3

GFDL-CM3 NorESM1-M

GFDL-ESM2G NorESM1-ME

GFDL-ESM2M

GISS-E2-H p1

GISS-E2-H p2

GISS-E2-H p3

GISS-E2-H-CC

GISS-E2-R p1 TOTAL = 42

Modelos Climáticos (General Circulation Models – GCM)

Aumento de Temperatura de Superfície

Variação Percentual de Precipitação

Modelagem

Modelo Hidrológico

Modelo Elétrico

casamento

– Modelos hidrológicos físicos

• Medição de parâmetros

– Modelos hidrológicos conceituais

• Calibragem de parâmetros

– Modelos estatísticos

• Relações empíricas

– Modelos Hidrológicos em Macro-escala (conceituais ou estatísticos)

• Baixa resolução espacial

– Modelos econométricos

• Regressão em séries temporais (MUÑOZ e SAILOR, 1998)

• Modelo de autoregressão vetorial (IIMI, 2007)

– Modelos de otimização

• Otimização da receita a partir da venda de eletricidade (VICUÑA et al., 2005)

– Modelos de simulação

• Viabilidade técnica e financeira de um empreendimento hidrelétrico (HARRISON e WHITTINGTON, 2002)

• Variações potenciais anuais e sazonais na geração hidroelétrica (HAMLET et al., 2009)

• Simulação de energia média e firme (LUCENA et al., 2009)

– Outros tipos de análise

• Análise qualitativa (e.g. WITTINGTON e GRUNDY, 1996 e 1998)

• Estimativa de potencial bruto (LEHNER et al., 2005)

Séries de Vazão Projetadas (Martins, 2014) – Bacia do Paraná

Hidrologia: exemplo Brasil 2040

Séries de Vazão Projetadas (Martins, 2014)

Bacia do Tocantins-Araguaia e São Francisco

Hidrologia: exemplo Brasil 2040

1. Normalização (Qit = vazão usina i mês t):

2. PAR(p) – projeção para geração de séries sintéticas de yit:

3. Retorno:

4. Matriz de covariâncias

Geração de Vazões Sintéticas

)ln( itit Ql ~ ),( 2

iiN ; iiitit Qy /)( , ~ )1,0(N

])exp[( iikitkitR yQ

Impacto de

MCG

Modelagem Impacto-Adaptação

Modelo de Operação SDDP (PSR)

Modelo de Expansão MESSAGE-Brazil

(COPPE)

Operação/ Expansão

Impactos sobre a operação do SIN

Adaptação via expansão

Operação

GC

M –

do

wsc

alin

g –

Mo

del

o H

idro

lógi

co

•Cenários de geração Hidro •Custo Marginal de Operação •Risco de Déficit

•Expansão da Capacidade instalada •Custos de Investimento •Efeitos de Segunda ordem

Séries de vazões

naturais afluentes a 188 usinas

do SIN

Modelagem Energética

Premissas para construção de cenários energéticos (RCP 8.5 e RCP 4.5)

Modelo Resultados Interações Legenda:

Brasil 2040: resultados operação

Brasil 2040: resultados adaptação

• Mudanças climáticas – quebra de estacionariedade

• Projeção de impactos – incertezas

– GCMs – grande variação de resultados: apontam tendências

– Modelos de despacho detalhados (como os usados no Brasil) requerem molagem hidrológica detalhada

– Sistemas interligados e integrados: impactos em vários setores devem ser considerados ao mesmo tempo

• Custos de operação podem ser muito altos na ausência de medidas de adaptação – visão de longo prazo

– Adaptação x mitigação

Considerações Finais

Obrigado

andrelucena@ppe.ufrj.br