GERAÇÃO DESCENTRALIZADA DE RESERVAS OPERATIVAS ATRAVÉS DO

APROVEITAMENTO DOS RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS COMO FONTE DE ENERGIA RENOVÁVEL

MS. Gerardo M. A. LescanoDepartamento de Engenharia de Sistemas – UNICAMP

gerardo@densis.fee.unicamp.br

MS. Mariella R.C. AurichDepartamento de Engenharia de Sistemas - UNICAMP

mariella@densis.fee.unicamp.br

Carlos DalmazoDepartamento Engenharia – EQUIPALCOOL SISTEMAS

dalmazo@equipalcool.com.br

Prof. Dr.Takaaki OhishiDepartamento de Engenharia de Sistemas - UNICAMP

taka@densis.fee.unicamp.br

RESUMOOs resíduos sólidos urbanos são uma fonte de energia renovável, disponível e alternativa

com enorme potencial. Estes resíduos podem ser convertidos em energia por diversas maneiras, entre elas pela sua queima em caldeiras para geração de vapor e conseqüente acionamento de uma turbina. Os Resíduos sólidos Urbanos (RSU) podem ser utilizados como fonte para a geração de Reservas Operativas como complemento à eletricidade gerada pelas hidrelétricas em períodos de seca.

As reservas operativas são necessárias para melhorar o nível de segurança operativo, principalmente em relação às perdas de unidades geradoras e desvios significativos na demanda de carga prevista. Usualmente as reservas operativas são alocadas levando-se em conta somente o aspecto econômico. Porém, outros fatores devem ser considerados tais como a sua localização e a sua capacidade de resposta ante uma variação de carga. Este trabalho analisou tecnicamente algumas características envolvidas no aproveitamento energético dos resíduos sólidos e a viabilidade de implementar pequenas centrais termelétricas próximas aos nós de demanda para a geração de Reservas Operativas.

PALAVRAS-CHAVE: Fluxo Potencia Ótimo, Reservas Operativas, Resíduos sólidos urbanos, Centrais Termelétricas a Lixo.

ABSTRACTMunicipal waste is a renewable energy source, and available alternative with great potential. This waste can be converted into energy in various ways, including by its burning in boilers to generate steam and consequent triggering of a turbine. Municipal waste can be used as a source for the generation of Operative Reserves in addition to electricity generated by hydroelectric during periods of drought. The operating reserves are needed to improve the level of operating safety, especially in relation to loss of generating units and significant deviations in load demand forecast. Usually the operating reserves are allocated taking into account only the economic aspect. However, other factors must be considered such as their location and their capacity to respond before a change of load. This study examined some characteristics technically involved in the energy of the solid waste and feasibility of implementing small thermal power coming to us to demand for the generation of Reserves Operative.

KEYWORDS: Optimal Power Flow, Operative Reserves, Municipal Solid Wastes, Waste Thermal Power.

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 102

1. IntroduçãoA crise no abastecimento de energia elétrica e o problema da disposição de resíduos são

hoje dois dos maiores problemas com que nos confrontamos na atualidade. Não dá mais para aceitar que as Prefeituras ainda gastem tanto dinheiro para enterrar algo que tem valor como combustível. A energia é escassa e o lixo em excesso. É certo que existe hoje tecnologia ambientalmente segura para resolver os dois problemas com uma só solução: as Centrais Termoelétricas a Lixo (CTL). Enquanto discutimos como racionar a energia, e se vai ou não ter apagão, enchemos a lata de lixo e gastamos dinheiro para jogá-lo fora, isto é um absurdo.

A crise ambiental se agrava com o crescimento assustador dos problemas oriundos do lixo, problemas sociais, de saúde, de higiene, de espaço, de contaminação da água, e muitos outros. É emergencial a adoção de ações com o objetivo de alterar a atual situação do meio ambiente. Evidenciando essa necessidade, todos os dias, acompanhamos na televisão, nos jornais e em revistas as catástrofes e mudanças que estão ocorrendo rapidamente no mundo. Nunca se viu alterações tão rápidas e com efeitos devastadores como os que têm ocorrido nos últimos anos.

Os resíduos domésticos têm quase a metade do potencial energético do carvão. A recuperação de energia a partir da porção não reciclável dos resíduos domésticos é uma opção válida tanto econômica quanto ecologicamente. Uma das alternativas aplicáveis à geração de energia a partir de combustíveis renováveis são as caldeiras a biomassa, especificamente usando Combustível Derivado dos Resíduos (CDR), substituímos a geração de energia com combustíveis fósseis e ainda acabamos com o problema do lixo. A presente proposta faz uma análise sistêmica do processo de geração de energia elétrica, avaliando desde as características da fonte de energia, apresentado as vantagens e desvantagens e aspectos ambientais intrínsecos a operação de geração de energia através do RSU. 2. Impacto ambiental

Pesquisadores do clima mundial afirmam que este aquecimento global está ocorrendo em função do aumento da emissão de gases poluentes, principalmente os derivados da queima de combustíveis fósseis (gasolina, diesel, etc). Estes gases (ozônio, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso e monóxido de carbono) formam uma camada de poluentes de difícil dispersão, causando o famoso efeito estufa. Este fenômeno ocorre quando estes gases absorvem grande parte da radiação infra-vermelha emitida pela terra, dificultando a dispersão do calor.Dentro de algumas soluções para diminuir o aquecimento global temos:

• Diminuir o uso de combustíveis fósseis (gasolina, diesel, querosene) e aumentar o uso de biocombustíveis.

• Ampliar a geração de energia através de fontes limpas e renováveis: CDR, Biomassa, hidrelétrica, eólica, solar.

• Colaborar para o sistema de coleta seletiva de lixo e de reciclagem. • Recuperação de lixões e aterros sanitários.

3. Resíduos sólidos urbanos no Brasil No Brasil, os aterros sanitários das grandes cidades estão prestes a explodir, faltam leis,

investimentos e soluções eficientes para lidar com o inadiável problema. Segundo a Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais mediante seu relatório anual “O Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil”, o país gerou aproximadamente 170 mil toneladas diárias de RSU (ABRELPE, 2008), (IBGE, 2008).

Na Tabela 1 é possível projetar a quantidade de RSU coletada por habitante / dia por macro região.

Tabela 1. Quantidade Total de RSU

Macro regiãoRSU

(t/dia)RSU

(kg/hab/dia)Norte 10846 0,992Nordeste 45205 1,236Centro Oeste 11844 1,040Sudeste 84249 1,177Sul 16509 0,749Total 168653 1,106

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 103

4. Combustível Derivado dos ResíduosDo inglês Refuse Derived Fuel (RDF), designação genérica dos combustíveis obtidos a

partir de RSU, não obedecendo a características técnicas específicas, o CDR tem sido largamente utilizado como combustível de substituição em várias instalações de co-incineração (Dias, 2006) (Kai, 2002). Outras definições utilizadas para o CDR são:

• Combustível produzido por separação, fragmentação e processamento de resíduos mistos;• Combustível preparado por separação de Resíduo Sólido Urbano e processamento da

fração com maior poder calorífico em pellets (combustível sólido granulado) de uso comercial;

• Resíduos que tenham sido parcialmente separados e classificados previamente à sua queima.

A Tabela 2 mostra a composição media do CDR no RSU.

Tabela 2. Composição média de CDR e RSUComposição média (Peso)

Material RSU (%) CDR(%)Resíduos de Alimentos 43,77 10,00Papel e Papelão 13,16 47,00Plásticos 16,49 21,00Tecidos 4,00 5,00Metais 2,70 0,00Madeira 3,50 5,00Resíduos de Poda 5,50 9,00Vidro 2,34 0,00Inertes 0,46 0,00Outros 8,08 3,00

Total 100,00 100,00PCI (Kcal/Kg) 1800,00 3000,00

Uma linha de transformação de lixo em CDR consiste numa seqüência de operações unitárias organizadas em série com o objetivo de separar componentes indesejados e condicionar a matéria combustível de maneira a obter CDR com as características desejadas.

Os principais processos utilizados na transformação de lixo em CDR visam:• Separação mecânica e seleção de fluxos;• Redução de tamanho das partículas;• Secagem, homogeneização e densificação;• Embalamento e armazenamento.

5. Geração de Energia.A transformação de lixo em CDR não é um processo recente. Esse método foi

inicialmente desenvolvido como um meio de evitar-se a queima imediata do RSU, transformando-o em um combustível que pudesse ser transportado e armazenado.

Para poder converter o CDR em energia, é necessário um processo de transformação baseado na combustão do mesmo. A tecnologia de combustão do CDR foi desenvolvida na América do Norte pela Babcock & Wilcox no início dos anos 1970 como uma alternativa à queima do resíduo sólido municipal.

Esta queima é feita em caldeiras, com funcionamento totalmente automatizado, e produz vapor em altas pressões e temperaturas que pode ser utilizado em turbo-geradores para geração ou cogeração de energia elétrica (Ciclo Rankine). Além de possuir baixo custo de instalação em relação à outro tipo de centrais geradoras, como por exemplo as hidrelétricas, o processo de queima em caldeiras reduz o investimento em obras civis. O dinheiro gasto com aterros sanitários pode também ser investido neste tipo de centrais termelétricas.

5.1 CaldeirasAs caldeiras são equipamentos destinados a transformar água em vapor; a energia

necessária à operação, isto é, o fornecimento de calor sensível à água até alcançar a temperatura

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 104

de ebulição, mais o calor latente a fim de vaporizar a água somado com o calor de reaquecimento para transformá-la em vapor superaquecido, é dada pela queima de um combustível.

Basicamente as caldeiras têm duas partes distintas, independente do seu tipo, modelo ou fabricante:

• Sistema de vapor - água• Sistema de ar – combustível – gases•

O Sistema de vapor – água, alimentado com água, que recebe calor através de uma barreira de metal sólido, é aquecida e transformada em vapor.

O Sistema de ar – combustível – gases, também conhecido como lado de fogo é alimentado com o ar e o combustível, que são misturados e queimados para transformar a energia química em calor. (Babcock & Wilcox, 2005).

5.2 Ciclo de RankineO Ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico no qual se relaciona o consumo de calor

com a produção de trabalho. É um ciclo que opera com vapor o qual é produzido em uma caldeira a alta pressão para logo ser levado a uma turbina onde é produzida energia cinética. Seu caminho continua a seguir até um condensador onde o que resta de vapor passa ao estado líquido para poder entrar a uma bomba que aumentará a sua pressão para novamente poder retornar à caldeira. Figura 1 (Moran, 2006), (Santos, 2005).

Figura1. Ciclo Rankine simples. Figura 2. Diagrama T-S Rankine.

Considere um ciclo baseado em quatro processos. Admita que o estado 1 é liquido comprimido e que o estado 2 seja vapor superaquecido, a Figura 2 a seguir mostra o diagrama T- S referente ao ciclo e os processos que compõen o ciclo são:

1-2’: Transferência de calor a pressão constante, o fluido pressurizado entra na caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido.

2’-3: Expansão adiabática reversível, o vapor se expande através de uma turbina para gerar trabalho, com a expansão a pressão e a temperatura se reduzem.

3-4: Transferência de calor a pressão constante, o vapor entra no condensador onde é resfriado até a condição de líquido saturado.

4-1: Processo de bombeamento adiabático reversível; o fluido é bombeado a uma pressão baixa para uma alta pressão.

a) Caldeira.O fluido de trabalho que deixa a bomba em 1, chamado de água de alimentação da

caldeira, é aquecido até a saturação e evaporado na caldeira. A eficiência térmica mede o percentual através do qual a energia fornecida ao fluido é convertida em trabalho liquido disponível.

)()()()(

_ 12

CDRCDR

vapor

PCImhhm

caldeiraEfi×

−×= (1)

)(),,1( 41

1 vaporMMspPtTestadovaporEntalpia

h==

= (2)

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 105

)/(1::_

)/(:)()/(:

)/(::

1 KgKjestadonoEntalpiahcaldeiraEficiênciacaldeiraEfi

KmolKgvapormolecularmassavaporMMhKgdeCDRvazãom

hKgvapordevazãomonde

CDR

vapor

)/(: KgKjCDRInferiorCaloríficoPoderPCICDR

b) Turbina.O vapor na caldeira no estado 2, tendo uma pressão e temperaturas elevadas, se expande

através da turbina para produzir trabalho e então é descarregado no condensador no estado 3 com uma pressão relativamente baixa. Desprezando a transferência de calor com as vizinhanças.

lhvhshvhX s

22

22

−−= (3)

)()(_

22

32

shhhhturbinaEfi

−−= (4)

)()_(_ 32 hhvapormturbinaPot −×= (5)

)(),02( 2

2 vaporMMtTxcomestadovaporEntalpia

vh==

= (6)

)(),88.02( 2

2 vaporMMtTxcomestadovaporEntalpia

lh==

= (7)

)(),3( 33

3 vaporMMtTpPcomestadovaporEntalpia

h==

= (8)

saturadovapordoTítuloXturbinaEficiênciaturbinaEfi

KwturbinadaPotênciaturbinaPotOnde

s ::_

)(:_:

c) Condensador.O vapor é condensado e a temperatura da água de arrefecimento aumenta para alimentar

a bomba.perdasppsp += 24 (9)

)(),14( 4

4 vaporMMtTxcomestadovaporEntropia

s==

= (10))()( 44 vaporMMsss ×= (11)

)(),4( 44

4 vaporMMspPssscomestadovaporentalpia

sh==

= (12))(: barpressãodePerdasp perdas (13)

d) BombaO líquido condensado que deixa o condensador em 3 é bombeado para dentro da caldeira

a uma pressão mais elevada, e comprimido.

)()(_

41

44

hhhshbombaEfi

−−= (14)

bombaEficiênciabombaEfivaporMM

tTsppcomestadovaporEntalpiah

vaporMMtTxcomestadovaporEntalpiah

vaporMMspPssscomestadovaporEntalpiash

onde

:_)(

),1()(

),04()(

),4(:

141

44

244

===

===

===

Dadas as características de trabalho, tipo de combustível e conhecidas as Equações (1) -

(14) é possível determinar o balanço do ciclo Rankine e também a potência gerada. Esta Formulação será usada para elaborar um programa computacional levando em consideração as propriedades termodinâmicas, o qual calculará a capacidade de geração dos geradores distribuídos e realizar a simulação do modelo proposto. 6. Reservas Operativas

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 106

A Reserva Operativa é ofertada pelas unidades já sincronizadas e prontas para serem utilizadas. A reserva sincronizada está encarregada de satisfazer o aumento de demanda, com uma notificação de tempo muito curto. Para encarar probabilidade de falha, as unidades geradoras notificadas deverão superar em conjunto a demanda imprevista (Rudnick, 2000).

Analisando as tecnologias das fontes energéticas alternativas renováveis, já suficientemente maduras para serem empregadas comercialmente e utilizada em processos modernos com elevada eficiência tecnológica, o CDR possui a flexibilidade de suprir Reservas Operativas de energia. Este combustível tem elevado poder calorífico, não é sazonal e tem custo zero.

7. Fluxo de potência ótimo para o despacho econômico de Energia Básica- Modelo 1O objetivo dos modelos de despacho econômico é determinar a geração de cada unidade

geradora atendendo um dado conjunto de requisitos operativos (Castillo, 2005). Há várias classes de modelos de despacho econômico, variando principalmente no nível de detalhamento da representação da operação do sistema. Os modelos mais simples asseguram apenas o atendimento da demanda global, enquanto que as abordagens mais sofisticadas consideram uma representação detalhada do sistema de transmissão através das equações de fluxo de carga, resultando no conhecido problema de Fluxo de Potência Ótimo (FPO). Neste trabalho adotou-se um modelo intermediário, no qual o sistema de transmissão foi representado através de um modelo linear (Lescano, 2004). A seguir é apresentada uma formulação para o problema FPO Linear:

∑

NG

iii PCMin )( (15)

Sujeito a:

LpDpPNG

ii +=∑

= 1(16)

liqkm PDP .= (17)maxmin

kmkmkm PPP ≤≤ (18)maxmin

iii PPP ≤≤ (19)Onde:

iP : Energia elétrica no nó “i”.

iC : Custo de geração por unidade de energia elétrica.Dp : Demanda Total de energia elétrica.Lp : Perdas totais de energia elétrica.

kL : Perdas no nó “k”.

kmL : Perdas na linha “km”.

kmg : Condutância na linha “km”.

kmθ : Desviação angular na linha “km”.maxmin , ii PP : Limite mínimo e máximo de geração na unidade “i”.maxmin , kmkm PP : Limite mínimo e máximo de fluxo na linha “km”.

kmx : Reatâncias na linha “km”.β : Matriz susceptâncias.

'II : Matriz incidência.iiliq PcPgP −= : Energia elétrica líquida.

iPg : Potência gerada no nó “i”.

iPc : Potência de carga no nó “i”.

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 107

kmP : Fluxos de energia elétrica na linha “km”.11 −−= BAXD T

BAX ,, : Matrizes diagonal de kmx , 'II , β .

A Função Objetivo (15) é em geral o custo de geração. A primeira restrição, Equação (16), assegura o atendimento da demanda de carga; enquanto que a segunda restrição dada pela Equação (17) estabelece uma relação linear entre o fluxo de potência ativa nas linhas de transmissão e a injeção de potência ativa nas barras. As Restrições (18) e (19) são os limites operativos para a geração e para o carregamento em termos de potência ativa nas linhas de transmissão, respectivamente.

A equação de balanço (16) considera as perdas na linha de transmissão ( Lp ). A perda de potência ativa na linha k-m ( kmL ) é dividida pela metade e cada metade é alocada às suas barras terminais k e m. As perdas ativas nas linhas são calculadas como a seguir.

2. kmkmkm gL θ=2km

kL

L = ∑=

=nb

kkLLp

1

O modelo (15)-(19) determina o nível de geração de potência ativa das unidades geradoras em um dado instante sem garantir o atendimento dos requisitos de reserva operativa.

8. Despacho econômico de Energia Básica e Reservas Operativas – Modelo 2Na maioria dos mercados competitivos de eletricidade, é realizada uma otimização

conjunta de reserva e de despacho de geração porque os sistemas têm ofertas para ambos os serviços.

Para realizar este despacho conjunto foi adotado um segundo modelo acrescentado na função objetivo, um custo associado às reservas operativas(20), também foi acrescentada na restrição de balanço a geração das reservas operativas (21). A restrição de limites de geração considera também as reservas operativas, de modo a assegurar o fornecimento da reserva se necessário (23). As restrições de capacidade de carregamento nas linhas de transmissão também foram modificadas de modo a assegurar uma reserva de capacidade de transmissão (24). A formulação geral é a seguinte:

+∑ ∑

= =

NG

i

NG

iiiii SRCrPCMIN

1 1

)()( (20)

LDtSRPNG

i

NG

iii +=+∑ ∑

= =1 1(21)

maxminiii PPP ≤≤ (22)

maxminiii SRSRSR ≤≤ (23)

maxminkmkmkmkm PSRPP ≤+≤ (24)

0;0 ≥≥ ii SRP (25)Onde:

iSR : Reserva Requerida no nó “i”.iCr : Custo de geração por unidade de reserva operativa.

Dt : Demanda total de energia básica e reservas operativas.L : Perdas totais de reservas e energia Básica.

maxmin , ii SRSR : Limites mínimos e máximos de geração de reserva.

Neste modelo, é realizado o despacho somente pelo menor custo das reservas, apresentado algumas limitações: Tendência em atribuir reserva considerando apenas o aspecto

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 108

econômico, com isso pode evitar a alocação de reservas em unidades mais caras, porém com melhor localização e maior capacidade de resposta (aspecto técnico).

9. Despacho econômico de Energia Básica e Reservas Operativas levando em consideração a localização da reserva – Modelo 3

Neste terceiro modelo, além de considerar o aspecto econômico foi considerado também a localização dos geradores de reservas operativas, associando esta localização a um fator de Punição que depende da distância da reserva ao “centro de carga”, e com isto minimizar as perdas nas linhas de transmissão. Todo sistema elétrico de energia têm uma área de concentração de carga; geralmente chamado “centro de carga”. Este é o lugar onde normalmente é localizado o “nó de referência” (Gil, 2003). Se alocarmos reservas em unidades que se encontram longe dos centros de carga com custo de operação menor terá como conseqüências perdas maiores e o sistema receberá só uma parte da reserva gerada.

Seria mais conveniente manter a reserva o mais perto possível ao lugar da demanda para obter uma maior segurança. Uma maneira de considerar a influência das perdas nas linhas de transmissão sobre a distribuição econômica da carga entre os diferentes geradores do sistema é determinar para cada gerador um Coeficiente de Punição (Punishment Factor), , expressado na equação (26).

ii P

LPF∂∂−= 1 (26)

O iPF representa as perdas incrementais do sistema como resultados da variação da injeção de energia em nó “i”, tendo como referência o nó de mercado. O menor é a maior perda incremental para o gerador que está situado eletricamente mais longe do centro de carga. É importante notar que varia de acordo com o nó de mercado escolhido. No entanto, o relacionamento entre os vários permanece o mesmo, indiferente ao nó de referência escolhido. Portanto, se propõe usar o como uma medida para mostrar a eficácia da reserva, do ponto de vista da distância que separa a reserva do nó de demanda do serviço. A formulação do terceiro modelo ficaria representada da seguinte maneira:

+∑ ∑

= =

NG

i

NG

iiiii RCrPCMIN

1 1)()( (27)

LDtRPNG

i

NG

iii +=+∑ ∑

= =1 1(28)

maxminiii PPP ≤≤ (29)

maxminiii RRR ≤≤ (30)

maxminkmkmkmkm PRPP ≤+≤ (31)

iii SRPFR ⋅= (32)

iR : Reserva efetiva da unidade “i”.iPF : Fator de punição da unidade “i”.

A Reserva Efetiva ( iR ) é definida como a energia entregue pela unidade geradora considerando a sua situação geográfica dentro do sistema dado pelo iPF , onde é a Reserva Requerida (SR), calculada em uma primeira etapa, considerando o fator de punição unitário.

10.Despacho econômico de Energia Básica e Reservas Operativas levando em consideração simultaneamente localização e capacidade de resposta da reserva – Modelo 4

Outro aspecto a considerar na alocação de reserva é a capacidade de regulação de cada unidade, que é medida pelo fator de Capacidade de Resposta ( iFCR ). Esse fator mostrado na

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 109

equação (33), é a variação em porcentagem da velocidade da unidade, quando a carga é alterada, considerando que uma central termelétrica opere segundo os dados fornecidos pelo operador do sistema, o mesmo depende das cargas máximas e mínimas de operação da mesma, e da velocidade com que esta pode passar de uma carga a outra, tanto durante o aumento da mesma (tomada de carga) como durante a sua diminuição (retirada de carga). Portanto, este fator dá uma medida da capacidade de resposta das unidades (Lora, 2008).

maxi

iii SR

VpSRFCR ⋅∆= (33)

(%) potência da variaçãode Velocidade:(MW) potência da variaçãodeFaixa:

i

i

VpSR

Onde∆

Este quarto modelo proposto leva em consideração o aspecto econômico, a localização da reserva e a capacidade de resposta, para tal seria acrescentado ao modelo anterior uma restrição de limites de freqüência (34):

maxmin )100

1( fFCRff i ≤−⋅≤ (34)

Ondef : Freqüência da rede (60 Hz no Brasil)

iFCR : Fator de capacidade de resposta da unidade “i”.

11. Testes e Resultados Para a simulação do modelo foi necessário calcular a produção do CDR em algumas cidades do estado de São Paulo, de forma a poder estimar o potencial de produção de CDR. Para o cálculo de CDR foi levantada uma estimativa diretamente dependente do número de habitantes da cidade. Sabendo também que o CDR corresponde aproximadamente 50% do RSU.

Calculou-se ainda a quantidade de vapor a gerar, utilizando a formulação do ciclo Rankine vista anteriormente, relacionando esta com as características da caldeira (pressão e temperatura de trabalho) e a vazão de combustível. Já com a vazão de vapor se conseguiu determinar a quantidade de geração de energia como se mostra na tabela 3; os valores ressaltados foram tomados como referência para as capacidades de reservas. Para este cálculo foi desenvolvido um programa computacional em Matlab utilizando a formulação do ciclo Rankine e as Tabelas Termodinâmicas JANAF (compiladas pela Joint Army Navy Air Force), que contém uma das compilações mais completas de dados termodinâmicos.Eentre as propriedades que ali se encontram listadas destaca-se a capacidade calorífica, entropia e entalpia.

Foi analisado também o sistema elétrico IEEE 30 barras com 06 geradores, 41 linhas de transmissão e 06 centrais termelétricas de lixo atuando como reservas operativas. A implementação computacional do programa de FPO foi realizada em MATLAB utilizando o método de Pontos Interiores Primal-Dual Barreira Logarítmica (Lescano, 2005). O modelo tem como objetivo minimizar o custo total da operação e perdas nas linhas de transmissão para o despacho econômico de geração e reservas operativas, respeitando as restrições de atendimento de demanda, limites operacionais dos geradores, nas linhas de transmissão e de regulação de freqüência.

Tabela 3. Produção de energia segundo tecnologia da caldeira

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 110

O nível de demanda requerido tanto para o mercado de energia elétrica é de 585 MW, simulando também uma variação de demanda imprevista de 3%, se espera que esta variação de demanda seja atendida com a maior segurança e ao menor custo possível. As funções de custos, os limites máximos e mínimos dos geradores e reservas são mostrados na tabela 4.

Tabela 4. Coeficientes das funções de custo e limites máximos e mínimos de geração.a b c Barra Pmin (MW) Pmax (MW) Barra SRmax (MW)

18 1,4 0,0204 1 30,00 110,00 7 15,0043 1,5 0,02 2 20,00 120,00 15 10,0035 1,35 0,014 5 30,00 110,00 17 8,0032 1,4 0,0152 8 25,00 100,00 21 12,009 1,54 0,0079 11 50,00 120,00 24 9,0042 1,35 0,0104 13 75,00 130,00 26 5,00

2iiiii .Pc.Pba : básica energia custo de Função ++

2iiiii .Pc.Pba : reservas custo de Função ++

Outra informação relevante da formulação é a velocidade de resposta das reservas. Na Tabela 5 mostram-se as velocidades utilizadas nas simulações.

Tabela 5. Velocidade de Resposta das Reservas.

Barra 7 15 17 21 24 26Vp(i) 3 4 2 2 3 3

As Tabelas 6 e 7 mostram os valores obtidos para o Modelo 1 para uma demanda de 585 MW e a outra simulando uma variação de demanda do 3%. Esta simulação de aumento de demanda foi feita com o propósito de comparar as perdas de transmissão e custos totais entre o despacho de energia básica e caso sejam despachadas as reservas operativas.

Tabela 6. Modelo 1. Tabela 7. Modelo 1 (variação demanda 3%)Barra Geração (MW) Barra Geração (MW)

1 71,68 1 76,482 70,63 2 75,515 106,21 5 109,528 96,24 8 100,0011 120,00 11 120,0013 130,00 13 130,00

Perdas totais: 9,76 Perdas totais: 9,93 Custo Total de Geração: 1.995,53 Custo Total de Geração: 2.071,44

Na Tabela 8 mostram-se os resultados para o Modelo 2, observa-se que as perdas nas linhas de transmissão diminuíram, pois mesmo tendo o mesmo custo que os geradores de energia básica preferiu-se despachar todas as reservas devido a que se encontram alocadas pertos dos nós de demanda diminuindo assim as perdas e por conseqüência o custo de operação total diminuiu.

Tabela 8. Modelo 2 Barra EB (MW) Barra SR (MW)

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 111

1 63,22 7 15,002 61,98 15 10,003 93,91 17 8,004 84,84 21 12,005 120,00 24 9,006 126,41 26 5,00

Perdas totais: 6,81 Custo Total de Geração: 1906,47

Na Tabela 9 mostram-se os resultados do Modelo 3. Observa-se que as perdas nas linhas de transmissão não diminuíram significativamente, mas o despacho entre as reservas teve uma variação, pois cada reserva agora está influenciada pelo fator de penalidade nodal, ele despacha a reserva que gere menos perdas nas linhas de transmissão, o custo total de geração também aumento um pouco devido a este novo despacho.

Tabela 9. Modelo 3 Barra EB (MW) PF/EB Barra SR (MW) PF/SR

1 63,58 1,0000 7 13,48 0,96982 61,90 0,9499 15 8,91 0,99363 93,95 0,9705 17 7,56 0,97474 84,63 0,9670 21 12,00 0,97545 118,48 0,9338 24 8,31 0,99016 125,98 0,8688 26 4,52 0,9796

Perdas totais: 6,79 Custo Total de Geração: 1915,98

Na tabela 10 simula-se o modelo 4, neste modelo além de considerar o menor custo de despacho , consideramos a localização da reserva e a sua capacidade de resposta, as reservas que foram despachadas quase a sua capacidade máxima, agora foram limitadas pela velocidade de resposta, pois está relacionada diretamente com a freqüência do sistema e conseqüentemente com a sincronização dos geradores que fazem parte do sistema.

Tabela 10. Modelo 4Barra EB (MW) Barra SR (MW) %Vp

1 71,05 7 6,23 32 69,27 15 2,77 43 101,41 17 6,64 24 93,96 21 9,96 25 120,00 24 3,74 36 130,00 26 2,08 3

Perdas totais: 6,79 Valor de freqüência Superior = 60,4980 Hz Custo Total de Geração: 1.976,58 Valor de freqüência inferior = 59.5020 Hz

A unidade de maior potência com menor regulação permite variação menor de freqüência, enquanto assume a maior carga possível. A unidade de maior potência com maior regulação permite variação maior de freqüência, enquanto assume a carga possível.

12.Conclusões.

As Centrais Termelétricas de Lixo surgem como instrumentos locais de grande utilidade para valorização de CDR, sobretudo nas regiões do interior de considerável densidade populacional onde a produção de RSU é um grande problema social e ainda apresentam problemas em abastecimento de energia por se encontrar longe dos centros de geração.

As estratégias ambientais a nível da nova gestão dos resíduos entrecruzam-se diretamente com a política energética, os consumidores já verificaram que depender exclusivamente da empresa de geração local é um risco que deve ser minimizado. A geração perto dos nós de demanda melhora a qualidade e confiabilidade do fornecimento de energia, reduzindo as perdas nas linhas do sistema, economizando custos de transmissão e distribuição no sistema interligado. Um despacho descentralizado de reservas operativas fornece ao sistema uma maior confiabilidade, segurança e economia, pois a geração de energia seria feita do lado do consumidor.

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 112

Para o aperfeiçoamento dos sistemas energéticos, especificamente em ganhos de eficiência, é fundamental a redução das perdas, nos vários processos de geração de energia, necessários para atender aos consumidores. Ao se reduzirem tais perdas, reduzem se, correspondentemente, os níveis de demanda de energia primária e de todos os inevitáveis efeitos associados ao consumo de energia, como podem ser os impactos ambientais na exploração de recursos naturais e a emissão de poluentes.

O Sistema Elétrico Brasileiro, hoje predominantemente hídrico, deve passar em poucos anos a ser um sistema hidrotérmico, pois ele precisa de confiabilidade, dado que a produção e consumo de energia elétrica são simultâneos,e deve ser planejado a forma de torná-lo capaz de responder às variações da carga, e isso só pode ser possível mediante Termelétricas cujas tecnologias não sejam sazonais. Os resultados obtidos a partir da simulação estimulam uma análise mais apurada para a implementação de Centrais Termelétricas de Lixo.

13.Agradecimentos.Expressamos o nosso agradecimento à CAPES, CNPQ, FINESP e FAPESP pelo apoio

financeiro no desenvolvimento deste trabalho realizado durante o período de doutorado na Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação na Universidade Estadual de Campinas.

14.Referência Bibliográfica.[1] ABRELPE, Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos

Especiais.Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil , 2008.[2] Castillo R. A., Vargas A “Joint Economic Dispatch, Energy and reserve. Optimal Second

reserve Determination in Isolated System”, IEEE Porto Power Tech Conference, September 2001 Porto, Portugal.

[3] Dias S., Silva R. B., “Avaliação do Potencial de Produção e Utilização de CDR em Portugal Continental”, 2006.

[4] Gil E. S., Balanqué. E.M. “Método de las componentes de los voltajes de nodo para la determinación de los factores de penalización”. Universidad de Camagüey, Facultad de Electromecánica, 2003.

[5] Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), http://www.ibge.gov.br[6] Kai K., Marzi T. Europe Study on RDF 2002.[7] Lescano G.M. “Um modelo de despacho econômico para reservas operativas”, Tese de

Mestrado, Universidade Estadual de Campinas, 2004.[8] Lescano G.M., Aurich M. R., Ohishi T. “Um modelo de despacho econômico de reservas

operativas via métodos de pontos interiores”, SOBRAPO 2005.[9] Loira E E, Nascimento M. A., Geração termelétrica, Planejamento, projeto e

operação, 2008.[10] Moran M. , Shapiro H., Princípios de termodinâmica para engenharia, 4 edição, 2007.[11] Rudnick H. Correa.J. “Aspectos Técnicos y Remunerativos de los Servicios

Complementarios en Sistemas Eléctricos Desregulados.”, Memoria para optar el grado de Ingeniero Civil de Industrias Santiago de Chile 2000.

[12] Santos N. O., Termodinâmica aplicada às termelétricas, segunda edição RJ, 2006.[13] The Babcock & Wilcox company “Steam generation it’s and use”, edition 41, 2005.

XLI SBPO 2009 - Pesquisa Operacional na Gestão do Conhecimento Pág. 113