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Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Estrutura de um Sistema Elétrico
Fernando Umbria
4 de abril de 2018
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Agenda
Características gerais e conceitos importantes
Fundamentos da operação do sistema elétrico
A importância do planejamento setorial
As principais fontes de energia e suas características
Matriz de energia elétrica brasileira vs. matriz elétrica no mundo
A evolução do setor elétrico nos últimos 20 anos
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Estrutura básica do sistema elétrico
(dez/2017)
CONSUMIDOR
LIVRE
Mais de 4.900 usinasCapacidade: 157 GW
Rede Básica ≥ 230 kV130 mil km em linhas8 empresas = 80% da RB
Rede ≤ 138 kV64 distribuidoras130 cooperativas de eletrificação rural81,8 milhões de UC (consumidor cativo)
5.192 Consumidores(874 livres; 4.318 especiais)
219comercializadoras
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Lei Nº 9.648/98 ASMAE e ONS –Contratos iniciais e Reestruturação
1988 ...
Implantação da ANEEL
1999 2000 2001 2002
Lei nº 10.433/02MAE
Lei Nº 9.427/96 ANEEL
Constituição Federal(art. 175)
Lei Nº 9.478/97 – CNPE e Políticas de Energia (Petróleo)
Lei Nº8.631/93 Início da competição
Lei nº 9.609/95 c/c 10.192/01
Plano Real
Lei nº 9.986/00 RH - Agências
Lei Nº 9.074/95 Reestruturação da Eneriga Elétrica –PIE e CLivres
1993
Lei nº8.987/95 Incremento da competição
Lei nº 7.990/89 – 8.001/90 –9.984/00 e 9.993/00
Compensação Financeira
2000 2003 2004
Lei nº 9.784/99 Proced. na Adm. Pública
Lei nº 9.991/00 Efic. Energ.
Lei nº 10.214/01Câmaras Comercialização
Lei nº 10.295/01Política Cons. e Uso de Energia
Lei nº 10.310/01
Bônus da GCE
GCE MP nº 2.198/01ago/01 a mar/02
Lei nº 10.438/02Expansão da OfertaRTE e Leilões
Lei nº 10.604/02Empréstimos Baixa Renda e comercialização
Lei nº 10.762/03Programa Emergencial de Apoio e Leilões
Lei nº 10.833/03CCC isol. 2009
Lei nº 10.847/04EPE
Lei nº 10.848/04Novo Modelo
Lei nº 10.871/04RH - Agências
Lei nº 11.079/04PPPs
1995 1996 1997 1998...
Lei nº 11.488 Criação do REIDI
2007...
Lei nº 11.943/09Participação da União no FGEE
2010 2013
Lei nº 12.783/13Renov. de concessões, reduçãode encargos e tarifas de energia
Lei nº 12.111/09Serviços de Energia Sistemas Isolados
2009
Lei nº 12.212/10Tarifa Social de Energia Elétrica
...
Marco Legal do Setor Elétrico
2015...
Lei nº 13.201/15Repactuação do risco hidroló-gico e bonificação de outorga
2016
Lei nº 13.280/16Aplic. Efic. Energ.
Lei nº 13.299/16Alterações diversas
Lei nº 13.360/16Alterações diversas
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Instituições do setor elétrico
ANEELAgência Nacional de Energia ElétricaLei nO 9427/1996
CCEECâmara de
Comercialização de Energia
ElétricaDec. nO 5177/2004
EPEEmpresa de
Pesquisa Energética
Dec. nO 5184/2004
MMEMinistério de
Minas e Energia
ONSOperador Nacionaldo Sistema ElétricoDec. nO 5081/2004
CMSEComitê de Monitoramentodo Setor ElétricoDec. nO 5175/2004
CNPEConselho Nacional de Política EnergéticaDec. nO 3520/2000
CNPE
CMSE MME EPE
ANEEL
CCEEONS
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Mercado Regulado – ACR e Mercado Livre – ACL
Energia contratada
pelas distribuidoras
para o atendimento
da demanda dos
consumidores
cativos.
Consumidores acima
de 3 MW podem
negociar seus
contratos de energia
diretamente com
geradores e
comercializadoras no
ACL, respeitando a
regra de estar 100%
lastreado por contratos
de energia.
Contratos
resultantes de
leilões
Contratos
livremente
negociados
- Preço Fixo
- Preço Variável
- CCEAR* por disponibilidade
- CCEAR por Quantidade
CCEAR = Contrato de Comercialização de Energia Elétrica no Ambiente Regulado Fonte: CCEE
Mercado de energia
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Aspectos Gerais
Geração (G)
• Produção de Energia
• Corresponde de 35 a 50% do custo total do sistema
• Geradores podem ser acionados por combustíveis diferentes. Há diferença no preço do produto
• Não há diferença no produto
• A produção combina diferentes fontes e combustíveis (competição)
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Aspectos Gerais
Transmissão (T)
• Conexão da Geração com a Carga em alta tensão
• Corresponde a 5 a 15% do custo total
• Os sistemas, normalmente, são AC
• Sobrecarga pode provocar a saída de elementos
• Necessidade do Operador do Sistema
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 9
Aspectos Gerais
Operador do Sistema (Op)
Despacho do sistema em tempo real
Decide a entrada e a saída dos geradores
Tem que manter usinas operando em vazio (reserva girante)
Tem que conhecer (em tempo real) o fluxo em cada linha de transmissão
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 10
Aspectos Gerais
Distribuição (D)
• Conexão entre a transmissão e o consumidor
• Corresponde a 30 a 50% dos custos
• Faz a medição e a cobrança
• Mesmo sendo “fio”, tem característica diferente da G e T
• Gestão da infraestrutura de atendimento bastante complexa (necessidade de grandes redes e atendimento de consumidores com características distintas)
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 11
Aspectos Gerais
Estrutura Tradicional
Integração vertical
Monopólio legal em área de concessão
As empresas podiam ser públicas ou privadas, mas normalmente eram únicas
Em alguns casos (como o Brasil), G e T constituíam um único negócio e vendiam energia para as D (normalmente estaduais).
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 12
Aspectos Gerais
Razões para integração vertical Custo de transação
T e D são monopólios naturais
Coordenação da operação de G e T
Coordenação do planejamento de G e T
Economia de escala na G
As duas primeiras ainda valem
A mudança na última incentivou a entrada de novos G (competição)
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 13
Aspectos Gerais
A empresa monopolista deve ser regulada
Se for do governo (estatal), o próprio governo define a tarifa
Se for privada, um regulador independente determina a tarifa
A independência do regulador deve ser tanto da indústria quanto do governo!
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 14
Aspectos Gerais
Para haver competição as funções devem ser separadas
Como consequência, as tarifas de cada função também devem ser definidas
Cada empresa deve negociar a compra e a venda de energia
Com isso ocorre o aumento do custo das transações
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 15
Verdades Técnicas
Eletricidade não pode ser armazenada
• Geração = Carga a cada instante
• Os preços podem variar muito nos horários de pico
Eletricidade percorre o caminho de menor
impedância
• O consumidor não pode escolher qual o gerador que vai fornecer a sua energia
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 16
Verdades Técnicas
Existem relações físicas complexas que garantem a transmissão da energia
• Um curto circuito em Bauru pode provocar um blecaute no Brasil inteiro.
Eletricidade trafega na velocidade da luz
• O controle deve ser feito em tempo real
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Vantagens da operação interligada
Maior confiabilidade operativa (< variações tensão e de frequência – continuidade)
Maior suportabilidade a perturbações – rede de maior porte – maior inércia
Maior flexibilidade para desligamentos programados – circuitos alternativos
Menor reserva de potência – unidades geradoras operando em sincronismo
Melhor aproveitamento energético – otimização entre bacias hidrográficas – otimização hidrotérmica
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Necessidades de linhas (investimento)
Propagação de distúrbios locais para o SI (sistemas de controle e proteção)
Complexidade administrativa (diversos agentes, conflitos de interesses)
Complexidade técnica (necessidade de sincronismo, conflitos tecnológicos)
Multiplicidade de alternativas de expansão
Complexidade nos estudos de operação (variação das cargas, indisponibilidade, limites operativos, requisitos de operação)
Desvantagens da operação interligada
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
SIN
Sistema de
transmissão
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 21
Aspectos Gerais
Em um sistema competitivo, o operador precisa ser independente!
A operação (ou despacho) é uma atividade “técnica” que tem um certo grau de subjetividade
O operador pode, por exemplo, optar por uma operação mais cara e mais segura
Pode também arriscar, em determinadas situações, não atender ao critério de confiabilidade para uma operação mais barata
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 22
Aspectos Gerais
Operação Elétrica do Sistema
Assegurar a entrega da energia com as condições reais do sistema (geração e transmissão)
Leva em conta a manutenção de equipamentos
Leva em conta as contingências do sistema
Opera em tempo real
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 23
Aspectos Gerais
Operação Energética do Sistema
Decide o combustível (água, gás, petróleo, urânio, etc...)
Qual usina hidráulica deve ser despachada?
Tem que garantir a operação atual e a demanda futura
Dilema: usa água hoje (mais barata) e, se não chover, pode faltar energia elétrica amanhã
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Despacho hidrotérmico
O despacho hidrotérmico ótimo é o que minimiza a soma do custo total = custo imediato + custo futuro (que depende da decisão do custo imediato).
A solução ótima não é gerar toda a disponibilidade hidrelétrica logo no primeiro estágio, embora ela tenha custo operativo = zero. Por que?
Porque a hidrelétrica pode transportar energia (armazenar água) de um estágio para outro. Portanto, a geração hidro tem um custo de oportunidade
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Otimização Eletroenergética
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Otimização Eletroenergética
FCF – Função de Custo Futuro
FCI – Função de Custo Imediato
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 27
Importância do planejamento
A carga elétrica cresce com o tempo
Se em uma situação a carga elétrica for maior que a possibilidade de
geração, o sistema entra em colapso
É preciso prever a carga futura para ter capacidade de atendimento
É indispensável o PLANEJAMENTO da
expansão do SE
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Importância do planejamento
A implantação de uma nova usina é demorada (cinco
anos ou mais)
Necessidade intensiva de capital
Necessidade de avaliar qual serão
as fontes primárias de energia
Reforçando: é indispensável o
PLANEJAMENTO da expansão do SE
28
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica 29
Objetivo do planejamento da expansão
• Alocação temporal (quando) e espacial (onde) das capacidades de geração e transmissão necessárias para atender ao crescimento da demanda ao longo do horizonte de planejamento (curto, médio e longo prazos), de modo a assegurar o atendimento do mercado, dentro de padrões pré-estabelecidos de qualidade (risco de déficit), a mínimo custo
Objetivo do planejamento da operação
• Determinação de uma estratégia de operação em cada usina que minimize o valor esperado dos custos operativos (combustível/déficit de energia) no período de planejamento
Objetivos do planejamento
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Longo Prazo(> 20 anos)
Médio Prazo(10 anos)
Planejamento da Operação
(5 anos)
Programação da Operação
(Mensal/Semanal/Diária)
Supervisão e Controle(Horária)
Avaliação dos
Intercâmbios(Pós-operação)
PLANEJAMENTO DA EXPANSÃO(Estratégico)
EPE
PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO(Tático)
ONS
Processo de planejamento
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
A energia elétrica é uma fonte secundária de energia – não é encontrada na natureza de forma disponível para o consumo
Precisa ser obtida a partir da transformação de outras fontes energéticas (renováveis ou não-renováveis)
Fontes de energia
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Energias Renováveis
Energia
solar
Utilização
direta
Conversão termo-solar
Conversão fotovoltaica
Utilização
indireta
Quedas d’água
Vento
Biomassa
Ondas do mar
Calor dos oceanos (gradiente térmico)
Correntes oceânicas
Conversão fotoquímica
Aquecimento armazenado (bomba de calor)
Energia
das marés
Aproveitam a diferença de nível entre as marés alta e
baixa causadas pela força gravitacional da lua e do sol
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Energias Não-Renováveis
Combustíveis
fósseis
Turfa
Carvão mineral
Petróleo
Gás natural
Xisto betuminoso
Areia betuminosa
Utilizados em combustão para
geração de energia mecânica
Combustíveis
nucleares
Urânio
Tório
Deutério
Lítio
Plutônio
Utiliza-se a energia das
reações nucleares para a
geração de energia térmica
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Capacidade Instalada (31/12/2017)
TipoNº de usinas
Potência inst.(MW)
%Potência
média (MW)
Usina Hidrelétrica – UHE 221 94.662 60,3 428
Pequena Central Hidrelétrica – PCH 432 5.020 3,2 12
Central Geradora Hidrelétrica – CGH 658 594 0,4 0,9
Total hidrelétricas 1.311 100.276 63,9 76
Gás 167 13.020 8,3 78
Biomassa 550 14.561 9,3 26
Petróleo 2.268 10.173 6,5 5
Carvão Mineral 26 3.727 2,3 143
Outros 1 147 0,1 147
Total termelétricas 3.012 41.628 26,5 14
Usina Termonuclear – UTN 2 1.990 1,3 995
Usina Eólica – EOL 501 12.283 7,8 25
Usina Fotovoltaica – UFV 81 935 0,5 12
TOTAL 4.907 157.112 100 32Fonte: ANEEL
Como oferta de energia elétrica, há, ainda, as importações que totalizam 8.170 MW:
Paraguai (5.650 MW), Argentina (2.250 MW), Venezuela (200 MW) e Uruguai (70 MW)
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Fonte: ANEEL
Capacidade Instalada (31/12/2017)
UHE60,3%
PCH3,2%
CGH0,4%
Gás8,3%
Biomassa9,3%
Petróleo6,5%
Carvão2,3%
Outros0,1%
UTN1,3%
EOL7,8%
UFV0,5%
Hidrelétricas63,9%
Térmicas26,5%
Nucleares1,3%
Eólicas7,8%
Fotovoltaicas0,5%
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Matriz Brasileira x Matriz Mundo
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Matriz Brasileira x Matriz Mundo
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Geração por Fonte
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Evolução da capacidade
instalada no Brasil
Fonte: EPE, Aneel
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
160.000
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Capacidade Instalada
Usinas Hidrelétricas PCH CGH Usinas Eólicas Solar Usinas Termelétricas Usinas Nucleares
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Total 102.949 110.444 116.383 117.136 120.974 126.743 133.913 140.858 150.338 157.112
Usinas Hidrelétricas 74.901 76.781 78.610 78.347 79.956 81.132 84.095 86.366 91.499 94.662
Usinas Termelétricas 22.999 27.481 30.784 31.243 32.778 36.528 37.827 39.564 41.275 41.628
PCH 2.490 3.400 3.868 3.896 4.101 4.620 4.790 4.886 4.941 5.020
CGH 154 173 185 216 236 266 308 398 484 594
Usinas Nucleares 2.007 2.007 2.007 2.007 2.007 1.990 1.990 1.990 1.990 1.990
Usinas Eólicas 398 602 928 1.426 1.894 2.202 4.888 7.633 10.124 12.283
Solar 0 0 1 1 2 5 15 21 24 935
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica Fonte: EPE
LPS
Evolução da capacidade instalada
(PDE 2026)
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica Fonte: EPE
LPS
Evolução da capacidade instalada
Participação das fontes
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Produção de energia elétrica no Brasil
Fonte: EPE
* Preliminar
17,6% 23,0% 29,4% 34,5%35,8%
80,6%
5,8%0,5%
75,2%
0,9% 1,2% 3,7%2,1%
68,5% 63,2% 61,9% 65,8%
31,8%
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Produção de energia elétrica no Brasil
94% 89% 91% 92% 89% 92% 92% 93% 89% 93% 89% 91% 86% 79% 71%73%
Proporção de geração hidráulica
73% 70%
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Estoque de água no SIN
A capacidade de estocar água nos reservatórios tem crescido em velocidade menor que o crescimento da carga (impossibilidade de se implantar usinas com grandes reservatórios).
O crescimento da carga após o racionamento 2001/2002 foi de 74%.
Já o crescimento da capacidade máxima de armazenamento foi de apenas 23% no mesmo período.
A evolução do consumo seguiu sua tendência histórica, exceto nos momentos de crise econômica. Atualmente se observa uma acentuação das variações sazonais.
LPS
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Estoque de água no SIN
LPS
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Aumento da amplitude de uso dos
reservatórios
• A redução da capacidade de armazenamento tem provocado um uso mais intenso dos reservatórios.
• Além disso, há sinais de que pode estar havendo um uso mais acentuado dos usos consuntivos (abastecimento e irrigação) em importantes bacias do país e de que a operação hidrelétrica está menos eficiente.
A ocorrência de hidrologia adversa (mesmo em períodos mais curtos) passa a ter efeitos muito mais severos no futuro.
Mas porque não geramos mais a partir das termelétricas?
LPS
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
Geração termelétrica
• Em 2014 e 2015, o ONS despachou todas as térmicas disponíveis em algumas situações, porém, o parque termelétrico no Brasil não é adequado para geração por longos períodos
Resultado: Forte impacto sobre o Custo Marginal de Operação
Máx. CMO: 2013: 555 R$/MWh2014: 1.778 R$/MWh2015: 2.159 R$/MWh2016: 477 R$/MWh2017: 860 R$/MWh
LPS
Instrutor: Fernando UmbriaCurso: Estrutura e Funcionamento do Setor de Energia Elétrica
OBRIGADOFernando Umbria
61 98463-3137