Avaliação do efeito de usinas eólicas sobre a capacidade de regularização de um sistema hidrelétrico

Abstract

Resumo: A participação da energia eólica na matriz energética brasileira tem aumentado consideravelmente. Dentre os principais desafios técnicos oferecidos por esse tipo de energia se encontram a variabilidade e a incerteza do vento, que exigem atenção na operação e no planejamento do sistema elétrico e não permitem uma regularização própria. Para garantir uma geração firme é necessário dispor de outra fonte com capacidade de regularização que complemente a energia eólica, tal como a geração hidráulica, usando a energia armazenada nos reservatórios de regularização do sistema hidrelétrico. A presente dissertação procura quantificar os impactos na energia armazenável e a perda de energia firme de um sistema hidrelétrico ao usar parte dos reservatórios hidrelétricos para regularizar a geração eólica. O problema foi analisado através de um estudo de caso considerando o sistema hidrelétrico da bacia do rio São Francisco, que possui 97% da capacidade de armazenamento da região Nordeste, e um parque eólico fictício localizado no município brasileiro de Parnaíba, no extremo norte do Estado do Piauí. Para o sistema hidrelétrico foram utilizados dados mensais de vazão natural e para a geração eólica foram utilizados dados horários de velocidade de vento. Para a avaliação da energia hidrelétrica foi aplicado o Método da Energia Natural e foram geradas séries sintéticas a partir de um modelo Markoviano de primeira ordem. Para a avaliação da geração eólica foram gerados diferentes cenários a partir de um incremento gradual da potência instalada do parque eólico e do aumento gradual da variabilidade do vento alterando o Coeficiente de Variação da série de velocidade de vento. A máxima potência dos cenários avaliados delimitou-se em base à capacidade eólica instalada atualmente no Nordeste e o máximo incremento do Coeficiente de Variação foi determinado com base no comportamento do vento em diferentes regiões do Brasil. A avaliação hidroeólica foi baseada na determinação e no uso das Curvas de Regularização do sistema hidrelétrico e dos diferentes cenários de geração eólica determinados. Os resultados para os sistemas avaliados mostram que, em porcentagem, a máxima redução do armazenamento hidrelétrico para garantir uma energia firme eólica com um nível de regularização de 90% é de 28%, representando uma redução de 8,6% da energia firme hidrelétrica. Os resultados também mostram que a variabilidade na produção horária de energia eólica tem um grande impacto no âmbito energético já que para um nível de regularização eólica de 90%, o armazenamento se reduz em 41%, representando uma redução de 12,7% da energia firme eólica para o cenário com maior incremento do Coeficiente de Variação na série de velocidade de vento. Palavras-chave: Energia eólica. Complementação hidroeólica. Regularização de vazões.

Abstract: The participation of wind power in the Brazilian energy matrix has increased considerably. One of the main technical challenges offered by this type of energy is the wind variability and uncertainty, which requires attention in the operation and planning of the electric system and does not allow proper energy regulation. To guarantee a firm generation it is necessary to have another source with regulation capability that complements the wind energy, such as a reservoir-based hydroelectric system. The importance of water storage is increasing and a careful analysis is needed so that the system guarantees supply in the most critical situations. The main purpose of this work is to analyze the impacts on water storage and the loss of firm energy in a hydroelectric system by the use of hydroelectric reservoirs to regulate wind generation. The problem was analyzed via a case study considering the hydroelectric system of the São Francisco river basin, which has 97% of the water storage capacity of the Northeast region, and a fictitious wind farm located in the Brazilian municipality of Parnaíba, in the State of Piauí. For the hydroelectric system monthly natural flow data where used and for the wind generation hourly wind speed data were considered. For the hydroelectric evaluation, the Natural Energy Hydrograph method was applied, together with a first order Markovian model to synthetic series generation. For the evaluation of wind generation, different scenarios were obtained from a gradual increase of the wind farm installed capacity and the gradual increase of wind variability by increasing the wind speed series coefficient of variation. The maximum installed capacity of the wind farm's scenarios was delimited based on the actual wind energy installed capacity of the Northeast region. The maximum increase of the coefficient of variation was determined based on the wind behavior in different regions of Brazil. The hydro-wind evaluation was based on the determination and use of the Regularization Curves of the hydroelectric system and the different wind generation scenarios. The results show that, in percentage, the maximum reduction of hydroelectric water storage to guarantee a firm wind energy with a 90% regularization level is 28%, representing a reduction of 8,6 % of the hydroelectric firm energy. The results also show that the variability in the hourly production of wind energy has a great energy impact since at a level of wind regulation of 90%, the hydroelectric water storage reduces by 41%, representing a reduction of 12,7% of the hydroelectric firm energy for the scenario with the greatest coefficient of variation increase in the wind speed series. Keywords: Wind energy. Hydro-wind complementation. Streamflow regulation.