METODOLOGIA PARA ESTIMATIVA DE POTENCIAL HIDROELÉTRICO REMANESCENTE

1. CAPACITAÇÃO E TRANSFERÊNCIA DE TECNOLOGIA PARA PROSPECÇÃO DE POTENCIAIS HIDRELÉTRICOS METODOLOGIA PARA ESTIMATIVA DE POTENCIAL HIDROELÉTRICO REMANESCENTE Parte 1: Conceitos e Metodologia Dante Gama Larentis, Eng. Civ., MsC., Dr. dantelarentis@yahoo.com.br www.larentis.eng.br Foz do Iguaçu, Agosto de 2012

2. escala de análise prazo dos estudos estágio de implementação regional (bacia hidrográfica) local (projeto) indeterminado 2 anos 1 ano 6 meses 1 ano 4 anos > 50 anos Estudos preliminares Estudos de inventário Estudos de viabilidade Leilão de conceção Projeto Básico Construção Operação 1 4 6 8 2 Aprovação ANEEL Aprovação ANEEL Aprovação ANEEL Registro ANEEL 9 3 5 7 Aprovação ANEEL Aprovação AA* Licença Operação Aprovação AA* Licença Prévia Aprovação AA* Licença Instalação Resgistro ANEEL e AA* CONCEITOS Etapas do planejamento do setor hidrelétrico* Hydrospot *Adaptado do Manual de Inventário Hidrelétrico 84 GW 101 GW 75 GW 260 GW

3. CONCEITOS Esquema do funcionamento de uma central hidrelétrica NAmax Op. DepMax Vu Hb NAmin Op. Qt

4. CONCEITOS Cálculo do potencial hidrelétrico (energia média gerada) Metodologia do Manual de Inventário Hidrelétrico (Estudos Preliminares) Eficiência (0,9) e correção de unidades Metodologia do Manual de Inventário Hidrelétrico (Estudos Finais) Simulação da série histórica para o período crítico considerando o reservatório cheio no início da simulação e vazio no final

5. CONCEITOS Energia assegurada x Energia firme x Potência instalada 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. 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). 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.

6. CONCEITOS Energia média x Potência instalada (fator de capacidade) Qpmax Q Não é economicamente viável! Qmlp MVR (~70% Qmlp) Q95 Em (MWm) Benefícios t Pi (MW) Custos fc B/C Há um fator de capacidade ótimo abaixo da Qmlp que depende da capacidade de regularização do rio.

7. CONCEITOS Aquisição de dados básicos CARTOGRAFIA (CURVAS DE NÍVEL) SÉRIE DE VAZÕES MODELOS DIGITAIS DO TERRENO SRTM VAZÕES REGIONALIZADAS CHUVA-VAZÃO

8. HYDROSPOT 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.

9. Definição e caracterização da área de estudo (bacia hidrográfica) Avaliação técnico-ambiental distribuída 2* 1 Mapeamento temático Pré-processamento do MDT Composição de indicadores População do sistema Avaliação energética distribuída 3 Análise hidrológica Prospecção de potenciais Avaliação ambiental e energética integrada 4 Vetor de alternativasde projeto Seleção de alternativas sem restrições Seleção de alternativas cenário base Seleção de alternativas c/ objetivo = PGV Obtenção do potencial viável na bacia (PGV) Obtenção da divisão final de quedas Obtenção de PTH e FTH HYDROSPOT Esquema metodológico geral *Neste caso, será realizada a parte. fragilidades Banco dados externo pressões Divisão final de quedas Otimização energética e análise econômica 5 Cálculo da séries de vazão de 30 anos Simulação e otimização energética Cálculo da relação custo/benefício

10. 1 1 64 221 1 128 228 8 8 32 210 4 1 216 16 1 209 16 4 2 4 214 16 1 201 8 8 2 229 32 1 1 Definição e caracterização da área de estudo 1.1. Pré-processamento do MDT MDT SRTM 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). MDT corrigido Acumulação de fluxo Direções de fluxo 212 8 3 ?

11. 1 Definição e caracterização da área de estudo 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)

12. 1 Definição e caracterização da área de estudo 1.2. População do sistema Rodovias Hidrografia Classificação do uso do solo (alta resolução) Mapa UCs Área Influência Linhas de transmissão (alta tensão) Ferrovias

13. 1 Definição e caracterização da área de estudo 1.3. Análise hidrológica 1.3.1. Simula inundação nas seções de estações fluviométricas 1.3.2. Obtém relação Cota-Área-Volume 1.3.3. Estima Máxima Vazão Regularizável (MVR) (% Qmlp) 1.3.4. Ajusta equação de regionalização ou 1.3.5. Regionaliza MVR, Q95 e Qmlp para todos os pixels

14. 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) Localização do eixo do barramento e casa de força, p/ bacias = n , 1 Identificação do eixo do barramento (percorre drenagem a jusante com um passo de distância DJ) Definição do local da casa de força (varre buffer de raio CMA em torno do eixo do barramento p/ p=1,q) Pixel é área excluida S x HTp > S x HTp-1 Seleciona próximo pixel Seleciona pixel p NO NO YES YES NO YES NO Pixel p é área excluida pixel é o exutorio bacia n p = q NO YES YES Inundação do reservatório e desenvolvimento da barragem Verificação potencial bruto Inundação do reservatório e desenvolvimento vertical da barragem Desenvolvimento lateral da barragem Pl (HT) < PBM HB = HB +dHB Pixel é área excluida YES NO HB > MAT NO S < MDA NO Qreg > MVR NO Prospecção concluída YES YES YES YES Vetor de alternativas

15. 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 3.1. Localização do eixo do barramento Perfil longitudinal

16. Parque 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 3.1. Localização do eixo do barramento Ex. busca DJ = 600 m • - busca é ordenada de • acordo com a hierarquia • de Otto bacias, de • montante 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. DJ Parâmetro do modelo

17. 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 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

18. 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 3.3. Verificação do potencial bruto 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. Potencial bruto mínimo (PBM) em MWm Eficiência (0,9) e correção de unidades Parâmetro do modelo Vazão assegurada Q95 (m3.s-1) Queda d’água devido ao desnível do terreno (m)

19. NAmax dH NAmin 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 3.4. Desenvolvimento da barragem e inundação do reservatório 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 . Parâmetro do modelo Parâmetro do modelo

20. 32 64 128 16 1 4 8 2 Margem do Margem do Se Cota > NA Barramento Barramento sentido hor sentido hor á á rio rio conclu concluído! í í do 1 1 2 2 o o 2 2 passo passo : : 5 5 sentido hor sentido hor á á rio rio 4 4 3 3 1 1 2 2 o o 3 3 passo passo : : sentido sentido 7 7 3 3 anti anti - - hor hor á á rio rio 6 6 5 5 4 4 Margem do sentido Margem do sentido 1 1 º º passo: passo: anti anti - - hor hor á á rio rio pixel de pixel de referência referência a a jusante do eixo jusante do eixo NAmax NAmax NAmax NAmax – – 1dH 1dH dH dH NAmin NAmin 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 3.4. Desenvolvimento da barragem e inundação do reservatório Direções de fluxo 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. H = 1dH H = 2dH H = 4dH

21. 3 Avaliação energética distribuída (prospecção de potenciais) 3.4. Desenvolvimento da barragem e inundação do reservatório Passo 1: achar pixel de maior cota fora da calha em ambas as direções (horária e anti) a partir do pixel eixo do barramento Passo 2: apenas quando ainda está na calha, caso todos vizinhos tenham a mesma cota do eixo, anda na perpendicular à direção de fluxo Pixel elevation ≤ DH Dam axis Find downstream pixel Perpendicular orientation Clockwise rotation (a) (b) Dam ends elevation < HB Dam ends elevetion ≥ HB Passo 3: quando sai da calha, passa a procurar o vizinho de maior cota nas duas direções, até superar o nível d’água estipulado Passo 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 Pick highest pixel Check neighbors elevation Dam development accomplished for given water level (c) (d)

22. Seleção de alternativas 4 Avaliação energética e ambiental integrada • 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. O produto é a divisão final de quedas sem qualquer restrição ao desenvolvimento. • 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.

23. HYDROSPOT 4 Avaliação energética e ambiental integrada (seleção de alternativas) Teste de interferência de alternativas i, p/ i = 1 , n (número de alternativas implantadas = j) Vetor de alternativas Teste interferência por curto-circuito Pré-seleção Teste interferência por inundação Alternativa i selecionada Inventário com j alternativas implantadas Curto-circuita usina implantada Inunda usina implantada NO NO NO Vetor de alternativas vazio i = n YES YES Regularização de vazões e otimização de potenciais em iterações k, p/ k = 1 , m p/ i = 1 , n PTAk= PTAk-1 YES YES NO Regulariza vazões Alternativas i = 1, n Inventário com j alternativas implantadas 1a iteração Otimiza relação QxH Alternativas i = 1, n PTA = Ʃ Pli i=j i=1 Inventário concluído

24. 4 Avaliação energética e ambiental integrada 4.1. Teste de interferência por inundação Supondo a alternativa 1 sob teste e a 2 já implantada Supondo a alternativa 2 sob teste e a 3 já implantada

25. 1 1 A A E E F F B B 3 3 D D C C 2 2 4 Avaliação energética e ambiental integrada 4.2. Teste de interferência por curto-circuito

26. 4 Avaliação energética e ambiental integrada 4.3. Otimização de potencial por alternativa e regularização de vazões 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: Eficiência (0,9) e correção de unidades Potencial líquido em MWatts médios (MWa) Vazão turbinada (m3.s-1) Queda d’água acumulada hipotética (m) ? ? ? ?

27. 4 Avaliação energética e ambiental integrada 4.3. Otimização de potencial por alternativa e regularização de vazões Depleção = dH 3 2 1 Qutil=V/t VMR n n-1 Hlm 3 Q95 3 2 1 2 1

28. 4 Avaliação energética e ambiental integrada 4.3. Atualização do vetor de alternativas Planta eliminadas na alça de vazão reduzida Vetor de alternativas Planta eliminadas no remanso da alternativa aceita Planta aceita Demais alternativas no mesmo sítio

29. 4 Avaliação energética e ambiental integrada 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

30. 5 Otimização energética e análise econômica Cálculo de benefícios BA = 8760. Pr. Ea/106 Onde BA e o beneficio anual em milhoes de US$; Pr e o preco estimado da energia vendida em US$/MW; Ea e a energia assegurada da serie em MW. 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 a alteração da potencia em R$ milhoes; CV é a parte do custo que varia com a potencia em R$ milhoes; Com é o custo de Operação e Manutenção com relacao ao custo final; FT e o fator a ser pago anualmente pelo investimento na obra. No custo da obra e incorporado o juros do investimento no periodo da obra. Este tema será abordado no próximo encontro.

31. ESTUDO DE CASO: RIO TAQUARI-ANTAS - RS Estudos de inventário CEEE (1993) Estudos ambientais FEPAM (2001)

32. 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.

33. PROSPECÇÃO 79 sítios 94 alternativas c/ 552 MWa 56 plantas c/ 467MWa RESULTADOS SELEÇÃO 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. AAI 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.

34. 79 sítios 94 alternativas c/ 552 MWa 56 plantas c/ 467MWa 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:

35. 79 sítios 94 alternativas c/ 552 MWa 56 plantas c/ 467MWa 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; • 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).

36. 2600 m RESULTADOS

37. 7600 m RESULTADOS

38. RESULTADOS

39. RESULTADOS

40. RESULTADOS

41. 79 sítios 94 alternativas c/ 552 MWa 56 plantas c/ 467MWa RESULTADOS Resultados da seleção • Os resultados de PTHforam: • - 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).

42. RESULTADOS

43. RESULTADOS

44. 79 sítios 94 alternativas c/ 552 MWa 56 plantas c/ 467MWa RESULTADOS Resultados da seleção • 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. Total de 90 plantas PGV = 69% do PTH PGV = 508 MWa