metodologia para estimativa de potencial hidroelÉtrico remanescente parte 1: conceitos e...

METODOLOGIA PARA

ESTIMATIVA DE POTENCIAL HIDROELÉTRICO REMANESCENTE

Parte 1: Conceitos e Metodologia

Dante Gama Larentis, Eng. Civ., MsC., [email protected]

www.larentis.eng.br

Foz do Iguaçu, Agosto de 2012

CAPACITAÇÃO E TRANSFERÊNCIA DE TECNOLOGIA PARA

PROSPECÇÃO DE POTENCIAIS HIDRELÉTRICOS

mailto:[email protected]

Etapas do planejamento do setor hidrelétrico*

CONCEITOS

escala de análise

prazo dos estudos

estágio de implementação

Estudos preliminares

Estudos de inventário

Estudos de viabilidade

regional (bacia hidrográfica)

Registro ANEEL

Aprovação ANEEL

Resgistro ANEEL e AA*

Aprovação ANEEL

Aprovação AA*Licença Prévia

local (projeto)

Leilão de conceção

Projeto Básico

Construção Operação

1 2

3

4

Aprovação AA*Licença Instalação

6Aprovação ANEEL

8

9Aprovação ANEEL

75

indeterminado 2 anos 1 ano 6 meses 1 ano 4 anos > 50 anos

Aprovação AA*Licença Operação

*Adaptado do Manual de Inventário Hidrelétrico

84 GW 101 GW

260 GW

75 GW

Hydrospot

Esquema do funcionamento de uma central hidrelétrica

CONCEITOS

)( HQfE

Qt

HbVu

NAmaxOp.

NAminOp.

DepMax

Cálculo do potencial hidrelétrico (energia média gerada)

CONCEITOS

)( HQfE

088,0][]/3[][ mHbmsmQtMWmEm Eficiência (0,9) e correção de unidades

Metodologia do Manual de Inventário Hidrelétrico (Estudos Preliminares)

Metodologia do Manual de Inventário Hidrelétrico (Estudos Finais)

23000

24000

25000

26000

27000

28000

29000

30000

31000

32000

1/7/1952 7/25/1952 2/10/1953 8/29/1953 3/17/1954 10/3/1954 4/21/1955

0

20

40

60

80

100

120

VI (hm3)

VQ (hm3)

Vbal (hm3)

Simulação da série histórica para o período crítico considerando o reservatório cheio no início da simulação e vazio no final

Energia assegurada x Energia firme x Potência instalada

CONCEITOS

Energia firme: aquela garantida mesmo na ocorrencia da sequencia de vazoes baixas mais severa registrada no historico. No caso do Brasil, o perído crítico é de 1949 a 1956 (Manual de inventário da Eletrobrás). Medida em MWh.

Energia assegurada: é igual a máxima produção que pode ser mantida em uma determinada porcentagem do tempo, por exemplo, 95%. A vazão com uma dada garantia é obtida da curva de permanência de vazões. Medida em MWh.

Potencia instalada: é a soma da potência das turbinas da usina. A potência é sempre um valor superior ao da energia média gerada. Medida em MW.

Fator de capacidade: é dado pela relação entre a energia média e a potência instalada. É adimensional.

Energia média: é a energia produzida ao longo de um determinado período dividida pelo tempo transcorrido. Por exemplo, se uma usina gerou 127.000 MWh em um ano, a energia média é de MW médios (MWm).

Pi

Emfc

Energia média x Potência instalada (fator de capacidade)

CONCEITOS

088,0][]/3[][ mHbmsmQtMWmEm

Q

t

Qmlp MVR (~70% Qmlp)

Qpmax

Em (MWm)

Pi (MW)

Benefícios

Custos

fc B/C

Não é economicamente viável!

Há um fator de capacidade ótimo abaixo da Qmlp que depende da capacidade de regularização do rio.

Q95

Aquisição de dados básicos

CONCEITOS

)( HQfE

CARTOGRAFIA (CURVAS DE NÍVEL)

SRTM

MODELOS DIGITAIS DO TERRENO

SÉRIE DE VAZÕES

CHUVA-VAZÃO

bAaQ

VAZÕES REGIONALIZADAS

Introdução ao programa de prospecção de potenciais

- Parte do zero: identificação dos sítios, com base no MDT, e avaliação de potencial hidrelétrico e seleção de alternativas com base em análise hidrológicas (vazões estatísticas), energéticas, técnico-econômicas e ambientais;

- Permite a obtenção do potencial total hipotético e do potencial energético global viável na bacia;

- Não é um programa de otimização. Função objetivo potencial/fragilidade conduz a valores baixos de potencial na bacia;

- Foco em projetos de pequeno e médio porte (até 50 MW) (tendência no cenário mundial e mais adequado as simplificações adotadas quanto a simulação hidrológica e análise energética);

- Equivale a parte de estudos preliminares de um inventário tradicional, com a vantagem de levantar um número bastante superior de alternativas de projeto, economizando tempo e recurso na etapa final do inventário.

HYDROSPOT

Avaliação energética distribuída

Prospecção de potenciais

3

Definição e caracterização da área de estudo (bacia hidrográfica)

Pré-processamento

do MDT

População do sistema

Análise hidrológica

1 Avaliação técnico-ambiental distribuída

Mapeamento temático

Composição de indicadores

2*

Avaliação ambiental e energética integrada

Seleção de alternativas sem

restrições

Obtenção de PTH e FTH

Seleção de alternativas cenário base

Obtenção do potencial viável na bacia (PGV)

4Seleção de

alternativas c/ objetivo = PGV

Obtenção da divisão final de

quedas

Banco dados

externo

fragilidades

pressões

Vetor de alternativasde projeto

HYDROSPOT

Otimização energética e análise econômica

Cálculo da séries de vazão de 30

anos

Simulação e otimização energética

5Cálculo da

relação custo/benefício

Divisão final de quedas

*Neste caso, será realizada a parte.

Esquema metodológico geral

1.1. Pré-processamento do MDT

Definição e caracterização da área de estudo1

MDTSRTM 3”90x90m

1.1.1. Usando o ESRI ArcGIS Spatial Analyst Tools, menu

Hydrology:

- Preenchimento de depressões (fill sinks);

- Direções de fluxo (flow direction);

- Acumulação de fluxo (flow accumulation).

Direções de fluxo

210 221 228

209

201 229214

216

MDT corrigido

212

32 64 128

16

8 24

1

4 8 8

4

3216

168

?

1 1 1

2

8 11

1

Acumulação de fluxo

3

1.1. Pré-processamento do MDT


1.1.2. Divisão em Ottobacias:

- Define ordem de divisão;

- Divide sub-bacias e marca rede de

drenagem;

- Extrai informações topológicas

(posição dos exutórios e nascentes,

comprimento dos trechos de rio,

relações de contribuição).

Fonte: Verdin & Verdin (1999)

Rodovias

Ferrovias

Área Influência

Classificação do uso do solo (alta resolução)

Linhas de transmissão (alta tensão)

1.2. População do sistema


Hidrografia

Mapa UCs

1.3.1. Simula inundação nas seções de estações fluviométricas

1.3.2. Obtém relação Cota-Área-Volume

bAaQ

1.3.4. Ajusta equação de regionalização

1.3.5. Regionaliza MVR, Q95 e Qmlp para todos os pixels

1.3.3. Estima Máxima Vazão Regularizável (MVR) (% Qmlp)

23000

24000

25000

26000

27000

28000

29000

30000

31000

32000

1/7/1952 7/25/1952 2/10/1953 8/29/1953 3/17/1954 10/3/1954 4/21/1955

0

20

40

60

80

100

120

VI (hm3)

VQ (hm3)

Vbal (hm3)

088,0][);( HmQMWaPPMáx

1.3. Análise hidrológica


MVR

bAaQ ou

Localização do eixo do barramento e casa de força, p/ bacias = n , 1

Definição do local da casa de força(varre buffer de raio CMA em torno do eixo do

barramento p/ p=1,q)

Inundação do reservatório e desenvolvimento da barragem

Identificação do eixo do barramento(percorre drenagem a jusante com um passo

de distância DJ)

Verificação potencial bruto

Vetor de alternativas

Prospecção concluída

Pixel é área

excluida

pixel é o

exutorio bacia

n

YES

NO

NO

Seleciona próximo pixel

Seleciona pixel p

S x HTp >

S x HTp-1

Pixel p é área

excluida

p = q

YES

NO

NO

Desenvolvimento lateral da barragem

Inundação do reservatório e desenvolvimento vertical da

barragem

S < MDA

YES

NO

YES

YES

HB >

MAT

Pl (HT)

<PBM

YES HB = HB +dHB Pixel é área

excluida

NO

NO

YES

Qreg >

MVR

NO

YES YES

YES

NO

Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais)3


3.1. Localização do eixo do barramento

Perfil longitudinal

- busca é ordenada de acordo com a hierarquiade Otto bacias, demontante para jusante;

- pixel a pixel, ou com um espaçamento DJ;

- DJ não pode ser inferior a resolução do grid;

- mapa de AR com as áreas excluídas é verificado.

Ex. busca DJ = 600 m


3.1. Localização do eixo do barramento

DJ

Parque

Parâmetro

do modelo

CMACMA

>MDC>MD

>MDC<MD

<MDC<MD

CASO 1CASO 2(curto-circuito)

A

BC

CMACMA

>MDC>MD

>MDC<MD

<MDC<MD

CASO 1CASO 2(curto-circuito)

A

BC

ParqueParque


3.2. Definição do local da casa de força

- vizinhança do eixo é analisada de modo a identificar o maior produto:

dH (m) x S (%)

- raio que define a área de procura: Comprimento Máximo da Adução (CMA);

- mapa de AR com as áreas excluídas é verificado.

Parâmetro

do modelo

A alternativa de eixo de barramento e de casa de força é testada de duas formas:

- verificando o potencial bruto do sítio considerando apenas a queda devido à diferença de cota do terreno. Se a potencial for menor que um potencial bruto mínimo (PBM), previamente definido, o sítio é eliminado;

- verificando o mapa de AR, testando se qualquer um dos pixels contidos no trecho de vazão reduzida (meandro do rio) entre o eixo do barramento e a casa de força estão em zona de restrição. Em caso afirmativo, a alternativa é eliminada.

088,0 HQPB f

Vazão asseguradaQ95 (m3.s-1)

Queda d’água devido aodesnível do terreno (m)

Potencial bruto mínimo (PBM) em MWm

Eficiência (0,9) e correção de unidades


3.3. Verificação do potencial bruto

Parâmetro

do modelo

Os critérios de parada são:

- a Máxima Altura Técnica (MAT): definida pela altura de um barramento considerada tecnicamente viável do ponto de vista construtivo. Se altura do barramento ≥ MAT, o critério de parada é atendido.

- a Declividade Mínima Admissível (DMA) do terreno: refere-se ao desenvolvimento lateral da barragem, portanto, a seção transversal do rio. Quando a barragem é estendida, se a declividade de um dos taludes barrados é inferior a DMA, o critério de parada é atendido.

- a Máxima Vazão Regularizável (MVR) na seção: O valor de MVR é hipotético, obtido como uma fração da vazão média de longo período. Se o volume do reservatório obtido na seção, no período de an’alise, é maior ou igual ao volume potencialmente acumulado no mesmo período pela MVR, o critério de parada é atendido .


3.4. Desenvolvimento da barragem e inundação do reservatório

NAmax

NAmin

dH

Parâmetro

do modelo

Parâmetro

do modelo

Analisa a vizinhança e procura pixel de maior cota (elevação) no MDT em cada margem do rio em cada elevação dH do nível d’água no reservatório.

2o passo:sentido horário

3o passo: sentidoanti-horário

1º passo:pixel de referênciaa jusante do eixo

2o passo:sentido horário

3o passo: sentidoanti-horário

1º passo:pixel de referênciaa jusante do eixo

Margem do sentido horário

Margem do sentidoanti-horário

1 2

34

5

1

3

4

2

56

7

Margem do sentido horário

Margem do sentidoanti-horário

1 2

34

5

1

3

4

2

56

7

Barramento concluído

Se Cota > NA

Barramento

concluído!

í

H = 1dH H = 2dH H = 4dH

32 64 128

16

8 24

1



NAmax

NAmin

NAmax – 1dH

dH

NAmax

NAmin

NAmax – 1dH

dH

Direções de fluxo



(a)

Clockwiserotation

Find downstreampixel

Dam axis

Passo 1: achar pixel de maior cota fora da calha em ambas as direções (horária e anti) a partir do pixel eixo do barramento

Check neighborselevation

Pick highest pixel

(c)

Dam ends elevation < HBPasso 3: quando sai da calha, passa a procurar o vizinho de maior cota nas duas direções, até superar o nível d’água estipulado

Perpendicularorientation

(b)

Pixel elevation ≤ DHPasso 2: apenas quando ainda está na calha, caso todos vizinhos tenham a mesma cota do eixo, anda na perpendicular à direção de fluxo

Dam development accomplished forgiven water level (d)

Dam ends elevetion ≥ HBPasso 4: quando atinge o nível d’água estipulado em ambas as direções, ou quando um critério de parada é atingido, termina o desenvolvimento da barragem

Avaliação energética e ambiental integrada4S

eleç

ão d

e al

tern

ativ

as

Etapas:

4.1. Obtenção do potencial e fragilidade totais hipotéticos na

bacia;

4.2. Obtenção do cenário base de potencial e fragilidade totais

na bacia;

4.3. Cálculo do potencial global viável para o cenário base.

As restrições do cenário base consistem em:

- Definir vazão ambiental remanescente a jusante de barramento;

- Definir vazão remanescente para outorgas vigentes no trecho afetado;

- Definir layers de restrição total ao desenvolvimento (parques).

O produto é a divisão final de quedas considerando as restrições de ordem técnico-

econômicas e ambientais, ainda com um grande número de empreendimentos que

serão excluídos na análise benefício/custo.

O produto é a divisão final de quedas sem qualquer restrição ao desenvolvimento.

Regularização de vazões e otimização de potenciais em iterações k, p/ k = 1 , m

p/ i = 1 , n

Teste de interferência de alternativas i, p/ i = 1 , n(número de alternativas implantadas = j)

Inunda usinaimplantada

Vetor de alternativas vazio

i = n

PTAk = PTAk-1

Pré-seleçãoAlternativa iselecionada

Inventário comj alternativas implantadas

NO

Teste interferênciapor inundação

Teste interferênciapor curto-circuito

PTA = Ʃ Plii=1

i=jOtimiza relação QxH

Alternativas i = 1, n

Regulariza vazõesAlternativas i = 1, n

NO

Inventário concluído

1a iteração

Curto-circuita usina

implantada

YESYES

NO

YES

NO

Avaliação energética e ambiental integrada (seleção de alternativas)4

HYDROSPOT


Inventário comj alternativas implantadas

YES

1

2 3

1

2

3

Adução de 2(curto-circuito)

Casa de força de 2

Casa de força de 3(no pé da barragem)

1

2 3

1

2

3


Casa de força de 2


4.1. Teste de interferência por inundação

Avaliação energética e ambiental integrada4

Supondo a alternativa 1 sob teste e a 2 já implantada

Supondo a alternativa 2 sob teste e a 3 já implantada

A

B

1A

B

1

3E

F 3E

F

2

CD

2

CD

4.2. Teste de interferência por curto-circuito


O potencial total na bacia é calculado por:

, n = número plantas aceitas

O potencial hidroelétrico líquido (Pl) é calculado para cada alternativa de aproveitamento conforme:

Vazão turbinada (m3.s-1)

Queda d’água acumulada hipotética (m)

Potencial líquido emMWatts médios (MWa)

Eficiência (0,9) e correção de unidades088,0 AHT HQPl

MMT QconsQremanQgarnatQacumQutilQ

JAH HacumHlmH

n

PlPTA1

4.3. Otimização de potencial por alternativa e regularização de vazões


? ?

?

?

12

3

088,0 AHT HQPl MMT QconsQremanQgarnatQacumQutilQ

JAH HacumHlmH

NAmax

NAmin

NAmin + 1dH

NAmax – 1dH

dH

NAmax

NAmin

NAmin + 1dH

NAmax – 1dH

dH

Q95

VMR

1

2

3

n-1

n

Hlm

Qutil=V/tDepleção = dH123

4.3. Otimização de potencial por alternativa e regularização de vazões


4.3. Atualização do vetor de alternativas


Planta aceita


Planta eliminadasno remanso da alternativa aceita

Planta eliminadas na alça de vazão reduzida

Demais alternativas no mesmo sítio

1

2 3

1

2

3


Casa de força de 2


1

2 3

1

2

3


Casa de força de 2


4.3. Atualização do vetor de alternativas


Supondo que a alternativa 2 tenha sido implantada

Supondo que a alternativa 1 tenha sido implantada

Redimensiona 2 para o novo nível de jusante

Cálculo de benefícios

Otimização energética e análise econômica5

BA = 8760. Pr. Ea/106

Cálculo de custos

CO = FT.(CF+CV*Ep).Com

Onde CF e a parte de custo fixo da obra que nao deve se alterar com aalteração da potencia em R$ milhoes; CV é a parte do custo que varia com apotencia em R$ milhoes; Com é o custo de Operação e Manutenção comrelacao ao custo final; FT e o fator a ser pago anualmente pelo investimentona obra. No custo da obra e incorporado o juros do investimento no periododa obra.

Onde BA e o beneficio anual em milhoes de US$; Pr e o preco estimado daenergia vendida em US$/MW; Ea e a energia assegurada da serie em MW.

Este tema será abordado no próximo encontro.

ESTUDO DE CASO:

RIO TAQUARI-ANTAS - RS

Estudos de inventárioCEEE (1993)

Estudos de inventárioCEEE (1993)

Estudos ambientaisFEPAM (2001)

Estudos ambientaisFEPAM (2001)

RESULTADOS

Estudo de caso: Taquari-Antas do inventário de 1993 da CEEE

Nos estudos de inventário de 1993, foram avaliados, além de aspectos técnicos e econômicos de produção de energia, impactos sociais e ambientais que poderiam ocorrer com a implementação dos projetos (CEEE, 1993). Na etapa de prospecção inicial de potenciais, foram seguidos os seguintes critérios:

- menos áreas inundadas quanto possível;- grande queda entre tomada d’água e casa de força;- esquemas tipo curto-circuito;- barramento em seções bastante declivosas, inundando áreas

agrícolas pouco produtivas;- barramentos de baixo impacto ambiental;- evitar interferência com centros urbanos e infra-estrutura pública,

como pontes, viadutos, estradas, edificações, túneis, linhas de transmissão, etc.;- acessibilidade ao sítio de construção;- esquemas a fio d’água.

Parâmetros do inventário de 1993 da CEEE

O inventário de 93 localizou e classificou 79 sítios com potencial hidroelétrico, com um potencial hipotético estimado em 552 MWa. Verificou-se que os melhores sítios para produção de energia também eram os que apresentavam maiores impactos ambientais. De forma a evitar a perda de sítios promissores, algumas plantas tiveram mais de um layout estudado, variando a posição da casa de força, locação da barragem e nível d’água máximo no reservatório. Como resultado, foram obtidas 94 alternativas de aproveitamento na bacia.

A fase de seleção de alternativas do inventário da CEEE foi concluída com 56 plantas, totalizando 467 MWa de energia firme, aproximadamente 85% do potencial máximo hipotético prospectado na fase anterior, com perdas de:

12 MWa por alto (não compensável) impacto ambiental (2 alternativas); 58 MWa por razões econômicas (25 alternativas);15 MWa por interferência com infra-estrutura existente ou por

dependência com outras alternativas escolhidas por serem mais rentáveis.

Após estudo de AAI (FEPAM, 2001), potencial viável é de 336 MWa.

PR

OS

PE

CÇ

ÃO

SE

LE

ÇÃ

OA

AI

79 sítios94 alternativasc/ 552 MWa

56 plantas c/467MWa

RESULTADOS

RESULTADOS

Resultados da prospecção

Os valores dos parâmetros utilizados na prospecção dos sítios com potencial são os seguintes:

- Distância a jusante (DJ): 450 m- Comprimento máximo da adução (CMA): 1.800 m- Potencial bruto mínimo (PBM): 10 kWa- Altura incremental do NA (dH): 4 m- Máxima altura técnica do barramento (MAT): 50 m- Declividade mínima admissível (DMA): 10%

Análise hidrológica:


56 plantas c/467MWa

Média longo período Máxima regularizável Posto Período inicio – fim

Área (Km2) Qmlp

(m3/s) Perm (%)

MVR (QT) (m3/s)

Perm (%)

Qmlp QT

(%)

Falha (%)

86440000 1939–2006 3622 87 27 61 39 70 5 86510000 1940-2006 15826 366 27 259 37 71 7 86720000 1941-2006 19200 451 26 310 37 69 25

RESULTADOS

Resultados da prospecção

- a bacia do Taquari-Antas foi subdividida em 81 unidades (sub-bacias) em uma ordem de divisão de Otto Pfafstetter de nível 2;

- o MDT utilizado foi uma imagem SRTM com resolução de aproximadamente 90x90m;

- as principais características fisiográficas de cada sub-bacia foram calculadas no pré-processamento;


56 plantas c/467MWa

A etapa de prospecção de potenciais foi finalizada com 1933 sítios, com um total de 31266 alternativas:

- 55 sítios oram descartados por interferência do barramento com API;- 2344 sítios foram descartadas por baixo potencial (<PBM).

RESULTADOS

2600 m

RESULTADOS

7600 m

RESULTADOS

Monte Claro

±1600 m

±1100 m

Rio d

as A

ntas

Rio das AntasMonte Claro

±1600 m

±1100 m

Monte Claro

±1600 m

±1100 m

Rio d

as A

ntas

Rio das Antas

RESULTADOS

Rio das Antas

Rio d

as A

ntas

Rio das Antas

Rio d

as A

ntas

RESULTADOS

1606

1607

Rio d

as A

ntas

Rio das Antas

1606

1607

1606

1607

Rio d

as A

ntas

Rio das Antas

RESULTADOS

Resultados da seleção


56 plantas c/467MWa

Os resultados de PTH foram:- total de 252 plantas (alternativas de projeto);- potencial hipotético de 741,6 MWa;- plantas variando entre 10 kWa e 58 MWa; - 177 plantas à fio-d’água; - 75 plantas c/ reservação (vazão regularizada maior que a Q95);- 244 plantas c/ derivação por túnel (curto-circuito) ou pela margem;- 8 dependem apenas da queda gerada pela barragem (geração no pé).

Ajuste tentando alcançar a configuração do inventário de 93

Resultado:- grandes alterações locacionais;- estatísticas gerais foram bastante similares (O PTH foi levemente inferior, de 736 MWa, distribuído em 275 plantas).

RESULTADOS

RESULTADOS

Resultados da seleção


56 plantas c/467MWa

Para a definição do cenário base foram estabelecidos:- vazão ambiental a jusante de barramento: 25% da Q95;- comprimento máximo da alça de vazão reduzida dispensada de vazão

ambiental (CMAVR = 250 m);- critério de corte por trecho de rio livre de barramento ativo;- critério de corte por rio de “Classe Especial” (CONAMA 357) ativo.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250 300

No. alternativas implantadas

% d

e P

TH

e F

TH

IFG IPG IPG-IFG

Total de 90 plantas

PGV = 69% do PTH

PGV = 508 MWa

metodologia para estimativa de potencial hidroelÉtrico remanescente parte 1: conceitos e...

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