garantia fÍsica das usinas brasileiras · engenho pesquisa, desenvolvimento e consultoria ltda....

PREPARADO POR

Leontina Pinto

OUTUBRO DE 2014

GARANTIA FÍSICA DASUSINAS BRASILEIRAS:

EXPECTATIVAREALIDADE

Engenho Pesquisa, Desenvolvimento e Consultoria Ltda. Pág. 2/21 A Garantia Física das Usinas Hidroelétricas Brasileiras: Expectativas e Realidade

Índice

ÍNDICE _______________________________________________________________________________________2

INTRODUÇÃO _________________________________________________________________________________3

A GARANTIA FÍSICA E SUA IMPORTÂNCIA PARA O SISTEMA ____________________________________________4

A GARANTIA FÍSICA DAS MÉDIAS E GRANDES HIDROELÉTRICAS __________________________________________________4 A GARANTIA FÍSICA DAS PEQUENAS HIDROELÉTRICAS (PCHS) __________________________________________________5 A DIFERENÇA ENTRE AS GARANTIAS FÍSICAS DAS GRANDES E PEQUENAS USINAS _______________________________________5 A EXPECTATIVA E A CONCRETIZAÇÃO DA PRODUÇÃO ________________________________________________________6

A COMPARAÇÃO GARANTIA FÍSICA X PRODUÇÃO EFETIVA _____________________________________________7

UMA OBSERVAÇÃO IMPORTANTE: A DISCRETIZAÇÃO ANUAL E MENSAL ____________________________________________7 A GARANTIA FÍSICA X PRODUÇÃO EFETIVA DAS PCHS ________________________________________________________7 A GARANTIA FÍSICA X PRODUÇÃO EFETIVA DAS MÉDIAS/GRANDES USINAS __________________________________________9

Extremo Sul: Rio Jacuí – usina Itaúba __________________________________________________________11 Sudoeste brasileiro: Rio Paraná – usina Itaipu ___________________________________________________12 Sul/Sudeste brasileiro: Rio Tietê (SP) – usina Três Irmãos __________________________________________13 Médio Sudeste brasileiro: Rio Grande – usina Furnas______________________________________________14 Médio Sudeste brasileiro: Rio Paranaíba – usina Itumbiara _________________________________________15 “Norte do Sudeste” brasileiro: Rio S. Francisco – usina Três Marias __________________________________16 Nordeste brasileiro: Rio S. Francisco – usina Sobradinho ___________________________________________18 Norte brasileiro: Rio Tocantins – usina Tucuruí __________________________________________________20

CONCLUSÕES _________________________________________________________________________________21


Introdução

Este documento apresenta uma análise sobre a garantia física das usinas hidroelétricas brasileiras e sua concretização: a geração efetivamente produzida e entregue ao sistema.

Nosso foco não se dirige ao cálculo da garantia física em si. Apesar da existência de muitas oportunidades de melhorias, não seria interessante propô-las sem um diagnóstico mais amplo sobre a adequação deste conceito à realidade brasileira. Por isso, concentramos nossa atenção à comparação entre a produção de energia hidroelétrica e a garantia física das usinas brasileiras.

Investigaremos a performance das pequenas e grandes usinas, buscando apurar a existência (ou não) de diferenças entre sua eficiência e desempenho.


Garantia Física sua importância para sistema

Sabe-se que a produção de uma usina – de qualquer fonte – é incerta, já que é afetada por vários fatores – desde a variabilidade climatológica até às indisponibilidades, intempestivas ou programadas, dos componentes das plantas. É incerta, portanto, a oferta de energia que pode ser entregue ao sistema.

A variabilidade de geração poderia colocar em risco a segurança do abastecimento. Por isto, as autoridades setoriais estimam, para cada planta, um patamar “garantido” de geração – que possa “garantidamente” ser entregue ao sistema para atendimento ao consumo.

garantia física das médias grandes hidroelétricas

A metodologia para o cálculo da garantia física de uma grande usina hidroelétrica (potência maior que 50 MW) é descrita no documento Nº EPE-DEE-RE-099/2008 e pode ser resumida nos seguintes passos:

1- Determina-se a oferta total do sistema, ajustada para a igualdade de custos marginais de operação e expansão, admitida uma tolerância.

2- Divide-se a oferta total em dois blocos: hidráulico e térmico

3- Divide-se a oferta hidráulica entre todas as usinas, proporcionalmente às suas energias firmes (a produção média alcançada para um conjunto de hidrologias críticas, selecionados das ocorrências históricas)

A metodologia apresentada vem sendo alvo de críticas e mereceria, em nossa percepção, algumas melhorias. Não é estabelecida a metodologia de cálculo de custo marginal da expansão ou da tolerância admissível – e a configuração inicial é, em si, incerta. As condições de suprimento futuros são derivadas do passado, que pode não se repetir (e normalmente não se repete). Não são consideradas as variações das usinas não despachadas (eólicas, biomassa, PCHs). Mais ainda, o período crítico histórico não considera a evolução climatológica e não se restringe aos casos realmente mais críticos, o que pode levar a um déficit de lastro em períodos mais severos. A referência no passado desconsidera as mudanças climáticas, já em curso e com fortes impactos em várias regiões brasileiras.

No entanto, como comentado anteriormente, nosso objetivo não é a discussão sobre a metodologia em si, mas a análise de sua adequação ao nosso sistema. Portanto, não nos


alongaremos, neste relatório sobre as oportunidades de aperfeiçoamentos – que sugerimos sejam tratadas em estudos posteriores.

garantia física das pequenas hidroelétricas (PCHs)

A metodologia para o cálculo da garantia física de Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCHs), por sua vez, é definida pela portaria nº 463, de 3 de dezembro de 2009 e é mais simples: calcula-se a média da geração sobre o período de medições disponível (dada pela vazão hidrológica multiplicada pelo rendimento da planta), descontadas as indisponibilidades forçadas (falhas) e programadas (manutenções). Naturalmente, a eficiência da planta é tomada apenas sobre a parcela de vazão efetivamente utilizada para a geração, desprezando-se as parcelas direcionadas para outros usos (irrigação, consumo populacional, etc.).

Novamente, existem várias oportunidades de melhorias para o cálculo da garantia física das Pequenas Centrais – principalmente a inclusão das mudanças climáticas – que não serão abordadas neste documento. A importância do tema sugere um trabalho futuro, mais profundo e detalhado.

diferença entre as garantias físicas das grandes pequenas usinas

É interessante notar que a metodologia de cálculo para a garantia física para grandes e pequenas usinas hidroelétricas é diferente.

Esta diferença justifica-se por razões históricas. As grandes hidroelétricas são consideradas estruturantes – seu volume e importância são (ou eram, até bem pouco tempo atrás) o lastro principal da oferta de energia. Não seria sensato submeter o suprimento ao risco hidrológico, e por isso as usinas só poderiam ofertar o que conseguissem gerar em cenários adversos. Além disso, a metodologia oficial leva em conta as sinergias entre as grandes usinas, incluindo a capacidade de armazenamento, a operação em cascata, etc.

Já as PCHs não possuem sequer histórico para que possibilite a avaliação de sua geração nos cenários hidrológicos críticos (tipicamente 1948-1956). Além disso, sua representação nos modelos setoriais é muito aproximada: não são consideradas as sinergias com outras usinas, a complementariedade eólica, etc. Enfim, não seria possível aplicar às PCHs a mesma metodologia das grandes hidroelétricas.


expectativa concretização da produção

A garantia física das grande hidroelétricas corresponde em princípio ao mínimo que a usina pode entregar, mesmo em momentos hidrológicos adversos. Espera-se, portanto, que as usinas sejam capazes de produzir, continuadamente, um montante de energia superior à sua garantia física.

Já a garantia física das PCHs é calculada sobre a média histórica – em outras palavras, espera-se que as usinas produzem montantes de energia superiores ou inferiores à garantia física – perfazendo a média a longo prazo. Em outras palavras, não seria razoável exigir da PCH uma produção continuadamente superior à média – que neste caso, por construção, deixaria de ser média.


comparação garantia física produção efetiva

A comparação entre a garantia física e a geração efetivamente produzida pela usina pode mostrar a adequação do conceito ao resultado prático esperado.

Este trabalho realiza esta análise, comparando a garantia física e a produção das pequenas e grandes centrais em várias regiões do Brasil.

Uma observação importante: discretização anual mensal

É importante notar que o valor da garantia física é normalmente dado em MWmed – e corresponde portanto a um valor médio. Normalmente, este valor é tomado como uma média anual, sazonalizado (dividido em meses) e modulado (dividido em patamares) para fins de contabilização.

Isto significa que a comparação entre a garantia física e a geração em algum mês ou em algum patamar de consumo específicos não é representativa; será necessário tomar a média anual (ou, alternativamente, a média móvel ao longo dos últimos doze meses) para obter uma comparação significativa.

garantia física produção efetiva das PCHs

A Figura 1 compara a garantia física e a geração das Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCHs) para o histórico disponível – janeiro de 2002 a julho de 2014, obtido diretamente do Relatório Geração (MWh) e Garantia Física (MWmed) das Usinas Hidráulicas Não Despachadas Centralizadamente - 07/2014. da Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), disponível em seu site, na seção “Relatórios”. À esquerda, em MWmed, são plotadas as séries de garantia física e geração – cuja ascensão ao longo do tempo mostra a expansão da fonte. À direita medimos a diferença percentual entre as duas grandezas.

É possível notar que a geração é, em média, 18-20% mais baixa do que a garantia física. Estes resultados tornam-se ainda mais evidentes quando examinamos as médias móveis (12 meses) das mesmas grandezas, na Figura 2: a produção gira em torno de valores 20% abaixo das garantias físicas. É interessante notar que o desempenho torna-se ligeiramente


melhor ao final do histórico: a diferença atenua-se, talvez por conta do ingresso de usinas mais eficientes.

Figura 1 – Comparação garantia física x geração PCHs (fonte: CCEE)

Figura 2 – Comparação garantia física x geração PCHs em médias móveis 12 meses

De todo modo, a comparação pode causar estranheza: o que causaria a diferença entre a garantia física (em última análise, a média histórica)? Mudanças climáticas? Informações


básicas ou hipóteses incorretas? Esta pergunta será respondida mais adiante, após a análise da performance das grandes hidroelétricas.

garantia física produção efetiva das médias/grandes usinas

Com o intuito de realizar uma análise mais abrangente da performance das médias/grandes hidroelétricas brasileiras, focalizamos algumas das bacias mais importantes em termos de geração. Buscando uma visão mais ampla, nossa amostragem abrange uniformemente as diversas bacias brasileiras de produção de energia do país, ilustradas na Figura 3. Todos os dados utilizados nesta análise foram obtidos dos relatórios da CCEE “Relatório Individual de Garantia Física”, disponíveis no site da Câmara, seção “Relatórios”.

Restringimos nossa análise para o período histórico disponível: agosto de 2005 a 2014.


Figura 3 – Integração eletro/energética Brasileira (fonte: ONS)


Extremo Sul: Rio Jacuí usina Itaúba

A Figura 4 apresenta a comparação para a usina Itaúba, localizada no rio Jacuí, no extremo sul brasileiro. A geração mensal é apresentada em cinza, a média móvel da geração (últimos doze meses) em azul, a garantia física em verde. Em vermelho, mostramos a diferença percentual entre a geração e a garantia física – valores negativos denotam geração abaixo da garantia física.

Figura 4 – Comparação Geração x Garantia Física - Itaúba

Observamos, durante este período uma geração média 15,9% abaixo da garantia física. Mesmo observando as médias móveis, identificamos períodos de longa duração onde as médias anuais (últimos 12 meses) atingem níveis 60% abaixo da garantia física. Na verdade, pode-se mesmo dizer que a exceção é a geração acima da garantia física, só alcançada durante as cheias de 2004/5 e 2009/11.

Estes resultados chegam a ser surpreendentes, na medida em que se espera, das usinas de maior porte, uma geração normalmente acima da garantia física – e sugerem um estudo mais aprofundado, capaz de revisitar o conceito básico de garantia de suprimento para melhor adequá-lo à realidade.


Sudoeste brasileiro: Rio Paraná usina Itaipu

A Figura 4Figura 5 apresenta a comparação para a usina Itaipu, localizada no rio Paraná, no Sudoeste brasileiro. O código de cores é similar ao da figura anterior e não será portanto repetido.

Figura 5 – Comparação Geração x Garantia Física – Itaipu

É interessante notar que o Sudoeste exibe um padrão complementar ao do Sul: quando a geração do Sudoeste está acima da garantia física, a do Sul está abaixo, e vice-versa. Assim, a geração média de Itaipu para o período é 3% maior que a sua garantia física, embora o período de “déficit” de garantia física seja longo: 2009 a 2011 (coincidente com a cheia do Sul).

-30%-10%10%30%50%70%90%110%

-

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

Varia

ção

Ger

ação

x G

fis

Itaipu

Itaipú Geração (MWmédio) Itaipú Gfís (MWmédio)

Média Móvel Geração(MWmédio) Variação % (MM - Gfís)/Gfís


Sul/Sudeste brasileiro: Rio Tietê (SP) usina Três Irmãos

A Figura 6 apresenta a comparação para a usina Três Irmãos, localizada no rio Tietê, no “extremo Sul” do Sudeste brasileiro. O código de cores é similar ao da figura anterior e não será portanto repetido.

Figura 6 – Comparação Geração x Garantia Física – Três Irmãos

O rio Tietê é um dos poucos que se comporta como esperado. A geração é consistentemente maior do que a garantia física (aproximadamente 30% ao longo do período), a menos dos anos de 2013/14, que correspondem à pior seca de todo o histórico de vazões do Sudeste (desde 1931). Em 2014, o déficit de garantia física atinge o patamar de 25%.

-50%0%50%100%150%200%250%300%350%400%

-100 200 300 400 500 600 700

Varia

ção

Gera

ção

x Gf

is

Três Irmãos

Três Irmãos Geração (MWmédio) Três Irmãos Gfís (MWmédio)



Médio Sudeste brasileiro: Rio Grande usina Furnas

A Figura 7 apresenta a comparação para a usina Furnas, localizada no rio Grande, no “médio” Sudeste brasileiro. O código de cores é similar ao da figura anterior e não será portanto repetido.

Figura 7 – Comparação Geração x Garantia Física – Furnas

À primeira vista, o rio Grande comporta-se ainda razoavelmente dentro do esperado. No entanto, embora a geração seja maior que a garantia física no período 2005/12, a seca que se inicia em finais de 2012 é extremamente severa, levando a um “déficit de garantia física” igual a 40% em 2014. Computando o período total, observa-se que a geração ficou 5,14% abaixo da garantia física.

-50%-40%-30%-20%-10%0%10%20%

-

200

400

600

800

1.000

Varia

ção

Gera

ção

x Gf

is

Furnas

Furnas Geração (MWmédio) Furnas Gfís (MWmédio)



Médio Sudeste brasileiro: Rio Paranaíba usina Itumbiara

A Figura 8 apresenta a comparação para a usina Itumbiara, localizada no rio Paranaíba, um pouco ao norte do rio Grande, ainda no “médio” Sudeste brasileiro.

Figura 8 – Comparação Geração x Garantia Física – Itumbiara

É interessante notar a enorme diferença entre dois rios geograficamente tão próximos: Itumbiara não consegue, desde 2007, gerar a garantia física, chegando a valores 40% abaixo desta meta. O déficit de garantia médio para o período analisado é igual a 15,65%.

-50%-40%-30%-20%-10%0%10%20%30%

-200 400 600 800

1.000 1.200 1.400 1.600

Varia

ção

Gera

ção

x Gf

is

Itumbiara

Itumbiara Geração (MWmédio) Itumbiara Gfís (MWmédio)



“Norte do Sudeste” brasileiro: Rio S. Francisco usina Três Marias

A

Figura 9 apresenta a comparação para a usina Três Marias, localizada no rio S. Francisco, no extremo norte da região Sudeste, já caminhando para o Nordeste.

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

-50

100 150 200 250 300 350 400

Varia

cão

Gera

ção

x Gf

isTrês Marias

Três Marias Geração (MWmédio) Três Marias Gfís (MWmédio)



Figura 9 – Comparação Geração x Garantia Física – Três Marias

Persiste o “déficit de garantia física”, igual a aproximadamente 10% no período em análise. É interessante ainda notar o curto período onde a geração foi consistentemente superior à garantia física: 2009 e parte de 2010. É comum a geração abaixo do patamar da garantia física e os consequentes déficits, que atingem valores significativos: quase 50% em 2014.

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

-50

100 150 200 250 300 350 400

Varia

cão

Gera

ção

x Gf

is

Três Marias

Três Marias Geração (MWmédio) Três Marias Gfís (MWmédio)



Nordeste brasileiro: Rio S. Francisco usina Sobradinho

A

Figura 10 apresenta a comparação para a usina Sobradinho, localizada no rio S. Francisco, no Nordeste brasileiro.

-60%-50%-40%-30%-20%-10%0%10%20%

-100 200 300 400 500 600 700 800 900

Varia

ção

Ger

ação

x G

fisSobradinho

Sobradinho Geração (MWmédio) Sobradinho Gfís (MWmédio)



Figura 10 – Comparação Geração x Garantia Física – Sobradinho

Como Itumbiara, o déficit de garantia física em Sobradinho persiste desde 2007. Atige patamares significativos, chegando a aproximadamente 25% no período em análise (32% entre 2010 e 2014). Na verdade, esta realidade é conhecida no Nordeste, cujas hidrologias foram duramente afetadas pelo evento “El Niño” de 1992.

-60%-50%-40%-30%-20%-10%0%10%20%

-100 200 300 400 500 600 700 800 900

Varia

ção

Ger

ação

x G

fis

Sobradinho

Sobradinho Geração (MWmédio) Sobradinho Gfís (MWmédio)



Norte brasileiro: Rio Tocantins usina Tucuruí

A Figura 11 apresenta a comparação para a usina Tucuruí, localizada no rio Tocantins, no Norte brasileiro.

Figura 11 – Comparação Geração x Garantia Física – Tucuruí

Nota-se novamente um importante déficit de garantia física, que atinge aproximadamente 9% ao longo do período em análise. É interessante observar a complementariedade das vazões Norte/Nordeste: vazões mais baixas em uma região correspondem a vazões mais altas em outra. O déficit de garantia física, entretanto, é comum a ambas: as usinas não logram chegar ao patamar almejado.

-40%

10%

60%

110%

-1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000

Varia

ção

Gera

ção

x G

fis

Tucuruí

Tucuruí Geração (MWmédio) Tucuruí Gfís (MWmédio)



Conclusões

Antes de mais nada, não seria razoável esperar, das Pequenas Centrais Hidroelétricas uma geração continuadamente acima da garantia física. Lembrando que a garantia física das PCHs corresponde a uma média histórica, é natural que estas usinas exibam gerações oscilando acima e abaixo desta média.

No entanto, o problema da garantia física é mais profundo. Este documento mostra que muitas das principais bacias brasileiras vêm exibindo, há vários anos, vazões continuadamente abaixo da correspondente garantia física. Lembrando que a garantia física das médias/grandes usinas localizadas nestas bacias é calculada sobre as hidrologias mais críticas do histórico, pode-se concluir que elas não vêm conseguindo atingir sequer o patamar mínimo do período crítico – e estão portanto muito abaixo da média histórica.

Neste contexto, é razoável inferir que as PCHs localizadas nestas regiões também deverão estar submetidas ao mesmo regime climatológico; não conseguirão portanto, atingir sequer o patamar mínimo – muito menos a média (correspondente à sua garantia publicada).

Em outras palavras, não seria razoável exigir das PCHs um patamar de geração correspondente à média histórica, se as médias/grandes usinas não são capazes sequer de atingir o patamar mínimo histórico.

Este é um problema crítico, que deve impactar fortemente o risco de suprimento de energia elétrica brasileira. Os resultados, por sua importância, sugerem uma revisita ao conceito de garantia física, que não parece sustentar-se. Recomendamos um estudo mais aprofundado, que combine as análises climatológicas e energéticas necessárias para o desenho de uma garantia mais confiável, capaz realmente de mitigar o risco de suprimento para o mercado brasileiro.

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