UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA
VINICIUS RIBEIRO SILVA
Elaboração de uma matriz de geração elétrica para atender a demanda de 2030 do estado de São Paulo
Lorena 2020
Elaboração de uma matriz de geração elétrica para atender a demanda de 2030 do estado de São Paulo
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Física.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Atsushi Suzuki
Lorena Dezembro/2020
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
Elaboração de uma matriz de geração elétrica para atender a demanda de 2030 do estado de São Paulo
Ficha Catalográfica EEL USP
Silva, Vinícius R.
Elaboração de uma matriz de geração elétrica para atender a demanda 2030 do estado de São Paulo / Vinícius Ribeiro Silva; orientador Prof. Dr. Paulo Atsushi Suzuki. – Lorena, 2020
74 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Física – Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2020
1. Demanda energética 2. Planejamento de matriz elétrica 3. Geração renovável
“Aos livros que li, aos lugares que fui, às pessoas que conheci e às luzes que iluminaram meu caminho”
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço à todos os homens e mulheres de filosofia, ciência, esportes e artes que já passaram por essa terra e moldaram um mundo e um universo tão cheio de cores, histórias, experiências e conhecimentos. A vida é muito mais interessante graças à vocês e a vista muito mais bonita de cima de seus ombros
Agradeço à Universidade de São Paulo por ser um bastião da ciência nacional e permitir que eu tenha a vida cheia de preocupações de um estudante em uma universidade de alto nível ao mesmo tempo que levo a vida despreocupada de um estudante de uma universidade pública.
Agradeço à Escola de Engenharia de Lorena por me permitir cursar uma graduação tão diferenciada quanto Engenharia Física, que, mesmo com todos os seus problemas, foi a graduação que contemplava os conhecimentos que almejava buscar, além de algumas das competências que queria desenvolver. Agradeço à minha alma mater também pelas diversas oportunidades e dificuldades que estudar em uma faculdade de ponta sem viver em uma grande capital me trouxe. Todas essas experiências, boas ou ruins me tornaram quem eu sou.
Agradeço a todos os professores que passaram pela minha vida, seja na escola, universidade ou nos outros caminhos da vida, muito mais do que transmitir seu conhecimento, vocês me ensinaram e incentivaram a ler, estudar, conhecer o mundo e a natureza e, acima de tudo, tentar entender um pouquinho dessa realidade que nos envolve. Dentre todos esses, um agradecimento especial à minha professora Regina Celi que, mesmo sem saber, semeou em mim o hábito e gosto da leitura que me acompanharia, consolaria e ensinaria desde o dia em que ela me obrigou a ler um livro na sexta série.
Agradeço à minha família não só por tudo que dedicaram e sacrificaram para minha criação, mas também por entender minha ausência enquanto terminava esse trabalho. Ao meu pai por acender a fagulha da curiosidade em mim ao me questionar “você sabe como isso funciona?” desde que posso me recordar, ter tido inúmeras conversas fáceis e difíceis comigo, ter me explicado como se formam os arco-íris e ter me mostrado as maravilhas do conhecimento através de seus olhos, sejam elas científicas, sociais ou profissionais. À minha mãe que me criou com sangue, suor e lágrimas, me empurrou para frente todas as vezes que parei e me puxou todas as vezes que quis dar um passo para trás, além de ter me ensinado o significado de
força, resiliência e dedicação e ter me mostrado que existem coisas pelas quais vale a pena se sacrificar. À minha irmã por todo o carinho, ajuda e responsabilidades que assumiu por mim ao longo do tempo, além de me mostrar que existe um outro jeito, bem diferente, de levar a vida, e provar que existem sim sistemas de energia infinita, mesmo às 6 da manhã.
Agradeço aos meus amigos e companheiros da minha vida universitária, sejam os feitos em sala de aula, na empresa júnior, no pátio, muay thai, vôlei ou no coral. Todos me moldaram de uma maneira ou outra e os carregarei em mim por muito tempo depois de meu diploma ter virado pó. Um segundo agradecimento à todos que por tantas vezes me forneceram os melhores materiais de estudo e ajudaram a salvar meu semestre nos últimos segundos, em especial à Laura, sem a qual não sei em qual disciplina eu teria passado em metade das matérias que passei.
Agradeço ao meu querido amigo, irmão e ex-companheiro de casa, Marco Montevechi, com quem não só dividi minha casa, como também cafés, livros, séries, histórias, estudos e lutas, momentos de filosofia, de felicidade e decepção, além de ter me mostrado que existe um mundo além da superfície social e que ser fiel à si mesmo pode ter um custo grande, mas um valor inestimável. Espero que você continue sendo meu guia espiritual no futuro.
Agradeço à minha namorada, Beatriz, por ter me consolado em todos os meus momentos de derrota e comemorado comigo em todos os de vitória, por ter me apoiado emocionalmente e com todas as chuvas de responsabilidades que tivemos enquanto trabalhamos juntos, além de ter quebrado diversos de meus preconceitos e me mostrado todo um outro lado da vida e da sociedade que eu nunca veria sem você. Que possamos passar por muitos mais momentos de sufocos e prazerosos juntos.
Por fim, agradeço ao Universo que em sua aleatoriedade e/ou plano inefável forneceu um pano de fundo, enredo, luzes e personagens para essa coisa assustadora e maravilhosa que ocorre entre o nosso primeiro e último suspiro e chamamos de vida.
“Very few beings really seek knowledge in this world. Mortal or immortal, few really ask. On the contrary, they try to wring from the unknown the answers they have already shaped in their own minds -- justifications, confirmations, forms of consolation without which they can't go on. To really ask is to open the door to the whirlwind. The answer may annihilate the question and the questioner.” Anne Rice
RESUMO
SILVA, V. R. Elaboração de uma matriz de geração elétrica para atender a demanda de 2030 do estado de São Paulo 2020. Número de folhas 74f. Monografia (Trabalho de Graduação) – Escola de engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2020. A qualidade de vida de uma população está intimamente relacionada ao seu consumo de energia e, por consequência, à oferta de energia barata e acessível. Além disso, a nova conjuntura da geopolítica ambiental mundial torna cada vez mais importante que fontes limpas de energia sejam mais relevantes na matriz energética mundial, de modo que se faz vital que os países garantam a geração de energia elétrica de maneira limpa, sustentável e barata. O estado de São Paulo por usa vez, sendo detentor do maior PIB e população dentre as unidades federativas brasileiras, além de ser o maior consumidor e segundo maior gerador de energia elétrica, tem um papel essencial na política energética nacional, necessitando uma atenção especial em sua suficiência energética no longo prazo. Desse modo, esse trabalho visou levantar as potencialidades de geração de energia elétrica no estado de São Paulo e propor uma matriz que atenda uma parcela maior da eletricidade consumida no estado, dado que atualmente menos de 40% da eletricidade consumida em São Paulo é produzia no estado. Para tal, inicialmente estimou-se a demanda de geração elétrica estadual em 2030 a partir da estimativa nacional feita por órgãos governamentais, valores históricos da parcela do consumo estadual no consumo nacional e a suficiência elétrica do estado, em seguida analisaram-se diversos documentos, nacionais e estaduais, além de pesquisas voltadas para temas energéticos para se estimar a as potencialidades de geração no estado. Por fim, propôs-se uma possível matriz de geração de eletricidade que atendesse à demanda definida. Assim foi possível perceber o esgotamento do potencial remanescente de geração a partir das fontes hídricas e de biomassa e se propôs uma nova matriz que se utilizaria fortemente de fontes eólicas e solares, atualmente subutilizadas no estado, além de também se levantarem outras fontes que podem ter um impacto grande na matriz elétrica estadual mas ainda necessitam de mais estudos para tal.
Palavras-chave: Demanda Energética, Planejamento de matriz elétrica, Geração renovável, Matriz de energia limpa
ABSTRACT
SILVA, V. R. Power matrix elaboration to meet the 2030 demand of the state of São Paulo 2020. Number of sheets 74. Graduation Monograph – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2020
The life quality of a population is closely related to its energy consumption and, therefore, supply of accessible and cheap energy. Furthermore, the new global geopolitical conjuncture makes even more important that clean energy sources be predominant in national energy matrices, so that it becomes vital that countries guarantee the generation of clean, sustainable and cheap electrical energy. The state of São Paulo for that matter, being the holder of the biggest GDP and population among Brazilian federal units, besides being the biggest consumer and second biggest producer of electricity, has an essential role in the national energy policy, demanding a special attention in its electrical sufficiency in the long term. Thereby, this work aimed to raise the potentialities of electrical energy generation in the state of São Paulo and propose a matrix that meet a bigger part of the electricity consumed in the state, given the fact that less than 40% of the electricity consumed in São Paulo is generated in the state. For this purpose, initially it was estimated the demand of state electricity
generation in 2030 through the national estimation done by governmental organizations, historical values of state portion in the national consumption and state electrical sufficiency, then different documents, state and national, and energy themed research were analyzed for the estimation of the potentialities of state generation. Lastly, it was proposed a possible electricity generation matrix that would meet the defined goal. Thus it was possible to realize the depletion of the remaining generation potential by hydroelectric and biomass sources and propose a new matrix that would strongly use the eolic and solar sources, which are currently underexplored by the state, besides also raising other sources that may have a big impact in the electrical state matrix but still lacks the necessary studies.
Keyword: Energy Demand, Electricity matrix planning, Renewable generation, Clean energy matrix
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Segmentação das emissões de gases do efeito estufa ... 17
Figura 2: Detalhe da segmentação anual das emissões anuais de gases do efeito estufa ... 17
Figura 3: Correlação entre QLfa e ECpc em TEP no ano de 2013 ... 19
Figura 4: Correlação entre QLfa e ElCpc em TEP no ano de 2013 ... 20
Figura 5: Matriz Elétrica brasileira ... 20
Figura 6: Fluxograma lógico da modelagem de demanda elétrica ... 21
Figura 7: Diagrama de cálculos do sistema elétrico ... 24
Figura 8: Ilustração da definição de Suficiência Energética ... 25
Figura 9: Detalhamento da metodologia de projeção de demanda de eletricidade ... 26
Figura 10: Diagrama Simplificado do Cálculo de Requisitos de Geração ... 26
Figura 11: Relevância do carvão e gás natural na produção de eletricidade e o ano estimado do ponto de virada de algumas regiões ... 28
Figura 12: Comparação entre incidência solar anual na Alemanha e Brasil ... 29
Figura 13: Velocidade média de ventos ao redor do estado a 100 metros de altura ... 38
Figura 14: Relação entre potência instaurável por preço teto da eletricidade ... 43
Figura 15: Número de aproveitamentos hidrelétricos de acordo com potência instaurável ... 43
Figura 16: Potencial de Geração Oceânica por regiões no Brasil ... 45
Figura 17: Média anual da altura significativa, período e potência das ondas da costa brasileira ... 46
Figura 18: Amplitude de marés no litoral brasileiro ... 47
Figura 19: Mapa das correntes oceânicas ... 48
Figura 20: Velocidade de correntezas no Oceano Atlântico ... 49
Figura 21: Média anual de irradiação global horizontal ... 50
Figura 22: Potencial técnico de geração fotovoltaica residencial por município em MWh/dia ... 53
Figura 23: Mapa da média anual de Irradiação Direta Normal diária ... 55
Figura 24: Evolução da oferta e da relevância da bioeletricidade na geração total entre 1970 e 2014 . 57 Figura 25: Áreas potenciais para a expansão da produção de biomassa e uso do solo ... 59
Figura 26: Infraestrutura brasileira de oferta e transporte de gás natural ... 61
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Cálculo da PECEN entre 2010 e 2019 ... 34
Tabela 2: Estimativa da CESP ... 35
Tabela 3: Estimativa da Suficiência Elétrica de São Paulo entre 2010 e 2019 ... 36
Tabela 4: Detalhe do cálculo de demanda de geração elétrica em São Paulo 2030 ... 37
Tabela 5: Potencial paulista aproveitável de geração eólica à 100 metros de altura ... 39
Tabela 6: Potencial eólico dos atlas estaduais brasileiros ... 40
Tabela 7: Temperatura dos aquíferos brasileiros ... 41
Tabela 8: Segmentação da capacidade instalada de usinas hidrelétricas em São Paulo e Brasil ... 41
Tabela 9: Empreendimentos e potências para Preço Teto de R$ 127,01/MWh ... 42
Tabela 10: Empreendimentos e potências para Preço Teto de R$ 210,00/MWh ... 42
Tabela 11: Segmentação Estadual da Geração Oceânica brasileira ... 45
Tabela 12: Segmentação da radiação solar incidente no estado ... 50
Tabela 13: Usinas fotovoltaicas no estado de São Paulo ... 51
Tabela 14: Segmentação do Potencial Solar do estado ... 52
Tabela 15: Potencial técnico e economicamente viável de ser explorado ... 52
Tabela 16: Potencial Fotovoltaico Residencial por Unidade Federativa ... 54
Tabela 17: Segmentação da capacidade instalada de usinas Termelétrica em São Paulo e Brasil ... 56
Tabela 18: Potencial energético viável dos resíduos agrícolas paulistas em 2016 ... 58
Tabela 19: Fontes de biomassa usada na produção de eletricidade em São Paulo em 2016 ... 58
Tabela 20: Fontes de biomassa usada na produção de eletricidade em São Paulo em 2019 ... 58
Tabela 21: Projeção da geração de eletricidade por biomassa em São Paulo em 2030 ... 60
Tabela 22: Relevância da produção de eletricidade paulista via gás natural... 60
Tabela 23: Cálculo da geração elétrica por gás natural em 2030 ... 62
Tabela 24: Principais potenciais por fonte de geração ... 63
LISTA DE SIGLAS
ANEE Anuário Estatístico de Energia Elétrica
ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis BEN Balanço Energético Nacional
CE Carga de Energia Elétrica CEBR Carga Elétrica Brasileira CESP Carga Elétrica de São Paulo CI Capacidade Instalada
CO2e Giga toneladas de equivalente dióxido de Carbono DEGSP Demanda de Eletricidade Gerada em São Paulo ECpc Consumo de energia per capita
EG Eletricidade Gerada
EGSP Eletricidade Gerada em São Paulo ElCpc Consumo de eletricidade per capita EPA U.S. Environmental Protection Agency EPE Empresa de Pesquisa Energética FC Fator de Capacidade
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística OB Oferta Bruta
PECEN Parcela Estadual no Consumo Elétrico Nacional PDE Plano Decenal de Expansão de Energia
QLfa Quality of Life by Factor Analysis SE Suficiência Elétrica
SESP Suficiência Elétrica do estado de São Paulo SIN Sistema Interligado Nacional
t Tempo
TACC Taxa Anual de Crescimento Composta TEP Tonelada equivalente de petróleo
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 16 1.1 Objetivos Gerais ... 18 1.2 Objetivos Específicos ... 18 1.3 Justificativa ... 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21
2.1 Previsão da Demanda de Geração Eletricidade ... 21
2.2 Evolução das Tecnologias de Geração de Energia Renovável ... 27
3 METODOLOGIA ... 30
3.1 Projeção da Demanda de Eletricidade Gerada em São Paulo em 2030... 30
3.2 Projeção da Carga Elétrica Paulista em 2030 ... 30
3.2.1 Projeção da Suficiência Elétrica Paulista em 2030 ... 31
3.3 Potencialidades Regionais ... 32
3.3.1 Possíveis Tecnologias de Geração ... 32
3.3.2 Levantamento das Potencialidades Regionais ... 32
3.4 Planejamento da Matriz ... 33
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 34
4.1 Projeção da Demanda de Eletricidade Gerada em São Paulo em 2030... 34
4.1.1 Projeção da Carga Elétrica Paulista em 2030 ... 34
4.1.2 Projeção da Suficiência Elétrica Paulista em 2030 ... 35
4.1.3 Demanda de Geração de Eletricidade do Estado de São Paulo em 2030 ... 36
4.2 Potencialidades Regionais ... 37 4.2.1 Eólica ... 37 4.2.2 Geotérmica ... 40 4.2.3 Hidráulica ... 41 4.2.4 Oceânica ... 44 4.2.4.1 Ondas ... 46 4.2.4.2 Marés ... 46 4.2.4.3 Correntezas ... 47 4.2.5 Solar ... 49 4.2.5.1 Fotovoltaica... 52 4.2.5.2 Heliotérmica ... 54 4.2.6 Termelétrica ... 56 4.2.6.1 Biomassa ... 57 4.2.6.2 Gás Natural ... 60
4.3 Planejamento da Matriz Energética ... 63
5 CONCLUSÃO ... 66
1 INTRODUÇÃO
O bem-estar social e a qualidade de vida em um país estão intimamente relacionados com a demanda energética de sua população e seus setores produtivos. Com as evoluções tecnológicas e sociais que a humanidade viveu nos últimos três séculos, a geração de energia passou a se tornar um ponto central da geopolítica local e mundial, chegando a culminar em diversas guerras ao redor do mundo (MEIERDING, 2016). O consumo energético per capita tem crescido constantemente na maior parte do mundo (NADIMI; TOKIMATSU, 2018) e o custo da energia, não somente a elétrica, mas também a fóssil que se encontra presente de maneira extremamente significativa em toda a cadeia logística do país, representa uma parcela grande dos custos de produção de diversos setores. Somente gastos com eletricidade podem chegar a representar 9,59% de todos os custos no setor de “água e saneamento” e 4,4% na “metalurgia de metais não ferrosos” (MAGALHÃES et al., 2018). Naturalmente, qualquer aumento nesses custos, em grande parte, é repassado ao consumidor e essa variação do preço pago pelo consumidor final pelos produtos e serviços pode ter efeitos tão significativos que afetam até mesmo o PIB da região (MAGALHÃES et al., 2018). Ademais, quando se estudam países que passam por um momento de desenvolvimento mais significativo do que seus pares, aumenta-se ainda mais o interesse por essa questão, pois naturalmente espera-se que sua população tenha um aumento da qualidade de vida maior do que o da populações de países que já se desenvolveram e contam com padrões socioeconômicos mais elevados. Isso indicaria que, com o passar do tempo, ocorreria uma variação positiva maior no consumo de energia per capita desse grupo, levantando a necessidade de se ter planejamentos, análises e modelos de produção de energia ainda mais sólidos e conectados com previsões de crescimento econômico de um país, além de reformulá-los constantemente, não só por causa de seus setores produtivos, mas também porque a disparidade entre a previsão e a necessidade real pode causar um impacto catastrófico na economia de um país e, por consequência, na vida de seus habitantes.
A gradual mudança que os países ao redor do mundo vêm passando na maneira como enxergam o uso de seus recursos e os problemas ambientais que esse uso acarreta está tirando a poluição do palco local e discussões com grupos ambientalistas e a está levando para os debates da geopolítica internacional (MORI, 2020). A figura 1 demonstra as origens das emissões anuais de gases do efeito estufa em giga toneladas de equivalente dióxido de Carbono (CO2e), uma unidade de medida criada para se poder comparar os diferentes gases do efeito estufa e usa o impacto do dióxido de carbono como referência (EPA, 2014), e a figura 2 mostra
a relevância das emissões ligadas à questões energéticas e de geração de eletricidade /aquecimento nas emissões totais.
Figura 1: Segmentação das emissões de gases do efeito estufa
Fonte: CLIMATE WATCH, 2020
Figura 2: Detalhe da segmentação anual das emissões anuais de gases do efeito estufa
Fonte: CLIMATE WATCH, 2020
Como se pode ver, entre 1990 e 2016, as emissões anuais de gases de efeito estufa aumentaram quase que constantemente, assim como as emissões advindas de atividades de aquecimento e geração de eletricidade. Em 2016, esse setor foi responsável por
aproximadamente 30% de todas as emissões e boa parte dessas emissões advém da queima de fontes fósseis de energia para a geração de eletricidade (BRUCKNER, 2016).
São Paulo, um estado comparável a países europeus, com população semelhante à Espanha e área a do Reino Unido, é também o estado com maior população e o que tem o maior PIB do país (IBGE, 2020), além de ser o maior consumidor de eletricidade entre as unidades federativas brasileiras, representando 27,5% de toda eletricidade consumida em 2019, e o segundo maior produtor, representando 11% da produzida (EPE, 2020a). O único estado que produz mais eletricidade que São Paulo é o Paraná, que conta com a hidrelétrica Itaipu Binacional, líder mundial em produção de energia limpa e renovável desde que foi construída, há 35 anos (ITAIPU, 2020). Assim, naturalmente o estado se torna um grande foco da discussão da produção elétrica nacional, de modo que esse projeto almeja levantar a demanda elétrica que o estado de São Paulo terá em horizonte decenal para então propor possíveis melhorias na matriz elétrica atual de modo a suprir essa demanda crescente.
1.1 Objetivos Gerais
Levantar a demanda de energia elétrica pelo estado de São Paulo em 2030 e então propor melhorias na matriz de geração elétrica atual do estado de modo a atender às futuras necessidades e aumentar a suficiência elétrica do estado.
1.2 Objetivos Específicos
● Levantar a demanda energética prevista para o Brasil e o estado de São Paulo para 2030; ● Analisar quais são os tipos de geração de eletricidade (Fontes, Renovável x Não
Renovável) que serão mais eficientes de serem usadas no futuro;
● Estudar as potencialidades energéticas regionais do estado de São Paulo;
● Propor melhorias na matriz geradora de eletricidade de modo a suprir essa demanda e viabilizar um desenvolvimento socioeconômico do estado.
1.3 Justificativa
O preço da energia elétrica de um país tem um impacto muito maior para o seu povo do que somente o preço pago na conta de eletricidade do consumidor final (NADIMI;
TOKIMATSU, 2018). Como dito anteriormente, a produção industrial gasta uma quantidade significativa de eletricidade, de maneira que as empresas necessitam diluir esse custo no valor cobrado ao consumidor final. Além disso, a oferta de energia é um fator extremamente determinante para o desenvolvimento socioeconômico de um país, ao ponto que o consumo de energia per capita (ECpc) e o consumo de eletricidade per capita (ElCpc) de uma nação muitas vezes são usados como indicadores do nível de desenvolvimento da mesma, pois quando esse indicador está abaixo de uma tonelada equivalente de petróleo (TEP) as taxas de analfabetismo, mortalidade infantil e fertilidade total costumam ser altas, enquanto a expectativa de vida, baixa (GOLDEMBERG, 1998) números esses que se invertem para países com alto consumo de energia. Esses fatos podem ser observados nas figuras 3 e 4, que mostram a relação entre um indicador de Qualidade de Vida por Analise Fatorial (Quality of Life by Factor Analysis, QLfa), definido através de uma análise fatorial contendo diversos índices de desenvolvimento humano e normalizado posteriormente, e o consumo de energia e eletricidade per capita de diversos países (NADIMI; TOKIMATSU, 2018).
Figura 3: Correlação entre QLfa e ECpc em TEP no ano de 2013
Figura 4: Correlação entre QLfa e ElCpc em TEP no ano de 2013
Fonte: NADIMI; TOKIMATSU, 2018
Por fim, em um país como o Brasil, cujo fornecimento de eletricidade advém em mais de 70% de fontes de eletricidade intermitente (EPE, 2020b), conforme figura 5 abaixo, a necessidade de se viabilizar diversificação da matriz é ululante, fato evidenciado pela Crise dos Apagões que ocorreu em 2001 e as dificuldades que o estado tem passado nos últimos anos pela ausência de chuva. Desse modo, é imperativo que ocorra uma mudança no paradigma de planejamento de geração elétrica nacional e estadual, de maneira que se gere eletricidade a preços mais acessíveis, possibilitando o aumento da qualidade de vida da população.
Figura 5: Matriz Elétrica brasileira
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Previsão da Demanda de Geração Eletricidade
Previsões de demanda de eletricidade costumam ser extremamente complexas de serem feitas, pois muitos fatores de diversas naturezas podem impactar de maneira extremamente significativa e inesperada no consumo de energia de um país. No curto prazo, fatores ambientais, principalmente a temperatura, são responsáveis por boa parte da oscilação da demanda de energia elétrica, no entanto no longo prazo, dentre os fatores mais relevantes se encontram principalmente os indicadores: Da economia como um todo (PIB); Setoriais (ramos específicos da economia como Indústria, Comércio e Agronegócio, entre outros); Da população e domicílios (Tamanho da população, perfil econômico da mesma, concentração de pessoas por domicílio e outros). Esses números são levantados por diversos órgãos governamentais e de mercado para os mais diversos fins e os responsáveis pelo planejamento energético se utilizam de dados históricos e projeções desses tipos de indicadores para elaboração de cenários de consumo. A figura 6 abaixo representa o fluxograma lógico da modelagem usada pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), órgão público responsável por análises e estudos de toda sorte de questões energéticas brasileiras (EPE, 2016b):
Figura 6: Fluxograma lógico da modelagem de demanda elétrica
Para se facilitar o entendimento desse artigo, se define de maneira breve e simplificada os conceitos mais relevantes para esse tipo de modelagem, utilizando-se das informações do Balanço Energético Nacional (BEN) 2020, Anuário Estatístico da Eletricidade (ANEE) 2020 e Caderno de Demanda de Eletricidade do Plano Decenal de Expansão de Energia (PDE) 2030, todos elaborados pela EPE em 2020:
● Consistência Energética: Dados passados de todo o sistema elétrico brasileiro, desde capacidade instalada até consumo final, acompanhados constantemente para planejamento e elaboração das análises necessárias;
● Cenário Socioeconômico: Dados e projeções de aspectos socioeconômicos do país e mundo, usados principalmente para se estudar o consumo elétrico no passado e elaboração de cenários para o futuro;
● Consumo Total de Eletricidade: Toda a energia elétrica consumida no Brasil, contendo todos os sistemas e autoproduções. É a soma entre o Consumo da Rede e a Autoprodução não injetada.
o Consumo da Rede: Toda a energia elétrica consumida através da rede elétrica brasileira. A rede elétrica brasileira é constituída pelo Sistema Interligado Nacional (SIN, a malha elétrica que conecta quase todo o país e é responsável por mais de 99% consumo de eletricidade nacional) e os Sistemas Isolados (malhas elétricas individuais que atendem a demandas locais, principalmente em locais de difícil acesso, se encontrando principalmente na região Norte do país). Essa quantidade usualmente é estudada em setores, pois os comportamentos deles variam significativamente entre si ao se alterar o cenário socioeconômico.
o Autoprodução não injetada: A eletricidade que é gerada pelo seu consumidor final e que não passa por nenhuma das malhas elétricas brasileiras. Em 2019 correspondeu à 8,4% de toda a eletricidade consumida no país e é significativa principalmente em setores intensivos em energia, como os segmentos industriais de celulose, siderurgia e sucroalcooleiro. Somando-se ao Consumo da Rede, corresponde ao Consumo Total de Energia Elétrica.
● Eficiência Energética: O quanto da energia fornecida é usada para sua atividade fim o quanto se perde no processo. Depende principalmente de limitações físicas, tecnológicas e
de engenharia do objeto que usa essa energia para realização de algum processo e varia ao longo do tempo principalmente devido a mudanças no padrão de consumo da população e a evolução tecnológicas dos dispositivos usados.
● Perdas e Diferenças: Divergência entre o consumo total de eletricidade e geração total de eletricidade e engloba tanto as perdas denominadas técnicas (perdas na transmissão de longas distância, transformação de potências e outras) e as não técnicas (ligações clandestinas, erros de medições e afins).
● Fator de Carga: É a relação entre a Carga Média de Energia e a Carga Máxima (definidas abaixo) e usualmente é dada em termos percentuais.
● Geração Distribuída: A geração de eletricidade, usualmente a partir de geradores de baixa potência, próxima aos consumidores finais e diminuindo perdas de transmissão, em contraste com a Geração Centralizada, que conta grandes plantas produtoras e necessita distribuir essa eletricidade por longas distâncias.
● Requisitos de Geração: São os requisitos reais que o sistema elétrico nacional precisa atender e engloba a Carga de Energia Elétrica (CE) e Demanda Máxima, além de outros pontos como Capacidade Instalada.
o Carga de Energia Elétrica (CE): É toda a eletricidade que precisa ser gerada para atender a demanda de consumo, incluindo as perdas durante o processo. É a soma entre o Consumo Total de Energia Elétrica e as Perdas e Diferenças, mas também pode ser calculada ao se retirar as Exportações da Oferta Bruta, como na figura 7 abaixo. o Carga Média de Energia: A Carga de Energia usada em dado período de tempo,
dividido por esse período.
o Demanda Máxima (ou Carga Máxima) de Energia: A maior carga de energia demandada em um dado período de tempo e também pode ser compreendida como a eletricidade mínima necessária que seu sistema precisa estar apto a entregar nesse período de tempo para que nunca falte eletricidade no sistema.
o Capacidade Instalada (CI): É a capacidade máxima de geração de um dispositivo e representa a eletricidade que ele geraria caso funcione constantemente em sua eficiência máxima.
o Fator de Capacidade (FC): É a razão entre a eletricidade gerada por um certo gerador em um dado período de tempo e sua Capacidade Instalada, conforme equação 1 abaixo. o Eletricidade Gerada (EG): A multiplicação entre a Capacidade Instalada, o Fator de
Capacidade do dispositivo e o tempo de funcionamento, porém usualmente é uma medida experimental usada para calcular o FC.
𝐹𝐶 =𝐸𝐺 (𝑡)
𝐶𝐼 ∗ 𝑡 (1)
o Suficiência Elétrica (SE): A parcela da carga de eletricidade (consumo total + perdas) que é produzida na região e seu cálculo ocorre através equação 2 abaixo, sendo ilustrada pela figura 8.
𝑆𝐸𝑆𝑃(𝑎𝑛𝑜) = 𝐸𝐺 (𝑎𝑛𝑜)
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐸𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝑎𝑛𝑜)=
𝐸𝐺 (𝑎𝑛𝑜)
𝑂𝐵(𝑎𝑛𝑜) − 𝐸𝑥𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎çõ𝑒𝑠(𝑎𝑛𝑜) (2)
Figura 7: Diagrama de cálculos do sistema elétrico
Figura 8: Ilustração da definição de Suficiência Energética
Fonte: Autoria própria, 2020
Além disso, a Oferta Bruta (OB) de eletricidade de uma região, é a quantidade que conecta todas as saídas e entradas de eletricidade do sistema, conforme a equação 3 abaixo:
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 +𝐸𝑥𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎çã𝑜= 𝑂𝐵 = 𝐺𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 + 𝐼𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎çõ𝑒𝑠 (3) Utilizando-se de projeções de Cenários Socioeconômicos e acoplando-as aos dados da Consistência Energética, é possível montar cenários de consumo de eletricidade pelos diversos setores da sociedade que, somados, correspondem ao Consumo da Rede. Esse, por sua vez, junta-se às Autoproduções não injetadas para formar o Consumo Total de Energia Elétrica. Esse valor então passa por uma análise para se prever como esse consumo irá ser alterado no futuro devido a mudanças na Eficiência Energética. Após essa análise, tem-se a projeção de consumo real de eletricidade, no entanto, ainda se faz necessário observar as Perdas e Diferenças, Fator de Carga e o impacto da Geração Distribuída para se calcular os Requisitos de Geração do Sistema e de fato se projetar a malha de energia elétrica do país. Além desses fatores, a importação e exportação de eletricidade para os países vizinhos também tem um impacto menor no sistema (EPE, 2019a).
Como esse trabalho tem ênfase no planejamento de uma matriz produtora de eletricidade, e não almeja projetar a demanda, não se entrará nos detalhes das metodologias, ainda assim, acrescenta-se a figura 9 abaixo, que representa com um detalhamento maior a metodologia geral da projeção de demanda, e a figura 10, que ilustra as relações entre os indicadores comentados acima no cálculo dos Requisitos de Geração.
Figura 9: Detalhamento da metodologia de projeção de demanda de eletricidade
Fonte: EPE, 2019a
Figura 10: Diagrama Simplificado do Cálculo de Requisitos de Geração
2.2 Evolução das Tecnologias de Geração de Energia Renovável
Explicitado que o fornecimento de uma energia a baixo custo é essencial ao desenvolvimento de um país, as questões políticas e ambientais e o modelo preditivo de consumo de eletricidade usado pelo governo federal, começa-se a pensar em como atender a demanda prevista da maneira mais barata possível, ou seja, surge o questionamento de como produzir energia limpa da forma mais barata possível. Atualmente, em boa parte do mundo a geração de energia a partir de fontes fósseis ainda é a escolha ideal a partir da ótica do custo, além de não ter requisitos geofísicos (frequência de ventos, chuvas ou insolação) tão complexos. No entanto, conforme as preocupações ambientais e com o aquecimento global aumentaram, as regulamentações para a produção de energia a partir de gás natural, carvão e outros combustíveis fósseis tornaram-se cada vez mais estritas, ao passo que o desenvolvimento tecnológico das chamadas “Energias Renováveis Novas” (em contraste com as tecnologias antigas de geração de energia renovável, como a Hidráulica), como a Solar e a Eólica, as embaratecem constantemente. Dessa maneira, é possível estimar-se quando as novas tecnologias se tornaram mais eficientes (produzirão mais energia com investimento menor) do que as tecnologias mais tradicionais (MCKINSEY, 2019). A figura 11 a seguir mostra qual a relevância da produção energética baseada em carvão e gás natural é para alguns países e regiões hoje, além de apresentar as estimativas de quando será o “ponto de virada”, ou seja, quando as novas tecnologias se tornaram mais baratas do que as vigentes.
Figura 11: Relevância do carvão e gás natural na produção de eletricidade e o ano estimado do ponto de virada de algumas regiões
Fonte: MCKINSEY, 2019
Essa imagem traz diversos insights de como as diferentes partes do mundo reagirão às mudanças tecnológicas dos próximos anos, porém ao mesmo tempo mostra que até 2030, a maior parte dos países estudados já terá passado pelo ponto de virada. Esses dados, apesar de não representarem diretamente o Brasil, mostram tendências tecnológicas e econômicas para o médio-longo prazo. Além disso, é possível constatar que no Brasil não será muito diferente, dado que, ao se comparar os potenciais de geração fotovoltaica do Brasil e da Alemanha, que em 2017 tinha 42 GW de potência instalada e produziu 39 GWh de eletricidade, correspondendo a 6% da geração nacional total (EPE, 2020b), constata-se que o Brasil tem um potencial de geração de energia solar muito maior, já que na região com menor irradiação, ainda conta com níveis 40% maiores que o ponto de maior irradiação na Alemanha, e, em São Paulo, esse número chega a mais de 50% (RELLA, 2017), como ilustrado na figura 12 abaixo. Assim, esse estudo foca principalmente em gerações renováveis, não só por motivos ambientais e políticos, mas também por questões econômicas e técnicas.
Figura 12: Comparação entre incidência solar anual na Alemanha e Brasil
3 METODOLOGIA
3.1 Projeção da Demanda de Eletricidade Gerada em São Paulo em 2030
Para se planejar a matriz de energia elétrica estadual se necessita primeiramente entender a quantidade de eletricidade que precisará ser gerada no estado. Como explicado anteriormente, a quantidade de eletricidade que é necessária para atender todas as demandas internas do é chamada de Carga Elétrica de São Paulo (CESP) e, atualmente, São Paulo não tem capacidade de gerar toda essa eletricidade, de modo que se faz necessário também avaliar sua Suficiência Elétrica (SESP). Desse modo, a Demanda de Eletricidade Gerada em São Paulo (DEGSP) será dada por:
𝐷𝐸𝐺𝑆𝑃(2030) = 𝐶𝐸𝑆𝑃(2030) ∗ 𝑆𝐸𝑆𝑃(2030) (4)
Pela organização desse trabalho, a metodologia de cálculo de ambas será desenvolvida individualmente.
3.2 Projeção da Carga Elétrica do estado de São Paulo em 2030
Por projeções de Demanda de Eletricidade serem extremamente complexas de serem feitas e o consumo de eletricidade no Brasil ser realizado majoritariamente através de uma rede interligada e nacional, o SIN, as instituições governamentais desenvolvem seus documentos preditivos sempre focando no horizonte nacional e não apresentam detalhes de como seria o consumo ou produção em regiões específicas do país. Devido à essa falta de informação, uma projeção da Carga Elétrica de São Paulo em 2030 foi realizada através Parcela Estadual no Consumo Elétrico Nacional (PECEN) e da projeção de Carga Elétrica Brasileira (CEBR) em 2030. A Carga Nacional será obtida no Caderno de Demanda de Eletricidade do Plano Decenal de Expansão de Energia 2030, enquanto a parcela estadual dessa carga será obtida através de uma projeção que aplicará a Taxa Anual de Crescimento Composta (TACC) da PECEN, entre 2010 e 2019, ao valor de 2019, de modo que:
𝐶𝐸𝑆𝑃(2030) = 𝐶𝐸𝐵𝑅(2030) ∗ 𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(2030) (5)
𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(𝑎𝑛𝑜) =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐸𝑠𝑡𝑎𝑑𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑎𝑛𝑜)
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑁𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 (𝑎𝑛𝑜) (7) Sendo que a TACC é calculada através da equação abaixo:
𝑇𝐴𝐶𝐶(𝑡2; 𝑡1) = (𝑣2 𝑣1)
1 (𝑡2−𝑡1)
− 1 (8)
De modo que a Carga Elétrica SP será dada por:
𝐶𝐸𝑆𝑃(2030) = 𝐶𝐸𝐵𝑅(2030) ∗ 𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(2019) ∗ [1 + 𝑇𝐴𝐶𝐶(2019; 2010)]2030−2019 (9) 3.2.1 Projeção da Suficiência Elétrica Paulista em 2030
Conforme citado anteriormente, São Paulo é o maior consumidor de eletricidade brasileiro e não produz energia elétrica suficiente para suprir sua demanda. Dentro dos documentos oficiais, tanto estaduais, quanto nacionais, não foi possível encontrar uma dado de Suficiência de Elétrica estadual, somente o de toda matriz energética, incluindo petróleo, combustíveis e afins. Naturalmente também não existe uma projeção desse valor em 2030 de modo que faz-se necessário estimar esse índice no presente para projetá-lo em 2030. Com os dados históricos disponíveis não é possível calcular o valor exato desse indicador no passado, pois a rede nacional é interligada e as perdas de energia são contabilizadas para o sistema todo e não contam com a dimensão estadual. No entanto, é possível estimar esse valor se considerando que a proporção entre a Carga Elétrica de São Paulo (CESP) e a Carga Elétrica Brasileira (CEBR) é igual à PECEN (proporção entre Consumo Estadual de Eletricidade e o Consumo Elétrico Nacional). Desse modo, a SESP poderia ser calculada através da equação abaixo:
𝑆𝐸𝑆𝑃(𝑎𝑛𝑜) =𝐸𝐺𝑆𝑃 (𝑎𝑛𝑜) 𝐶𝐸𝑆𝑃 (𝑎𝑛𝑜)=
𝐸𝐺𝑆𝑃 (𝑎𝑛𝑜)
𝐶𝐸𝐵𝑅(𝑎𝑛𝑜) ∗ 𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(𝑎𝑛𝑜) (10)
Após o cálculo dos valores históricos, pôde-se projetar esse indicador para 2030 da mesma maneira que se projetou a Carga Elétrica em 2030, utilizando-se a TACC entre 2010 e 2019 aplicada ao valor de 2019, de modo que:
Contudo, essa abordagem mostrou que a Suficiência Elétrica de São Paulo teve uma tendência geral de queda entre 2010 e 2019. Dada a importância da Segurança Energética, se optou então por seguir uma estratégia mais conservadora e se definiu uma meta de Suficiência Elétrica de São Paulo como a média desse indicador nos anos entre 2010 e 2019, de modo que se cessaria a queda e ainda se ter-se-ia valores de Suficiência Elétrica de São Paulo ligeiramente maiores em relação a 2019.
3.3 Potencialidades Regionais
3.3.1 Possíveis Tecnologias de Geração
Após o cálculo da demanda de eletricidade, começou-se a analisar quais poderiam ser as possíveis fontes geradores de eletricidade para atender essa demanda. Devido às questões ambientais e políticas citadas, tecnologias com elevados potenciais poluição ambiental e emissões de gases do efeito estufa, como termoelétricas baseadas em carvão ou diesel (OLIVEIRA; TRINDADE, 2018) não foram consideradas, de modo que se trabalhará principalmente com fontes renováveis e gás natural, que apesar de ser uma fonte fóssil tem níveis de poluição significativamente menor que outras (BREEZE, 2018). Também não se tratou de possíveis implementações de usinas termonucleares devido à complexidade envolvida em tais empreendimentos e ao fato de que qualquer implementação desse tipo de tecnologia necessita de aprovação prévia do Congresso Nacional através de lei federal (EPE, 2020h). Desse modo, focou-se principalmente nas seguintes tecnologias: Eólica, Geotérmica, Hidráulica, Oceânica, Solar (fotovoltaica e heliotérmica) e Termelétrica (Biomassa e Gás Natural).
3.3.2 Levantamento das Potencialidades Regionais
Feito o primeiro filtro tecnológico, político e ambiental, levantaram-se as potencialidades geográficas de produção de energia dentro do estado, utilizando-se novamente de dados governamentais, mas também de trabalhos científicos relevantes. Para as energias renováveis que foi possível encontrar valores estimados de potencial de geração de eletricidade por ano, utilizou-se os valores previstos nas análises. Quando se encontrou valores de potência instalada, eles foram convertidos para os dados de geração elétrica real através de fatores de capacidade
médios levantados na bibliografia e o valor de 8760 horas em um ano, conforme a equação 12 abaixo:
𝐸𝑙𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎(𝐺𝑊ℎ) = 𝐹𝐶(%) ∗ 𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎(𝐺𝑊) ∗ 8760(ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) (12) No caso específico da biomassa, para se projetar o potencial de geração de eletricidade em 2030, necessitou-se observar o aumento na oferta de biomassa através da expansão da fronteira agrícola e do aumento de produtividade no uso da terra, além do aproveitamento desse potencial, já que, como será demonstrados nos Resultados, atualmente não se utiliza todo o potencial de geração de bioeletricidade estadual. Como a eletricidade gerada a partir do bagaço de cana de açúcar representa cerca de 90% de toda bioeletricidade estadual (EPE, 2020b), utilizou-se as projeções de aumento de sua produtividade como referência para toda a produção de bioeletricidade.
Já para as termelétricas movidas a gás natural, sua produção de eletricidade não depende de fatores exógenos como as fontes anteriores e sim da quantidade de insumo fornecido, que pode ser comprado através da malha de gasodutos brasileira (EPE, 2020g). Desse modo, analisou-se as projeções da oferta de gás natural na próxima década e então optou-se por se usar o gás natural para atender o aumento da demanda de fontes fósseis na matriz geradora estadual. Ou seja, calculou-se qual seria a eletricidade gerada por todas as fontes fósseis, inclusive o gás natural, em 2030 caso as fontes fósseis mantivessem seu tamanho proporcional perante a matriz geradora de eletricidade e então supriu-se esse aumento de demanda somente com a eletricidade produzida através da queima de gás natural, enquanto manteve-se os níveis atuais de produção das outras fontes fósseis.
3.4 Planejamento da Matriz
Finalmente, com a estimativa da demanda de energia elétrica gerada em São Paulo em 2030 e os potenciais das diversas fontes de energia, analisou-se quais tecnologias poderiam atender a demanda estadual, considerando os níveis de desenvolvimento tecnológico atual de cada uma das tecnologias de geração possíveis.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Projeção da Demanda de Eletricidade Gerada em São Paulo em 2030
4.1.1 Projeção da Carga Elétrica Paulista em 2030
Utilizando-se dos dados históricos consumo nacional e estadual de eletricidade retirados dos Anuários Estatísticos de Eletricidade, montou-se a tabela 1 calculando a Parcela Estadual de Consumo Elétrico Nacional (PECEN):
Tabela 1: Cálculo da PECEN entre 2010 e 2019
Ano Consumo Nacional da
Rede (GWh) Consumo Rede SP (GWh) PECEN (%) 2010 415.668 125.505 30,19% 2011 433.016 130.282 30,09% 2012 448.177 133.742 29,84% 2013 463.134 136.223 29,41% 2014 475.432 136.482 28,71% 2015 465.708 130.815 28,09% 2016 461.780 127.171 27,54% 2017 467.161 129.607 27,74% 2018 474.820 132.382 27,88% 2019 482.226 132.848 27,55%
Fonte: Autoria própria, 2020
Através dos dados da PECEN, se calculou a TACC da PECEN entre 2019 e 2010:
𝑇𝐴𝐶𝐶𝑝𝑒𝑐𝑒𝑛(2019,2010) =27,55% 30,19% 1 (2019−2010) − 1 (13) E se obteve: 𝑇𝐴𝐶𝐶𝑝𝑒𝑐𝑒𝑛(2019,2010) = −1,01% (14)
Essa taxa então foi aplicada à PECEN 2019 de modo que:
𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(2030) = 𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(2019) ∗ (1 − 1,01%)2030−2019 (15) Obtendo-se:
𝑃𝐸𝐶𝐸𝑁(2030) = 24,63% (16) Com a estimativa da Parcela Estadual do Consumo Elétrico Nacional no ano de 2030 e a previsão de Carga Elétrica Nacional obtida no Caderno de Demanda de Eletricidade do Plano Decenal de Expansão de Energia 2030 (EPE, 2020d) montou-se a seguinte tabela:
Tabela 2: Estimativa da CESP
Indicador 2019 2030 Delta Variação (%)
Carga Elétrica Brasileira
(GWh) 651.285 892.578 241.293 37,0%
Parcela Estadual do
Consumo Nacional (%) 27,55% 24,63% -2,92% -10,6%
Carga Elétrica São Paulo
(GWh) 179.422 219.834 40.412 22,5%
Fonte: Autoria Própria
Obtendo-se então uma Carga Elétrica estadual de 219.834 GWh.
4.1.2 Projeção da Suficiência Elétrica Paulista em 2030
Naturalmente, somente parte dessa eletricidade será gerada no estado de São Paulo. Para prever esse número, conforme citado na Metodologia, se necessita saber a Suficiência Elétrica de São Paulo. Utilizando-se dos dados de Carga Elétrica Brasileira obtidos dos documentos oficiais e da PECEN calculada anteriormente, estimou-se a Carga Elétrica de São Paulo, que foi comparada com a Eletricidade Gerada em São Paulo, obtendo-se a Suficiência Elétrica de São Paulo entre 2010 e 2019, conforme a tabela 3 abaixo:
Tabela 3: Estimativa da Suficiência Elétrica de São Paulo entre 2010 e 2019
Ano CEBR (GWh) PECEN (%) CESP (GWh)
Eletricidade Gerada SP (GWh) SESP (%) 2010 550.447 30,19% 166.200 74.214 44,65% 2011 567.644 30,09% 170.788 72.151 42,25% 2012 592.753 29,84% 176.885 78.534 44,40% 2013 611.169 29,41% 179.765 75.517 42,01% 2014 624.318 28,71% 179.223 65.409 36,50% 2015 615.650 28,09% 172.933 62.654 36,23% 2016 619.693 27,54% 170.659 73.460 43,04% 2017 625.682 27,74% 173.586 72.576 41,81% 2018 636.376 27,88% 177.425 66.495 37,48% 2019 651.285 27,55% 179.422 68.718 38,30%
Fonte: Autoria própria
Observando-se que a Suficiência Elétrica de São Paulo teve uma tendência de queda nos últimos anos, se optou por abortar a ideia de projetar a SESP a partir da TACC pois essa reduziria ainda mais a segurança energética estadual (mantendo a tendência atual, o valor chegaria a 31,74% em 2030), de modo que, como citado na Metodologia, se seguiu por uma abordagem conservadora de definir uma meta de SESP 2030 como a média dos valores desse indicador entre 2010 e 2019, aumentando ligeiramente a Suficiência Elétrica do estado em relação a 2019, obtendo-se:
𝑆𝐸𝑆𝑃 2030 = 40,67% (17)
4.1.3 Demanda de Geração de Eletricidade do Estado de São Paulo em 2030
Desse modo, com os valores da Carga Elétrica de São Paulo e da Suficiência Elétrica de São Paulo, pode-se calcular a eletricidade que de fato precisará ser gerada em São Paulo, conforme equação 4 apresentada anteriormente:
𝐷𝐸𝐺𝑆𝑃(2030) = 𝐶𝐸𝑆𝑃(2030) ∗ 𝑆𝐸𝑆𝑃(2030) (18)
𝐷𝐸𝐺𝑆𝑃(2030) = 219.834 𝐺𝑊ℎ ∗ 40,67% (19)
Considerando-se a geração atual de 68.718 GWh, é necessário se suprir uma diferença de geração elétrica de 20.688 GWh por ano, um aumento de 30,1%. Esse cálculo é detalhado na tabela 4:
Tabela 4: Detalhe do cálculo de demanda de geração elétrica em São Paulo 2030
Indicador 2019 2030 Delta Variação
Carga Elétrica Nacional (GWh) 651.285 892.578 241.293 37,0%
Parcela Estadual do Consumo Nacional 28% 25% -3% -10,6%
CESP (GWh) 179.422 219.834 40.412 22,5%
Suficiência Elétrica (%) 38,30% 40,67% 2,37% 6,19%
Geração Elétrica São Paulo (GWh) 68.718 89.406 20.688 30,1%
Fonte: Autoria própria
4.2 Potencialidades Regionais
4.2.1 Eólica
Sendo extremamente extenso, o estado de São Paulo conta com diversas dinâmicas atmosféricas diferentes, ainda mais se considerando que é necessário estudar os potenciais de geração eólica em diversas altitudes, já que a velocidade de vento varia significativamente com a distância entre o solo e a altura da região estudada, devido aos efeitos do atrito entre a superfície e as camadas mais baixas do vento (ELETROBRÁS et al., 2001). Além disso, a evolução tecnológica tem tornado mais viável a implementação de geradores eólicos offshore, geradores posicionados no oceano e não em terra firme, de modo que se expande ainda mais a área que precisa ser estudada para se encontrar as melhores posições para geradores eólicos (EPE, 2018b).
Os ventos regionais (aqueles advindos da geografia local e não da dinâmica atmosférica global), como os ventos causados pela presença de montanhas ou as brisas marítimas, em geral são os que propiciam a melhor disponibilidade e consistência em ventos aproveitáveis para geração elétrica (WORLD ENERGY COUNCIL, 2007) e, analisando-se o Atlas Eólico do Estado de São Paulo, documento mais compreensivo e detalhado sobre a realidade dos ventos estaduais, observa-se a confirmação dessa tendência, já que os melhores potenciais eólicos se encontram em regiões de altitude elevada como os entornos de Jaú e os topos das montanhas da Serra do Mar (SÃO PAULO, 2012). Já o litoral de São Paulo como um todo não demonstra
um potencial muito significativo, como boa parte do estado, já que o litoral paulista conta com os ventos mais lentos de todo o Brasil (EPE, 2018b).
A figura 13 abaixo mostra as velocidades médias de ventos ao redor do estado e mostra que não existem muitos locais apropriados para a instalação de turbinas eólicas onshore, dado que só é possível explorar esse tipo de energia de maneira economicamente viável quando o fator de capacidade das turbinas utilizadas é acima de 30%, o que só pode ser alcançado com ventos que contam com velocidades maiores do que 6,5 m/s (SÃO PAULO, 2012).
Figura 13: Velocidade média de ventos ao redor do estado a 100 metros de altura
Fonte: São Paulo, 2012
A tabela 5 a seguir traz os resultados do Atlas Eólico do Estado de São Paulo com o potencial eólico onshore aproveitável a 100 metros de altura em todo o estado após a retirada de todas as regiões com restrições de quaisquer tipos, como proximidades com áreas urbanas e zonas de preservação ambiental. A potência instaurável é de 4.734 MW com o fator de capacidade médio de 31,3%, podendo gerar 13 TWh, na altura de 100 metros (SÃO PAULO, 2012). Esse potencial ainda não foi aproveitado, dado que o estado de São Paulo só tem 2 kW de capacidade instalada de produção de eletricidade por fonte eólica (SÃO PAULO, 2020b).
Tabela 5: Potencial paulista aproveitável de geração eólica à 100 metros de altura
Faixa de Velocidade Área
(km2) Potência Instaurável (MW) Energia Anual (GWh) Fator de Capacidade (%) 6,5 ≤ V < 7 1.000 4.170 11.247 31 7 ≤ V < 7,5 129 543 1679 35 V ≥ 7,5 5 21 74 40 Total 4.734 13.000 31%
Fonte: Autoria própria
Quanto ao potencial offshore, se faz a observação que somente com fatores de capacidade acima de 45% que a geração de eletricidade a partir de turbinas eólicas se torna economicamente viável (VITERBO, 2008), e na região de Santos que existem locais que não desrespeitam nenhuma restrição ambiental e contam com condições climáticas médias que permitem superar esse valor, atingindo fatores de capacidade por volta de 50% (GOMES, M., 2018). Esse estudo, no entanto, foi elaborado a partir de poucas boias posicionadas no litoral brasileiro e ainda é preliminar, de modo que esse potencial não foi considerado durante a etapa de planejamento da matriz elétrica estadual e reforça-se a necessidade de estudos mais completos para que se conheça o suficiente das condições climáticas offshore e possa se tirar o melhor proveito delas.
Por fim, faz-se o comentário que, mesmo tendo esses valores, o potencial eólico do estado de São Paulo como um todo está entre os menores do Brasil, conforme é visível na tabela 6 a seguir, que foi elaborada pela EPE em seus estudos sobre energia renovável e mostra os potenciais eólicos levantados a partir dos atlas estaduais. Os valores de São Paulo divergem dos apresentados anteriormente, pois a EPE considera somente o potencial advindo de ventos com velocidades maiores dos 7 m/s.
Tabela 6: Potencial eólico dos atlas estaduais brasileiros
Fonte: EPE, 2016b
4.2.2 Geotérmica
A geração de eletricidade através de energia geotérmica atualmente representa menos 1% da matriz mundial e é significativa em poucas matrizes nacionais, com o destaque da Islândia, em que cerca de 29% da eletricidade gerada advém dessa fonte de energia (WORLD ENERGY COUNCIL, 2016). Para o uso dessa energia primária como fonte economicamente viável de eletricidade se necessita de reservatórios aquáticos subterrâneos com temperaturas elevadas, no mínimo 150° C (CLAUSER, 2006) e idealmente acima de 180°C (FRIDLEIFSSON et al., 2008). No Brasil há poucos estudos que analisem essas fontes, no entanto o IBGE realizou um levantamento nacional em 2010 sobre as bacias e os aquíferos brasileiros, e esses dados permitem algumas análises que indicaram que não há um potencial significativo para geração de eletricidade através dessa fonte, principalmente pela baixa temperatura das águas subterrâneas (DOS ANJOS, 2018) conforme demonstrado na tabela 7 abaixo.
Tabela 7: Temperatura dos aquíferos brasileiros
Fonte: DOS ANJOS, 2018
4.2.3 Hidráulica
São Paulo é um dos estados com maior potencial hidrelétrico do país, no entanto, boa parte desse potencial foi sendo colocado em operação ao longo dos anos, já que 73% de todo o potencial hidrelétrico paulista já é aproveitado hoje, um valor bem maior que a média brasileira de 43% (ELETROBRÁS, 2018). Observando-se a tabela 8 abaixo, pode-se ver o quão significativo é o estado de São Paulo dentro da produção hidrelétrica nacional, principalmente quando se fala das Usinas Hidrelétricas (UHE), o maior tipo de planta de geração hidrelétrica.
Tabela 8: Segmentação da capacidade instalada de usinas hidrelétricas em São Paulo e Brasil Capacidade
Instalada
São Paulo Brasil Participação SP
Unidades kW Unidades kW Unidades
(%) kW (%) Hidrelétrica 129 14.906.962 1.384 109.266.095 9,3 13,6 CGH 48 57.565 744 824.872 6,5 7,0 PCH 33 307.748 421 5.414.347 7,8 5,7 UHE 48 14.541.649 219 103.026.876 21,9 14,1 Total 1.083 23.857.007 9.024 173.722.652 12,0 13,7
Mesmo com esse grande aproveitamento dos recursos hídricos do estado, ao se estudar as potencialidades do estado, ainda se encontram locais que, além de deterem potenciais significativos para a geração de eletricidade, ainda atendem todos os requisitos geográficos, ambientais e econômicos dentre os quais: Não submergir áreas de preservação ambiental ou causar deslocamento de comunidades ribeirinhas, estar há uma distância mínima de cidades e permitem a geração de eletricidade com um custo atrativo ao mercado (SÃO PAULO, 2016), conforme demonstrado na tabela 9 abaixo, que consolida os dados de empreendimentos que atendem a todos os requisitos técnicos e permitem a geração de eletricidade com o preço teto de R$ 127,01/MWh:
Tabela 9: Empreendimentos e potências para Preço Teto de R$ 127,01/MWh
Fonte: SÃO PAULO, 2016
Caso se considere um preço teto de R$ 210,00/MWh, se tem ainda mais empreendimentos possíveis, conforme demonstrado na tabela 10 abaixo:
Tabela 10: Empreendimentos e potências para Preço Teto de R$ 210,00/MWh
Fonte: SÃO PAULO, 2016
Também se destaca a relação atual entre potência instaurável de acordo com o custo da eletricidade vendida e do número de aproveitamentos hidrelétricos de acordo com potência instaurável através das figura 14 e 15 abaixo:
Figura 14: Relação entre potência instaurável por preço teto da eletricidade
Fonte: SÃO PAULO, 2016
Figura 15: Número de aproveitamentos hidrelétricos de acordo com potência instaurável
Fonte: SÃO PAULO, 2016
Além disso, reitera-se que esses dados são ano de 2016 referentes a todo o ano de 2015. Entre o começo de 2016 e o final de 2019 houve a instalação de somente 3 MW no estado, de modo que o potencial instaurável real é ligeiramente menor, mesmo que esse fato não impacte de maneira significativa no resultado final do levantamento apresentado (EPE, 2016a;2020b).
4.2.4 Oceânica
A tecnologia de geração elétrica via fontes oceânicas teve seu primeiro projeto de impacto significativo instalado na Coréia do Sul em 1966, contendo 254 MW de potência instalada, no entanto depois de mais de cinco décadas, essa potência só alcançou 534 MW, e um dos principais motivos é a falta de competitividade dessa tecnologia perante as outras, como eólica e solar, principalmente com a diminuição dos custos que tem acontecido nas últimas décadas (TOLMASQUIM, 2016a). Ainda assim, essa tecnologia se mostra promissora por alguns motivos, como a alta densidade de energia, extensas áreas de aproveitamento e proximidade dos principais centros consumidores de eletricidade do mundo, além de serem mais previsíveis e menos dependentes de fatores ambientais do que outras fontes como solar e eólica, e ainda se tem feito pesquisas sobre ela ao redor do mundo (EPE, 2018b).
O litoral paulista conta com 734 km dos 10.959 km (6,7%) da costa nacional (IBGE, 2010) e, por consequência, a geração elétrica por fontes oceânicas é um ponto de possível interesse público para o estado. As formas de se gerar eletricidade a partir do oceano podem ser divididas a partir de suas fontes e, dentre as diversas que existem, as de maior relevância atualmente são as que geram eletricidade a partir das marés, ondas ou correntezas (TOLMASQUIM, 2016a). A figura 16 abaixo representa uma estimativa inicial do maior potencial oceânico aproveitável de cada região, sendo o potencial principalmente advindo das marés na região norte e das ondas nas outras, não abordando a geração por correntezas. A tabela seguinte traz os valores para as unidades federativas, mostrando que o potencial de São Paulo está entre os maiores do Brasil.
Figura 16: Potencial de Geração Oceânica por regiões no Brasil
Fonte: EPE, 2018b
Tabela 11: Segmentação Estadual da Geração Oceânica brasileira
UF Potencial (MW) Participação no Potencial
Nacional (%)
Bahia 14.100 12,3%
Rio Grande do Sul 12.800 11,2%
Santa Catarina 10.900 9,5% Rio de Janeiro 9.800 8,6% São Paulo 9.600 8,4% Ceará 8.380 7,3% Maranhão 8.350 7,3% Amapá 7.810 6,8% Pará 7.300 6,4%
Rio Grande do Norte 6.000 5,2%
Espírito Santo 5.940 5,2% Alagoas 3.600 3,1% Pernambuco 2.940 2,6% Sergipe 2.470 2,2% Paraíba 1.840 1,6% Paraná 1.510 1,3% Piauí 960 0,8% Brasil 114.300 100%
Fonte: Autoria própria baseado em TOLMASQUIM, 2016a
O valor de fator de capacidade atualmente estimado para esse tipo de tecnologia é entre 34% e 45% (TOLMASQUIM, 2016a) e, buscando a segurança energética, acoplou-se o
menor fator de capacidade no potencial acima, obtendo-se o potencial de geração de 28,6 TWh através dessa tecnologia.
4.2.4.1 Ondas
Esse potencial de 9.600 GW representa 8,4% do potencial nacional e é o 4° maior no país, advindo principalmente das ondas mais fortes que assolam as regiões sul e sudeste nas passagens de frentes frias e do extenso comprimento do litoral paulista (TOLMASQUIM, 2016a), já que as ondas de São Paulo, em média, tem altura, período de ocorrência e densidade de energia médios dentro do país, como ilustrado na figura 17 abaixo:
Figura 17: Média anual da altura significativa, período e potência das ondas da costa brasileira
Fonte: ESPINDOLA; ARAÚJO, 2017
Ainda assim, mesmo com valores médios de potência instalável por metro dentro do estado, essa geração ainda pode ser interessante pela grande previsibilidade e fatores capacidades que traz, pois estima-se valores de Fatores de Capacidade entre 34% e 45%, dependendo da tecnologia utilizada e local de implantação (TOLMASQUIM, 2016a).
4.2.4.2 Marés
Quando se comenta do potencial de geração elétrica advindo das marés, apesar de também ser uma fonte oceânica, pode-se esperar perspectivas diferentes já que a altura da maré depende
de diversos outros fatores, como a atração gravitacional da Lua e do Sol nos oceanos, assim como a geografia oceânica do local, fatores que não influenciam significativamente formação de ondas (PIOVANI; TRIGOSO, 2020). Ainda assim, mesmo com as poucas pesquisas nacionais sobre essa tecnologia, é possível perceber que esse desenvolvimento seria mais bem aplicado no Nordeste brasileiro, enquanto o litoral paulista não detém um potencial relevante, já que as marés do litoral sudeste como um todo tem médias de amplitude menores de 2 metros (PIOVANI; TRIGOSO, 2020) conforme representado na figura 18 abaixo, que apresenta um mapa brasileiro com as amplitudes de maré correspondentes às posições do litoral.
Figura 18: Amplitude de marés no litoral brasileiro
Fonte: FLEMING, 2012 4.2.4.3 Correntezas
As duas principais correntes oceânicas que passam pela costa brasileira são a Corrente do Brasil, que se desloca na direção sul a partir do extremo leste nordestino, e a Corrente Sul
Equatorial (ou Corrente do Norte do Brasil), que viaja para Noroeste pela costa Sul Americana até o Caribe (PIDWIRNY, 2006), conforme figura 19 abaixo.
Figura 19: Mapa das correntes oceânicas
Fonte: PIDWIRNY, 2006
Dados apresentados sobre a velocidade média da Corrente do Brasil varia entre fontes, mas se encontram dentro da margem de 0,4 e 0,7 metros por segundo (FLEMING, 2012; LAURINDO et al., 2017; SILVEIRA, 2008), como apresentado na figura 20 a seguir. Essa velocidade média indica que essa corrente não apresenta potencial para geração de energia elétrica, já que a velocidade mínima para o funcionamento de turbinas de grande porte é de 0,7 m/s e a velocidade ótima é ainda maior (GALDINO et al., 2018; LEWIS, 2011). Ainda assim, ressalta-se a importância de novos estudos nacionais serem feitos em todos os aspectos da geração oceânica, já que o Brasil conta com uma extensa costa e grande parte da população se encontra nessa região (QUITINO, 2018).
Figura 20: Velocidade de correntezas no Oceano Atlântico
Fonte: LAURINDO et al., 2017 4.2.5 Solar
O Brasil está quase que inteiramente localizado na região entre os trópicos de capricórnio e câncer, de modo recebe incidência solar durante todo o ano e em quase todo seu território, tendo condições vantajosas para o aproveitamento da energia solar (EPE, 2018b). O estado de São Paulo por sua vez também conta com um potencial significativo, principalmente em seu noroeste, onde conta com incidências solares mais intensas, conforme as figura 21, que traz a média anual de irradiação horizontal global, e tabela 12, que segmenta a área do estado por faixa de radiação solar incidente (kWh/m2.dia) abaixo. Desse potencial, uma pequena parte dessa incidência solar já é aproveitada, dado que o estado tem 383 MW de potência instalada em geração elétrica via fontes fotovoltaicas (SÃO PAULO, 2020b), descritos na tabela 13.
Figura 21: Média anual de irradiação global horizontal
Fonte: WORLD BANK GROUP, 2020
Tabela 12: Segmentação da radiação solar incidente no estado
