IRIS
Integração de Renováveis Intermitentes: Um modelo de simulação da operação do sistema elétrico brasileiro para apoio ao planejamento, operação, comercialização e regulação
Venidera, IATI, Sinerconsult e Côrtes
Apoio: EPE e CCEE
Objetivos
Os objetivos centrais deste projeto são: a) ampliar a base de conhecimento existente no Brasil sobre as fontes de geração intermitente e sua inserção no grid, com avaliação dos custos desta integração; b) desenvolver um modelo de curtíssimo prazo para a simulação da operação do sistema interligado nacional e da rede de sub-transmissão, com ênfase na representação das fontes renováveis intermitentes, além das demais fontes de geração.
A utilidade do projeto fica evidenciada em razão de muitos benefícios potenciais:
- Avaliar a capacidade de o sistema garantir confiabilidade de suprimento de energia elétrica na rede do SIN, atendendo aos requisitos de controle de voltagem e frequência, mesmo sob eventos de curto prazo com produção intermitente e exigências de manobras operativas mais rápidas;
- Avaliar procedimentos para determinação da reserva operativa de sistemas existentes com presença de geração intermitente, e propor metodologia para cálculo de reserva operativa no SIN, para atender contingências ou intermitência de geração.
- Identificar a necessidade de promover expansão da capacidade de transmissão da rede, expansão da geração, recursos de armazenamentos distribuídos na rede, e recursos de resposta / gestão da demanda, de maneira a melhorar o nível de confiabilidade operativa;
- Avaliar o cronograma viável de introdução das fontes renováveis no SIN, e a potencial contribuição dessas fontes para o aumento da oferta de energia no SIN, com um modelo de operação detalhado considerando a representação dos fluxos de potência na rede e as gerações, sob diferentes cenários prospectivos futuros;
- Avaliar as necessidades de adequação da base regulatória e impactos comerciais diante da introdução da produção de renováveis intermitentes no grid;
- Avaliar os impactos nas distribuidoras e transmissoras devido às maiores necessidades de flexibilidade operativa, manobras mais rápidas e maiores disponibilidades de reserva e serviços ancilares.
Justificativas
A expansão das fontes renováveis com produção intermitente na matriz energética brasileira é um cenário que traz desafios no aspecto operativo do Sistema Interligado Nacional (ONS), no aspecto regulatório (ANEEL; MME) e no aspecto comercial para os agentes. Em especial, a previsão do aumento expressivo da participação eólica na matriz de energia elétrica, dos atuais 1,5% para 9,5% em 2022, com grande variação regional enseja a ampliação da pesquisa e capacitação técnica para atuação neste novo cenário, de forma similar ao que já vem acontecendo em diversos países que experimentaram esse processo.
Trata-se de um problema que ocorre em diversas regiões do mundo, pois os sistemas de potência em operação atualmente não foram projetados para incorporar a penetração em larga escala de fontes renováveis intermitentes. No entanto, a penetração dessas fontes em quantidades expressivas nos sistemas de potência é uma tendência mundial, em especial nos países europeus e nos Estados Unidos, e também no Brasil que, com a adição de 2,764 GW em 2014(aumento de 126,7%), já se colocou no conjunto dos 4 países com maior capacidade adicionada de geração eólica em 2014.
Outra característica é o menor tempo de construção das usinas eólicas e solares, o que pode trazer problemas aos sistemas existentes, que ainda não dispõem da flexibilidade necessária para lidar com dois componentes importantes da geração intermitente associada às renováveis - a controlabilidade limitada e a baixa previsibilidade.
No contexto delineado, o projeto de P&D ora apresentado visa trazer uma contribuição expressiva para permitir a modelagem e a avaliação da entrada e expansão das fontes renováveis de produção intermitente no Sistema Interligado Nacional, com abordagem do aspecto operativo, regulatório e comercial.
Destaque sobre as Inovações e Ineditismo do Projeto
O projeto apresenta as seguintes características de inovação e originalidade:
- Modelagem do efeito da entrada das fontes intermitentes no sistema interligado nacional, com avaliação dos seus impactos em escala de discretização de curtíssimo prazo que permita capturar intervalos de tempo com ausência de produção eólica, ou grande variações em curto intervalo de tempo;
- Simulação das manobras operativas necessárias para compensar a ausência de produção eólica ou garantir que a sua variabilidade não traga prejuízos à qualidade da energia suprida;
- Avaliação das necessidades de reforços nos sistemas de transmissão regionais, de maneira a mitigar os efeitos da variabilidade ou dificuldade de previsão da produção das fontes intermitentes.
Os aspectos mencionados anteriormente serão integrados em plataforma de simulação, com todas as representações e complexidades já existentes da operação do SIN, incluindo etapa de representação dos fluxos de potência na rede (modelo DC na etapa de otimização e modelo de fluxo AC na etapa de simulação). O modelo poderá ser usado em diferentes cenários prospectivos da evolução do SIN e seus subsistemas (demanda, crescimento regional diferenciado, penetração das eólicas sob diferentes cronogramas e localização espacial, efeito da entrada de reforços no sistema de transmissão). Assim, caracteriza-se um conjunto integrado de contribuições que tornam o produto final uma ferramenta única no cenário nacional, de apoio ao planejamento da operação e expansão do sistema elétrico.
A comparação com outros projetos de pesquisa e desenvolvimento, com avaliação da penetração de fontes intermitente para grandes sistemas de potência (exs. Costa Leste da America do Norte; continente Europeu) revela um grau de detalhamento maior da proposta de pesquisa ora apresentada, com representação em escala de minutos, e integração de duas etapas do problema de fluxo de potencia no grid, incluindo a otimização DC e simulação AC. Caracteriza-se, pois, o ineditismo da pesquisa, em nível mundial.
Relevância e benefícios para as empresas e para a sociedade
O presente projeto apresenta benefícios para as empresas participantes disponibilizando uma ferramenta que permitirá tanto simular com antecedência o impacto de novas regras operativas e regulatórias para cada agente em suas unidades geradoras, transmissoras ou distribuidoras quanto realizar um estudo mais detalhado, com base no conhecimento mais apurado do grid nacional, para melhores decisões sobre a possibilidade de participação em novos empreendimentos de geração e transmissão.
Benefícios para as empresas geradoras
Conforme localização do ponto de conexão, poderão ser simulados cenários que permitam avaliar as possibilidades de geração para atendimento de restrição elétrica, nos casos em que a usina não estiver despachada por mérito, ou de não geração, nos casos em que estiver despachada por mérito. Desta forma é possível estimar a frequência de ligamentos e desligamentos, bem como o tempo de despacho para cálculo de custos de manutenção e dimensionamento de equipe de operação para, por exemplo, fazer frente à inserção das eólicas em uma determinada localidade do grid.
No caso de usinas eólicas, a ferramenta permitirá verificar a capacidade de geração exportada efetiva de um parque gerador em diferentes pontos de conexão do sistema elétrico, considerando as restrições elétricas, as variações dos ventos e a existência de outras fontes para mitigação de intermitência.
Com o detalhamento da analise elétrica para discretização de curto intervalo de tempo, de até 5 minutos, as empresas poderão avaliar qual o impacto na rede da implantação de baterias, ou outras fontes de armazenamento, como hidroelétricas reversíveis. Com este nível de detalhamento, é possível obter como resposta os custos locacionais marginais de cada barra do sistema elétrico em função do tempo de simulação, possibilitando outra visão da utilização do sistema.
Benefícios para o ONS e órgãos de planejamento
Do ponto de vista do ONS e dos órgãos de planejamento, a ferramenta permitirá um aprimoramento nos processos de planejamento da expansão, uma vez que possibilitará a realização de uma análise elétrica detalhada, para uma dada regra de operação, do funcionamento do sistema elétrico em cenários com projeções de crescimento da carga e expansão da geração e da transmissão, assim viabilizando estudos quanto à:
- Simulação da Instalação de Novos Geradores
- Identificação de Gargalos na Infraestrutura de Transmissão, Sub-Transmissão ou Distribuição
- Aspectos Locacionais das Usinas Intermitentes que Impactam a Segurança da Energia Garantida do Conjunto
Benefícios quanto à Formação de Pessoal e Divulgação Científica
O projeto prevê a formação de 6 mestres, 2 doutores e 1 pós-doc nos temas relacionados à Geração Intermitente e modelagem do grid. São previstas as divulgações científicas em revistas internacionais de alto e de médio impacto, assim garantindo visibilidade quanto aos resultados do projeto. Adicionalmente, os treinamentos com professores da Policonsult, por meio da realização de workshops e mini-cursos regulares, ampliam as alternativas de capacitação de pessoal, que será extensiva ao pessoal das empresas participantes e convidadas.
Benefícios globais e para a sociedade
O projeto de P&D como um todo e, em especial o modelo IRIS proporcionarão aos agentes do sistema a criação de políticas de operação do SIN mais detalhadas que, irão minimizar, por exemplo, a chance de ocorrência de apagões (ou até mesmo micro-apagões localizados) diante da progressiva mudança da matriz energética que ocorrerá nos próximos anos. Esta mitigação de risco de ocorrência de apagões será um benefício claro não somente para os agentes do setor elétrico brasileiro, como para a sociedade, assim reforçando a relevância e a oportunidade do projeto.