2.3 Planejamento da expansão no Brasil: definições básicas e particularidades
2.3.9 Representação das indisponibilidades forçadas e programadas
No sistema hipotético apresentado da Seção 2.1, analisou-se somente a indisponibilidade energética decorrente de uma sequência hidrológica desfavorável. Um fenômeno que pode ser previsto com relativa antecedência, a partir da análise de armazenamento dos reservatórios e da tendência hidrológica [53].
Além dos riscos hidrológicos, existem riscos de indisponibilidade nos sistemas de transmissão ou distribuição e nas unidades geradoras, não previsíveis, exceto em casos de eventos programados. Para fins de estudos energéticos, em regra, não é considerada a probabilidade de ocorrência de falhas nos sistemas de transmissão ou distribuição, com exceção de eventuais falhas nos grandes troncos de interligação entre os subsistemas
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brasileiros. Entretanto, considera-se a probabilidade da ocorrência de indisponibilidades forçadas e programadas nas centrais geradoras.
Toda central geradora requer, ao longo de sua vida útil, a interrupção de sua operação para fins de manutenção. Em alguns casos, tais paradas são programadas conforme cronogramas de manutenção específicos. Outras vezes, ocorrem de maneira imprevista, decorrentes de falhas em equipamentos ou por determinação do operador independente do sistema. Dessa forma, para contornar essa imprevisibilidade e quantificar esses tempos de interrupção na geração de energia nos estudos energéticos, adota-se o conceito de
disponibilidade máxima de geração contínua, ou simplesmente disponibilidade máxima
[54,55], definida pelas equações a seguir:
7&8ℎ:á< = -%=>4∙ (1 − AB) ∙ (1 − B-) (2.4)
7&8=:á< = -%=>4∙ :á<∙ (1 − AB) ∙ (1 − B-) (2.5)
Sendo:
Disphmáx – Disponibilidade máxima de geração contínua da central hidrelétrica em MWmédios;
Disptmáx – Disponibilidade máxima de geração contínua da central termelétrica em MWmédios;
Potef – Potência efetiva (total instalada) da usina em MW;
TEIF – Taxa equivalente de indisponibilidade forçada, expresso em pu;
IP – Indisponibilidade programada, expresso em pu; e
FCmáx – Fator de capacidade máximo da central termelétrica, expresso em pu.
A disponibilidade máxima corresponde à disponibilidade de máquinas. De forma didática, a disponibilidade máxima representa a produção energética média que a usina disponibilizaria se mantivesse operação à plena carga durante um longo intervalo de tempo, admitindo-se plena oferta do insumo primário, quer seja esse insumo vazão afluente ou combustível.
Nas hipóteses de não ocorrência de falhas e constante disponibilidade de vazão afluente, a oferta energética média de uma hidrelétrica ao longo de um intervalo de tempo qualquer, se expressa em MWmédios, equivaleria numericamente à potência instalada. Dessa forma, a diferença entre a capacidade instalada e a disponibilidade máxima representa a perda de oferta energética decorrente da necessidade de interrupção da operação da central para fins de manutenção.
Para centrais termelétricas, o raciocínio é análogo. Todavia, além das perdas energéticas causadas por paradas forçadas e programadas, é necessário considerar a parcela da produção energética não disponibilizada à rede, decorrente da fixação de um fator de capacidade máximo inferior a 100%.
Outro modo de compreender o significado físico da disponibilidade máxima e indisponibilidades médias é adotar um representação matemática. Para tanto, considera-se a situação hipotética de uma central termelétrica, composta por diversos grupos geradores, operando à plena carga por um longo período de tempo. O histórico de geração dessa central está apresentado na Figura 2.3.
Figura 2.3 – Produção energética de uma termelétrica fictícia, normalizada pela sua capacidade máxima de potência instantânea. Elaborada pelo autor.
Conforme representado no histórico de operação, em alguns momentos a planta está disponibilizando sua capacidade máxima, equivalente ao produto entre potência instalada e fator de capacidade máximo. Em outros períodos, a produção é nula, representando indisponibilidades totais da planta. Verificam-se também períodos de produção energética em patamares intermediários, resultantes de indisponibilidades parciais (quebra ou manutenção programada de algum grupo gerador, ou ainda perdas de potência devido aos fatores ambientais).
De acordo com o já exposto, a disponibilidade máxima é a produção energética média passível de ser entregue pela termelétrica na hipótese de operação contínua por um longo período de tempo. Assim, pode ser representada algebricamente por:
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 ... N G e ra çã o V e ri fi ca d a /( P o t x F C m á x ) Período
Capítulo 2 – Revisitando o sistema hidrotérmico brasileiro 66 7&8:á<= -%=>4D. :á<E F() G (2.6) Sendo:
F() – uma função discreta que varia entre [0;1]; e N – número de períodos considerados.
Substituindo a Equação 2.5 na Equação 2.6 e rearranjando, obtém-se que o produto entre os complementos unitários de TEIF e IP correspondem ao valor médio de uma função que representa a geração verificada normalizada pelo produto entre a potência instalada e o fator de capacidade máximo:
-%=>4∙ :á<∙ (1 − AB) ∙ (1 − B-) =-%=>4D. :á<E F() G (1 − AB) ∙ (1 − B-) =D E F()1 G (2.7)
O histórico operativo hipotético representado na Figura 2.3 pode ser extrapolado para o conjunto de centrais termelétricas que integram o SIN, desde que se considere todo parque termelétrico em uma conjuntura de despacho térmico de base. Nesse caso, as barras verticais representariam o somatório das gerações de cada termelétrica em cada período.
Para fins de otimização e simulação da operação energética, o modelo computacional adotado no Brasil para a definição do despacho econômico das centrais geradoras – o Newave –, desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), considera que uma dada termelétrica, nos períodos em que é despachada pela ordem de mérito, disponibiliza ao sistema apenas a sua disponibilidade máxima, e não o produto entre potência instalada e fator de capacidade máximo. Assim, nos cenários em que o modelo sinaliza o despacho de todo o parque termelétrico (situações de hidrologias muito desfavoráveis), a oferta energética considerada pelo modelo corresponde ao somatório das disponibilidades máximas individuais. Neste ponto, cabe destacar uma conclusão importante: para que uma central termelétrica oferte estruturalmente sua disponibilidade máxima, é necessário que, quando inserida na ordem de mérito e desde que não declare a ocorrência de falhas, apresente produção energética média igual ou maior ao produto entre a sua potência instalada e o seu fator de capacidade máximo. Caso contrário, fica prejudicada a segurança do suprimento.
Uma situação hipotética ajuda a esclarecer a afirmação do parágrafo anterior. Suponha que o Newave indique a necessidade de despacho pleno do parque termelétrico por um longo período de tempo em decorrência de uma hidrologia bastante adversa.
Conforme já discutido, o Newave considera que a geração média das termelétricas ao longo do período de planejamento será pelo menos igual à soma das disponibilidades máximas individuais das centrais termelétricas. Ocorre que, tendo em vista que o despacho ocorrerá por um longo período, na prática, a cada momento, haverá centrais termelétricas paradas em decorrência de indisponibilidades forçadas ou programadas. Assim, pode-se dizer que o Newave assume implicitamente que, em qualquer instante, a oferta energética das centrais que de fato estarão operando é igual ou superior à disponibilidade máxima de todo o conjunto de termelétricas (disponíveis e indisponíveis). Em outros termos, o Newave assume que as centrais disponíveis produzirão um montante superior às suas respectivas disponibilidades máximas individuais de modo a compensar o montante que deveria ser produzido pelas termelétricas que estarão indisponíveis.
Portanto, se nessa situação as centrais disponíveis entregarem apenas as respectivas disponibilidades máximas, não fica garantido que o parque termelétrico ofertará um montante energético igual ou superior à disponibilidade máxima de todo o parque termelétrico. Nessa situação, se a oferta termelétrica prevista nos estudos de planejamento da operação não se concretizar, restará ao operador o uso da água armazenada para suprir a carga de energia. Ao final do período operativo, o armazenamento verificado seria inferior ao inicialmente previsto pelo modelo Newave.
Não há como garantir que a cada instante haja uma oferta termelétrica igual ou superior à disponibilidade máxima do parque termelétrico. Contudo, de modo a mitigar os riscos, é possível exigir que todo operador de usina termelétrica que não declare algum tipo de indisponibilidade disponibilize ao sistema a máxima produção possível, a qual é representada pelo produto entre potência instalada e fator de capacidade máximo.
Deve ficar claro que a disponibilidade térmica considerada pelos modelos de planejamento do setor elétrico brasileiro pressupõe uma não coincidência na ocorrência de paradas forçadas e programadas, de modo que o conjunto de centrais termelétricas sempre tenha condições de disponibilizar montante energético igual ou superior ao somatório das disponibilidades máximas individuais. Logo, qualquer incentivo regulatório para que as paradas programadas das termelétricas se concentrem em um período específico do ano devem ser analisadas com extrema cautela. Caso contrário, na ocorrência de uma hidrologia crítica, o sistema pode ficar sem a sua complementação térmica.
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Por essas razões, de modo a alinhar a operação real com os estudos de longo prazo, deve-se admitir apenas um dos seguintes modos de operação para centrais termelétricas:
i) indisponibilidade total, com registro das causas no histórico operativo; ii) indisponibilidade parcial e programada;
iii) indisponibilidade parcial e forçada; ou
iv) operação à plena carga, com produção equivalente ao produto entre a capacidade instalada e o fator de capacidade máximo.
A partir dos modos de operação acima previstos, um histórico confiável acerca da disponibilidade das termelétricas pode ser construído de modo a avaliar a contribuição energética dessas centrais para a adequação do suprimento.