Definições em hidroeletricidade

O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil, definido como Sistema Interligado Nacional (SIN), apresenta uma participação de Usinas Hidrelétricas (UHEs) superior a 75% da capacidade instalada do parque gerador, com complementação termelétrica. A interdependência operativa entre as usinas, a interconexão do sistema de transmissão e a integração desses recursos para o atendimento ao mercado de energia e à demanda formam a base para que a operação do SIN seja realizada de forma centralizada através do Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS).

Devido ao grande porte do SIN, faz-se necessário reduzir agrupar os pontos medidores de vazão / geradores de energia em subsistemas e reservatórios, conforme descritos na lista de postos (link abaixo) e no mapa a seguir (maiores informações ao longo do texto):

Lista de postos do ONS (planilha online)

O mapa indica a localização e outras informações das UHEs, separadas em subsistemas (camadas) e REEs (cores), cuja lista à esquerda contém os postos seguindo a ordem de seu número no ONS (UID). Para mais mapas com informações de UHEs, PCHs e outros pontos de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, veja esse link da ANEEL. O site do ONS também possui um mapa dinâmico do SIN, que contém Linhas de transmissão, Usinas, Subestações, ONS e Sistemas isolados, além de outros mapas para download.

Postos do ONS

Um posto hidrométrico é um local de medição de água por equipamentos especificamente projetados para medir os processos hidrológicos, também chamado de fluviométrico quando mede a vazão dos rios e pluviométrico quando mede chuvas. Muitas usinas possuem o seu número de referência igual ao código do posto de medição de vazões, mas esta não é uma regra que pode ser aplicada a todas as usinas.

A atividade humana ao longo das bacias hidrográficas altera o valor das vazões de forma artificial. Por exemplo, ao construirmos uma represa, a vazão do rio a jusante será modificada mesmo que o regime hidrológico da bacia não tenha mudado. Por isso, as séries de vazão medidas são processadas e transformadas nas séries de vazão natural afluente. Teoricamente, esta nova série de vazões equivale à série histórica de vazões que existiria se não houvesse nenhuma intervenção humana.

O ONS dispõe de séries de vazões naturais diárias e semanais para alimentar os modelos de previsão de vazões e controle de cheias. É utilizado um subconjunto de postos (ou aproveitamentos) de cada bacia, denominados de postos base, lançando-se mão do uso de relações de regressão entre estes postos base e os postos nos locais dos demais postos para complementar as previsões de vazões para todo o SIN.

A regionalização de vazões pode ser usada com o objetivo de disponibilizar informações hidrológicas em locais sem dados ou com poucas informações disponíveis. Nela, é feita uma relação das vazões de um posto para outro com base na diferença relativa entre as áreas de drenagem. Geralmente, é usada a vazão de um posto a montante (área menor de drenagem) e outro a jusante (com área maior de drenagem) para para construir uma série sintética de dados do posto.

Os postos podem ser classificados como em operação ou em expansão. Dentre os tipos de vazão, existem:

• vazão natural – obtida com a retirada do efeito antrópico, tais como regularizações de vazões realizadas por reservatórios, desvios de água, evaporações em reservatórios e usos consuntivos (irrigação, criação animal e abastecimentos urbano, rural e industrial)
• vazão artificial – considera todos os efeitos da vazão natural; são adotadas apenas no modelo de planejamento de médio prazo, no qual a representação dos subsistemas se faz através de reservatórios equivalentes, não sendo possível considerar as operações de bombeamentos e de desvios decorrentes de regras específicas para algumas bacias
• vazão afluente – aquela que chega a um aproveitamento hidroelétrico ou a uma estrutura hidráulica
• vazão incremental – correspondente a toda vazão lateral captada entre um posto de medição e todos os postos de medição imediatamente a montante deste (incremento de água que está em outra bacia mas que vai chegar nesse ponto de medição)
• vazão turbinada – aquela que passa pelas turbinas e gera energia
• vazão vertida – passa pelos vertedouros da usina e não gera energia (quando não existe espaço para armazenar o excedente de água no reservatório)
• vazão defluente – soma da vazão turbinada e da vazão vertida

Ainda existe o posto fictício, cuja vazão é calculada em um ponto que seria o ideal de medição considerando o posto real mais próximo.

Quando uma usina pode ter a sua jusante dois aproveitamentos distintos, é dita que é uma usina de bombeamento (ex: no desvio do Jordão na Bacia do Iguaçu).

Alguns postos naturais totais devem ser desmembrados em naturais artificiais (como é o caso de Itaipu). Isso acontece porque existem relações de bombeamento entre cada posto dentro de uma bacia (enfeito antrópico). (Adiantando alguns conceitos a serem explicados ao longo do post) Como o modelo Decomp de previsão de vazões enxerga vazões naturais, é preciso criar um posto para atender a essa necessidade. Existem algumas produtibilidades que estão associadas a postos artificiais, como ocorre em Itaipu, e não a postos naturais totais. Assim, é necessário calcular a vazão artificial em postos desse tipo para encontrar os respectivos valores de ENA (que vão contribuir para as ENAs de REEs e subsistemas).

Para diminuir os desvios da previsão de vazão, os seguintes postos passaram a utilizar previsão incremental ao invés de previsão de vazão total: Ilha Solteira (34), Jupiá (245), Porto Primavera (246) e Itaipu (266). Ou seja, deve-se adicionar a vazão de postos a montante no resultado da previsão de cada posto, já que os valores do histórico de cada um refere-se somente ao próprio posto.

O posto de medição de vazões é um código que cada usina possui para acessar as informações do seu registro histórico de vazões no banco de dados do ONS. Muitas usinas possuem o seu número de referência igual ao código do posto de medição de vazões, mas esta não é uma regra que pode ser aplicada a todas as usinas.

O link do início do post aponta para um arquivo contendo uma lista de postos do ONS, com número de referência, nome, rio, bacia hidrográfica, subsistema, REE e cidade mais próxima, além de outras informações: situação (em operação ou nos planos de expansão), tipo de série (natural ou artificial), algoritmo de utilização (se os dados de vazão são valores observados, estimados por regressão ou calculados a partir da vazão de outros postos, cuja fórmula aparece na coluna seguinte) e se o posto possui previsão do modelo chuva-vazão.

Com a adoção da nova topologia D3, ocorreram algumas mudanças nos postos. Por exemplo, para obter a ENA do REE de ITAIPU, são utilizadas as vazões incrementais (verificadas, estimadas e previstas) dos reservatórios de Jupiá (45/245), Porto Primavera (46/246), Taquaruçu (62), Rosana (63) e Itaipu (66/266). De forma a facilitar a reprodutibilidade deste cálculo, o somatório destas vazões incrementais é disponibilizado no arquivo PREVS através do posto 166.

(Atualização 2020) As vazões incrementais de Peixe Angical (257) e Lajeado (273), assim como as de Cana Brava (191) e São Salvador (253), estão sendo modeladas de forma agrupada, da mesma maneira como é feito em Bariri (38/238) + Ibitinga (39/239) e Promissão (40/240) + Nova Avanhandava (42/242). As incrementais desses postos são somadas para elaboração do arquivo STR no posto mais a jusante do agrupamento, ou seja, Peixe Angical e Lajeado, por exemplo, estão sendo previstas pelos arquivos do código de Lajeado (273). Para encontrar a previsão de incremental dos postos do agrupamento basta aplicar nos arquivos de saída do PREVIVAZ do posto representante os coeficientes de distribuição de incremental disponibilizados no SINtegre (REGRESSOES_PMO_2020.xlsx)

A configuração de postos (nome/ID/Subsistema) e valores de produtibilidade foram obtidos através do “Relatório de Previsão de Vazões e Geração de Cenários de Afluências” (Novembro de 2018), “Atualização de séries históricas de vazões” (período 1931 a 2016), que também serviu de fonte para as fórmulas e tipo de série dos postos, e o arquivo CONFHD.DAT (utilizado no modelo NEWAVE, contém o REE de cada posto) – links no final do post. Devido ao horizonte de planejamento considerado, que pode se estender até 5 anos à frente, as séries de vazões devem estar disponíveis não só para todos os locais de aproveitamentos em operação, como também para todos os locais com entrada prevista nesse período, os quais são denominados de aproveitamentos em expansão.

Previsões de vazão

O ONS disponibiliza os valores observados de vazão afluente (em m³/s) diariamente em seu site para todos os postos, agrupados em médias semanais e mensais. Ele também promove previsões da vazão natural afluente (Qnat) em diversos postos. O arquivo gerado com as previsões de vazões naturais é chamado de PREVS. A primeira previsão feita para o mês seguinte é chamada de Programa Mensal de Operação (PMO), onde são previstas as vazões das próximas semanas; nas revisões (REV), são feitas previsões de vazão somente para as semanas seguintes, enquanto que os valores das colunas que passaram são verificadas e copiadas para o próximo arquivo.

Toda semana operativa começa no sábado. O mês civil deve estar todo contido nas semanas selecionadas, começando em um sábado e terminando em uma sexta. Por exemplo, a primeira semana operativa de novembro/2016 foi a de 29/10 a 04/11 e recebe o nome de PMO; a segunda foi de 05/11 a 11/11; e assim sucessivamente. Estas são as revisões semanais e recebem os nomes REV1, REV2, REV3 e REV4 (eventualmente). Veja uma tabela de exemplo com algumas datas e números de revisão no GitHub/semana_operativa.

Além disso, também é considerada a semana com relação ao início do ano, chamada de “ordem da semana” – por exemplo, a semana operativa 42 de 2017 foi entre 21 e 27 de outubro. Veja como trabalhar com dados semanais no R clicando no link.

O arquivo gerado dispõe os resultados para cada posto (linhas) em seis semanas consecutivas (colunas). A primeira coluna do arquivo contém o número da própria linha e a segunda marca o código (ID) do posto. As seis colunas seguintes são dos valores médios de vazão de cada semana, calculadas a partir dos valores diários. A 1ª semana contém dias do mês anterior, que não são considerados na média; o mesmo acontece na última semana, que contém dias do mês seguinte.

A primeira coluna de dados refere-se à primeira semana operativa (PMO), que inclui alguns dias do mês anterior. As quatro colunas seguintes são do próprio mês e a última contém alguns dias do mês seguinte. Quando é realizado o PMO (publicado na quinta-feira que antecede o início da primeira semana operativa do mês, se for dia útil), a primeira coluna de dados recebe a previsão de um modelo chuva-vazão (pois considera também os valores de precipitação) se o posto possuir um modelo de geração dessa variável. Obs.: quando é feriado na quinta ou sexta, os arquivos já são liberados na quarta-feira.

Existem alguns modelos para alguns postos, mas a tendência é adotar somente um modelo para todos os postos – por enquanto, se não tem resultado de modelo chuva-vazão para o posto, a previsão deve começar da própria semana; caso contrário, da semana seguinte. O arquivo de entrada com nome ID.inp contém a ordem da semana na qual deve começar a rodar o modelo (linha 9) – se o valor for igual ao da semana corrente (uma unidade menor que os arquivos de outros postos), não usa chuva-vazão. A partir da segunda semana de previsão, é rodado o Previvaz: um modelo regressivo, baseado no histórico dos valores de vazão.

Se for a primeira revisão (REV1), por exemplo, a primeira coluna do arquivo é copiada/revisada da semana anterior, a segunda coluna é a primeira semana de previsão (que pode receber o modelo chuva-vazão ou o Previvaz) e as quatro colunas seguintes recebem somente a saída do Previvaz. E assim sucessivamente. Veja o esquema na tabela a seguir:

Para mais informações sobre os modelos computacionais utilizados pelo ONS, veja o post sobre Precificação de energia.

Bacias, Reservatórios e Subsistemas

Os postos podem ser agrupados conforme a bacia hidrográfica a qual pertence. Também podem ser agrupados por reservatórios e por subsistemas. Um subsistema contém reservatórios (ou bacias, inteiras ou parcialmente) e um reservatório contém bacias (inteiras ou parcialmente). Existem bacias que uma parte está em um subsistema e outra parte está em outro subsistema – por exemplo, a bacia do Paranapanema tem postos no subsistema Sul e no Sudeste; Jequitinhonha e São Francisco dividem-se entre Sudeste e Nordeste; Tocantins e Amazonas dividem-se entre subsistemas Norte e Sudeste.

O Reservatório Equivalente de Energia (REE) é uma abstração do volume total de água existente nos reservatórios das hidrelétricas de um determinado subconjunto. Esse conceito é utilizado quando uma sequência de decisões mensais do total de energia hidrelétrica tem maior importância econômica do que a alocação da energia de cada UHE, ou seja, quando é necessário saber da ativação ou não de termelétricas, gerando um custo adicional considerável ao preço da energia. As decisões são pensadas em termos de energia (megawatts) em vez de água (metros cúbicos). Essa classificação também torna a análise mais real, sem alguma bacia que tenha mais peso individualmente mascarando o resultado de todo um subsistema, puxando a média para cima ou para baixo.

O volume mínimo (ou volume morto) corresponde a menor quantidade de água que deve estar armazenada num determinado reservatório e ainda assim a usina preserva sua capacidade de geração. Já o volume máximo correspondente a quantidade total de água que pode ser armazenada no reservatório incluindo o volume mínimo. O volume útil de um reservatório é dado pela diferença entre o volume máximo e mínimo do mesmo. Cotas são as diferenças verticais em metros entre a superfície do reservatório e a superfície do oceano – a diferença de altura entre a superfície do leito do rio imediatamente após a saída da turbina e a superfície do oceano é denominada cota do canal de fuga.

O agrupamento em REEs reduz o número de variáveis do problema e reduz o problema do acoplamento espacial entre as UHEs de uma mesma cascata (quando as UHE estão em sequência em um mesmo curso de água). Por ser um modelo simplificado, o foco não é a precisão na operação real de cada reservatório no estudo do Planejamento Anual da Operação Energética. As usinas de pequeno porte, como Pequenas Centrais Hidrelétricas – PCHs, não são consideradas no cálculo dos parâmetros dos REEs.

O conjunto de UHEs e/ou REEs formam um mesmo Subsistema Elétrico (SEE), definido como uma região elétrica em que as restrições de transmissão não são atingidas de maneira relevante, tanto na ocorrência quanto na duração. No Brasil, os subsistemas são: Sul (S), Sudeste/Centro-Oeste (SE/CO), Norte (N) e Nordeste (NE).

Essas definições implicam em algumas observações ao comparar com as bacias hidrográficas. Por exemplo, existem usinas pertencentes ao subsistemas SE/CO e NE na bacia do rio São Francisco, devendo a energia produzida por essa cascata ser dividida entre dois REEs. Para resolver esse problema, é possível adicionar usinas fictícias ou considerar os diferentes REEs no cálculo.

Nas usinas com reservatório de regularização do rio, ocorre acúmulo de água nos períodos de cheia para ser usada durante os períodos secos na geração de energia. De certa forma, ao se estocar água, está estocando energia (quem sabe foi esse tipo de raciocínio que a presidente Dilma estava tendo ao falar de se estocar vento? =P). Já nas usinas a fio d’água, o reservatório tem dimensão reduzida ou mesmo inexistente.

Atualmente, o ONS é o agente responsável por gerenciar as informações das usinas hidrelétricas que fazem parte do SIN – antes da re-estruturação do Setor Elétrico Brasileiro, o gerenciamento ficava sob a responsabilidade da Eletrobrás. Em janeiro de 2016, o ONS começa a utilizar a topologia D3, que conduz uma composição menos restritiva (mais realista) do problema de otimização do despacho hidrotérmico. À medida que a composição da oferta hidrelétrica é desagregada em mais reservatórios, o número de restrições do problema de otimização aumenta diretamente. Desde a primeira semana de 2018 (conforme nota técnica de setembro de 2017 da ANEEL), foram incluídos mais 3 REEs, totalizando 12.

A nova topologia representa os REEs abaixo relacionados, com os respectivos subsistemas e bacias (note que uma bacia pode ter usinas que pertençam a um REE e outras usinas de outro REE):

ENA

A Energia Afluente é a energia que pode ser gerada a partir das afluências, que podem ser natural (afluência total que chega a usina) ou incremental (apenas a afluência decorrente do trecho que começa na usina a montante). Como a afluência incremental pode ser calculada como a afluência natural da usina menos a afluência natural da usina a montante, é comum utilizar a Energia Natural Afluente (ENA): obtida a partir da medida da vazão natural afluente turbinada em uma usina situada à jusante do ponto (ou seja, de um ponto mais alto para um ponto mais baixo do fluxo do rio, na direção da foz).

Na prática, a ENA é o volume de energia que pode ser produzido de acordo com o regime de chuvas (e consequentente preenchimento dos rios que pertencem à bacia) em determinado local: quanto maior a ENA, maior a quantidade de energia possível de ser gerada pela usina hidrelétrica. A ENA pode ser apresentada em MW ou em percentual da média histórica de longo termo (%MLT), calculada a partir de uma série histórica (de 1931 até ano definido pelo ONS).

A ENA é calculada pelo ONS a partir do produto das vazões naturais e das produtibilidades (também chamadas de produtividades) equivalentes ao armazenamento de 65% do volume útil dos reservatórios dos aproveitamentos hidroelétricos, somadas para uma bacia ou subsistema. Os valores de ENA estão disponíveis no site do ONS.

Essa produtibilidade média está relacionada ao aproveitamento hidrelétrico conjunto turbina-gerador, referente à queda obtida pela diferença entre o nível de montante e o nível médio do canal de fuga. É dada pelo produto entre a produtibilidade específica da usina (MW/m³/s/m) e a altura de queda do reservatório (m). Note que o fator de produtibilidade não é uma constante e varia com a altura da água no reservatório, então por isso a referência de 65% do volume do reservatório. Os valores podem ser vistos na tabela com a lista de postos (link mais acima no texto).

A energia armazenada máxima é a maior quantidade de energia produzida quando se esvazia o reservatório de seu nível máximo até seu nível mínimo. Para um conjunto de usinas, é calculada somando-se os produtos do volume útil de cada reservatório por sua produtibilidade acumulada (a soma da produtibilidade do próprio reservatório e as produtibilidades de todos os reservatórios e usinas fio d’água a jusante até o final da cascata).

Os sistemas hídricos com complementaridade térmica possuem características bem distintas, como:

• Estocasticidade: relacionada com a incerteza em relação às afluências futuras, que se tornam mais significativas quanto maior for o horizonte do planejamento;
• Acoplamento espacial da operação: a construção de usinas hidráulicas em cascata, ou seja, no leito de um mesmo rio, faz com que a operação de uma usina, à montante interfira na operação das usinas à jusante
• Acoplamento temporal da operação: a decisão da utilização dos recursos hídricos em um mês pode ocasionar efeitos indesejados nos meses subsequentes, tais como o não suprimento da carga (déficit) ou mesmo o vertimento de água dos reservatórios, que representa um desperdício de energia.

Através da série histórica de valores, é possível estudar seu comportamento estatístico e obter uma previsão de custo da energia. Outro tipo de modelo pode ser desenvolvido por conservação de massa (conhecido como Balanço Hídrico) – veja mais sobre Hidrologia clicando nesse link.

A previsão de ENA do ONS considera somente as séries históricas de energias naturais afluentes, calculadas a partir do histórico de vazões naturais médias mensais e da configuração dos aproveitamentos hidroelétricos representados. Por exemplo, se no passado o mês de janeiro geralmente é chuvoso com altos valores de ENA e acontece uma seca fora da média, esse modelo do ONS não irá prever uma queda da ENA.

Chuvas locais e em rios afluentes podem aumentar o nível dos reservatórios, enquanto que a evaporação (proporcional à área, maior nos meses mais quentes e com menos nuvens) diminui o nível. A energia é calculada pelo somatório das quedas de cada usina. Como os armazenamentos dos reservatórios oscilam ao longo dos meses, pode-se considerar constante o percentual de contribuição de cada reservatório à energia controlável total em um mesmo período de x meses.

Links

• Prof. Dr. Antonio Guilherme – Vazão (Curso de Engenharia Elétrica)
• ONS – Submódulo 23.5 – Critérios para estudos hidrológicos (item 4.1.3 apresenta fórmula do cálculo de ENA)
• ONS – Relação entre postos e subsistemas (produtibilidades quando PMO) – Relatório de Previsão de Vazões e Geração de Cenários de Afluências (ACOMPANHAMENTO E PREVISÃO HIDROLÓGICA -> PREVISÃO DE VAZÕES E GERAÇÃO DE CENÁRIOS – PMO)
• ONS – Postos e fórmulas de cálculo – Relatório “Séries Históricas de Vazões – Atualização de séries históricas de vazões”
• ONS – Série histórica de vazão
• CCEE – Acervo CCEE (Lista da Topologia D3 no relatório “relato.rv0” dos arquivos do DECOMP; nesse mesmo arquivo, estão as médias de longo termo (MLT) de vazão natural afluente para as primeiras 5 semanas e do último mês de cada posto)
• Cepel – Otimização Energética (antigo Planejamento da Operação Energética)
• Copel – Projeto Estratégico ANEEL 001/2008
• ANEEL – Mapas de Geração, Transmissão e distribuição de energia elétrica em KMZ
• ANEEL – Nota técnica 101/2015 referente a Audiência Pública que altera regras de comercialização de energia
• Dissertação – Análise comparativa entre as modelagens de reservatório equivalente de energia agregado por subsistema e por cascata no problema do planejamento anual da operação energética – Vitor Luiz de Matos (UFSC, 2008)
• Dissertação – Modelo Individualizado de Usinas Hidrelétricas Baseado em Técnicas de Programação Não Linear Integrado com o Modelo de Decisão Estratégica – Tales Pulinho Ramos (UFJF, 2011)
• UFJF – Apostila Cap. 2 Usinas Hidrelétricas – Prof. André Marcato
• Jornal da Unicamp – Reforma reduz necessidade de novas hidrelétricas, diz estudo

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