SNPTEE
SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
GPL-24 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais
GRUPO VII
GRUPO DE ESTUDO DE PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS – GPL
INVESTIMENTO E TARIFA DE USO DO SISTEMA DE TRANSMISSÃO COMO CRITÉRIO PARA A SELEÇÃO DO LOCAL ÓTIMO DE IMPLANTAÇÃO DE USINAS TÉRMICAS
Jonas Linhares Melo Wagner da Silva Lima* Monica de Souza Antônio César Baleeiro Alves CELG EEE/UFG FAP
RESUMO
Este artigo apresenta uma metodologia para obtenção da locação ótima de uma usina térmica a gás natural, objetivando minimizar os custos dos sistemas de conexão ao sistema elétrico, gasoduto e de adução de água, levando-se em consideração a Tarifa de Uso do Sistema Elétrico. É apresentado um estudo de caso exemplificando o problema.
PALAVRAS-CHAVE
Geração Termelétrica, Locação de Usinas Térmicas, TUST, Otimização.
1.0 - INTRODUÇÃO
Na análise de investimentos em geração de energia elétrica considerando o contexto atual do setor elétrico brasileiro, principalmente para usinas termelétricas a gás natural, além dos custos dos equipamentos próprios de uma usina térmica como as turbinas a gás, caldeiras de recuperação de calor, turbinas a vapor, geradores e acessórios eletromecânicos, devem ser levados em consideração os custos com linhas de transmissão, ramal de gasoduto e adução de água para refrigeração.
Estes sistemas possuem seu custo valorado por unidade de comprimento. Porém em locais onde há mais de uma opção de conexão ao sistema elétrico, o custo com Tarifa de Uso do Sistema de Transmissão – TUST – deve ser levado em consideração, pois este pode variar consideravelmente dentro de uma mesma região.
Levando-se em conta apenas o investimento, uma alternativa de conexão pode, à primeira vista, parecer ser a mais econômica, porém com o passar do tempo, as despesas com a TUST podem tornar a opção menos atrativa que outra em que o custo inicial é mais elevado e a TUST menor.
2.0 - INTEGRAÇÃO DA USINA TÉRMICA
Os estudos para localização ótima da usina compreendem as seguintes etapas:
• Definição da região de implantação;
• Identificação do gasoduto principal que fornecerá gás ao empreendimento;
• Identificação dos pontos de conexão elétrica (subestações) e definição das alternativas de interligação elétrica, tais como nível de tensão e número de circuitos;
• Determinação das tarifas nodais ou TUST;
• Definição do sistema de resfriamento da usina e identificação dos mananciais hídricos para retirada de água;
• Determinação dos locais ótimos de implantação, conforme será especificado na seção 4;
• Obtenção dos custos de implantação das subestações para cada alternativa de interligação elétrica;
• Obtenção dos custos de integração da usina, compreendendo os custos do gasoduto, linha(s) de transmissão e adutora de água;
• Obtenção do custo final de integração da usina para cada alternativa levando-se em consideração além dos custos com subestação, gasoduto, linha(s) de transmissão e adutora de água, as despesas com a TUST.
* Escola de Engenharia Elétrica - Praça Universitária s/n - CEP 74.605-220 - Goiânia - GO - BRASIL
Tel.: (062) 209-6070 - Fax: (062) 521-1806 - E-MAIL: wagner@eee.ufg.br
A alternativa selecionada para determinar o local do empreendimento será a que tiver o menor custo final de integração.
Sempre que se for definir uma região ou locação deve- se estar atento para possíveis restrições de caráter ambiental, excluindo da análise locais sujeitos a tensões desta natureza, por exemplo, reservas naturais, reservas indígenas e áreas com grande concentração de indústrias poluidoras com restrições severas à emissão aérea de poluentes.
Existem restrições de natureza não ambiental como áreas densamente povoadas, mananciais hídricos com qualidade não adequada e conflitos pelo uso da água.
Esta análise é específica de cada região.
Como a usina térmica depende de três sistemas de transporte: gás natural, eletricidade e água, este artigo empregará o termo integração da usina, como sendo o conjunto destes três sistemas de transporte.
3.0 - A TARIFA DE USO DO SISTEMA DE TRANSMISÃO
A Resolução ANEEL nº 281 de 01 de outubro de 1999, estabelece as condições de acesso aos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica, aprovando a metodologia utilizada pelo programa NODAL que simula tarifas de uso a sistemas elétricos com tensão superior ou igual a 69 kV. Segundo o artigo 13º desta, os encargos de uso dos sistemas de transmissão ou de distribuição deverão ser suficientes para a prestação destes serviços e serão devidos aos respectivos concessionários, permissionários e ao ONS.
A tarifa de transmissão é determinada pela tarifa nodal, onde geradores e consumidores pagam uma tarifa anual fixa. Esta tarifa é em reais (R$) para cada kW instalado para os geradores e em reais por consumo de ponta anual para as cargas (demanda). Ela depende da localização do agente, não dependendo do despacho e contratos, logo, não há tarifas de pedágio.
A TUST é variável conforme a localização do ponto de conexão do agente com o sistema interligado. Um gerador cuja presença implique em sobrecarga para o sistema estará sujeito a uma tarifa maior que aquele cuja locação represente um ganho para o sistema, podendo em alguns casos, dependendo deste ganho, ser remunerado por este benefício (TUST).
Um dos inconvenientes da TUST é que ela variava, anualmente, à medida que o sistema elétrico se expandia. Recentemente, o decreto nº 4.562 de 31 de dezembro de 2002, em seu artigo quarto, determinou a revisão da sistemática de cálculo da TUST, observando, dentre outras, a diretriz de tornar os encargos de transmissão mais estáveis para os empreendimentos de geração de energia elétrica.
4.0 - LOCAÇÃO ÓTIMA DA USINA TÉRMICA
Para determinação da localização ótima da usina térmica, a metodologia proposta neste trabalho não leva em consideração os parâmetros ambientais. O estudo de caso demonstrou que em locais onde não há restrições ambientais esta metodologia pode ser aplicada satisfatoriamente.
Caso existam restrições ambientais, a metodologia proposta serve como uma primeira aproximação para solução do problema, devendo se verificado se a localização indicada para a usina, o traçado da linha de transmissão, do gasoduto e da adutora de água não passam por regiões ambientalmente “proibidas”.
Um modelo para solução deste problema que levasse em consideração as restrições ambientais teria que ser bem mais sofisticado do que o aqui proposto, que poderia envolver na solução ferramentas baseadas em sistemas de informações georeferenciadas, células de restrição e otimização multi-critério.
Na instalação de uma usina termelétrica a gás natural devem ser levados em consideração três sistemas distintos de transporte:
• Combustível (gasoduto);
• Água para refrigeração (adução);
• Sistema de transmissão de energia elétrica (LT).
Cada um destes sistemas possui um custo unitário próprio em função da distância (US$/km). Uma visão geral da integração destes sistemas é apresentada de forma esquemática pela Figura 1.
FIGURA 1: VISÃO GERAL ESQUEMÁTICA DA INTEGRAÇÃO DE UMA USINA TERMELÉTRICA A GÁS NATURAL.
O custo total dos diversos sistemas de transporte é dado por:
C = $lt . ds + $g . dg + $ad . dr (1) Onde:
C - custo total dos três sistemas;
$lt - custo unitário da linha de transmissão em US$/km;
ds - distância da usina à subestação, em km;
$g - custo unitário do gasoduto em US$/km;
dg - distância da usina ao gasoduto, em km;
$ad - custo unitário da adutora de água em US$/km;
dr - distância da usina ao manancial hídrico, podendo ser um rio, em km.
O problema de se obter a locação ótima da usina é um problema de minimização do custo dos diversos sistemas de transporte. Para simplificação não será considerada a topografia do terreno, ou seja, as diferenças de altitudes, considerando o terreno como plano, onde todos os pontos estão na mesma cota de altitude.
O gasoduto e o rio serão aproximados por retas, cujas equações no plano cartesiano xy são, respectivamente y = a.x + b e y = c.x + d. A subestação é representada pelo ponto (z, w) e o problema consiste em encontrar as coordenadas (x, y) da usina que minimize o custo de implantação dos três sistemas. A distância ds entre a usina térmica e a subestação é a distância entre dois pontos e é dada por:
( x z ) (
2y w )2
ds = − + − (2)
A distância dg entre a usina térmica e o gasoduto é a obtida de maneira análoga:
( x xg ) (
2y yg )2
dg = − + − (3)
As coordenadas (xr, yr) são do ponto da reta de menor distância ao ponto (x,y):
1 . .
2
+
−
= + a
b a y a xg x
yg = a . xg + b
(4a) (4b) De maneira análoga é obtida a distância da usina térmica ao manancial hídrico, que neste caso é um rio:
( x xr ) (
2y yr )2
dr = − + − (5)
As coordenadas (xr,yr) são obtida pela menor distância de um ponto a uma reta:
1 . .
2
+
−
= + c
d c y c xr x
yr = c . xr + d
(6a) (6b) O problema de obtenção da locação ótima é um problema de otimização não linear modelado conforme a equação 7 apresentada a seguir. A resolução deste sistema pode ser obtida através de programas computacionais específicos para resolução de problema de programação não lineares. Neste estudo foi utilizado o Lingo
1.
Min C = $lt . ds + $g . dg + $ad . dr (7)
s.a.
( x z ) (
2y w )2
ds = − + − (7a)
( x xg ) (
2y yg )2
dg = − + − (7b)
1 . .
2
+
−
= + a
b a y a
xg x (7c)
yg = a . xg + b
(7d)
( x xr ) (
2y yr )2
dr = − + − (7e)
1 . .
2
+
−
= + c
d c y c
xr x (7f)
Yr = c . xr + d
(7g)
1
O Lingo é um software para resolver problemas lineares e não lineares, da Lindo Systems Inc. Neste estudo foi utilizada a versão de demonstração disponível para download na internet (www.lindo.com).
A obtenção do local ótimo de instalação da usina termelétrica a gás natural através da solução do sistema de equações 7 fornece um resultado satisfatório apesar das simplificações consideradas.
Outras restrições podem ser consideradas, como por exemplo, a construção de uma via de acesso, que neste caso foi negligenciada, e o custo do terreno, caso haja variação significativa de custo em áreas próximas ou adjacentes. O resultado deve ser considerado como um indicativo da região onde poderá ser construída a usina, uma análise detalhada do local indicado deve ser realizada para evitar desapropriações onerosas e impactos ambientais significativos.
5.0 - COMO A TARIFA DE USO DO SISTEMA DE TRANSMISSÃO – TUST – DEVE SER TRATADA A TUST varia com o nível de tensão e por subestação.
O seu valor anual é significativo. Podem ocorrer variações significativas da TUST para subestações de uma mesma região. Pode ocorrer que a alternativa mais barata de conexão deixe de sê-lo ao incorporar a TUST. Recomenda-se que seja considerado no valor da integração o Valor Presente Líquido – VPL da TUST por um período equivalente ao tempo de vida útil do empreendimento. Desta forma o custo da tarifa de uso da rede fará parte do custo da integração, evitando que alternativas de custo baixo e TUST alta sejam classificadas como as mais atraentes, o que nem sempre é verdadeiro.
6.0 - ESTUDO DE CASO
Como estudo de caso analisaremos a inserção de uma usina térmica a gás natural em ciclo combinado no Estado de Goiás, de 280 MW, a um custo unitário de 568,29 US$/kW, totalizando US$ 159.120.534,88 de investimento. Neste montante estão incluídos os custos com equipamentos da usina, despesas de importação, taxas e impostos, não foram considerados custos com a integração aos sistemas elétrico, de gás natural e de adução de água (1).
Os estudos para definir a localização da planta
seguiram os preceitos da seção 6. A escolha do local
de instalação da termelétrica levou em consideração
vários aspectos, como a proximidade de um centro
consumidor de energia elétrica, a proximidade do
gasoduto e a disponibilidade de água para a turbina a vapor e sistema de refrigeração.
Ao se analisar a inserção de usinas térmicas a gás natural no Estado de Goiás definiu-se a região da cidade de Goiânia, capital do Estado, como a área de estudo, por ser uma região onde há grande consumo de energia elétrica, com disponibilidade de bons mananciais hídricos capazes de suprir a usina e o traçado previsto para o gasoduto do Centro-Oeste passar pela região de Goiânia.
Foram selecionados quatro pontos – subestações ou SEs – de conexão à rede elétrica: SE Anhanguera, SE Goiânia Leste e SE Xavantes, toda de propriedade da Companhia Energética de Goiás – CELG.
A interligação elétrica entre a usina térmica e cada uma destas subestações pode ser realizada de várias maneiras: em 138 kV com circuito duplo, em 230 kV em circuito simples ou duplo. Como a SE Goiânia Leste não dispõe de setor de 138 kV, as possibilidades de conexão são em 230 kV circuito simples ou duplo.
Cada uma destas subestações possui uma tarifa de conexão dependendo do nível de tensão. A TUST ou tarifa nodal de cada alternativa foi calculada pelo programa NODAL disponibilizado pela ANEEL. Os valores obtidos estão apresentados na Tabela 1.
TABELA 1: TUST PARA CONEXÃO DE GERAÇÃO POR BARRAMENTO DE SUBESTAÇÃO.
Barra Encargo Subestação-proprietário
kV 1000 R$ /
ano 1000 US$
/ ano Xavantes – CELG 138 1.301,76 719,88 Xavantes – CELG 230 1.405,08 777,02 Goiânia leste - CELG 230 1.849,20 1.022,62 Anhanguera - CELG 138 2.289,36 1.266,03 Anhanguera - CELG 230 2.289,36 1.266,03 NOTA: Cotação de jun/2001: US$1,0000 = R$ 1,8083.
6.1 Caracterização das alternativas da configuração de integração
Combinando as alternativas possíveis de conexão ao sistema elétrico com as alternativas possíveis de captação de água chegamos a onze alternativas prováveis de integração da usina térmica na região selecionada, as alternativas estão listadas na Tabela 2.
Como está previsto a construção de apenas um gasoduto para a região haverá apenas uma alternativa para este tipo de conexão.
6.2 Determinação dos locais ótimos de implantação A determinação do local ótimo de implantação será obtida, para cada uma das alternativas apresentadas na Tabela 2, conforme a seção 4.
Os resultados obtidos para os custos de integração de cada uma das alternativas da Tabela 2 estão apresentados na coluna [1] da Tabela 3, localizada no final deste artigo, os custos apresentados nesta coluna
se referem às despesas com construção do ramal de gasoduto, linha(s) de transmissão da usina até a subestação e tubulação do sistema de adução de água.
TABELA 2: ALTERNATIVAS DE IMPLANTAÇÃO DA USINA TÉRMICA.
Alter-
nativa Subestação Barra kV
Tipo do
Circuito Manancial de retirada de água
1 138 Duplo
2 Xavantes Duplo
3 CELG 230
Simples
4 Duplo 5
Goiânia Leste CELG 230
Simples
6 138 Duplo
7 Duplo
8 230
Simples
Rio Meia Ponte
9 138 Duplo
10 Duplo
11
Anhanguera CELG
230
Simples
Rio Caldas
Os custos das subestações variam com:
• a tensão de interligação entre a usina e subestação existente;
• o tipo de circuito de interligação entre a usina e a subestação existente;
Nesta análise foram considerados para composição dos custos da subestação apenas os equipamentos comuns, ou seja, aqueles que independem da configuração da usina, os transformadores elevadores e bays de grupo não foram considerados por dependerem da configuração das máquinas da usina.
Os custos de cada alternativa de construção de subestação estão mostrados na coluna [2] da Tabela 3, localizada no final deste artigo.
A solução ótima de locação da usina será aquela de menor custo. A análise isolada do custo de integração da usina ao sistema, que compreende os custos de integração das alternativas apresentadas na coluna [1]
da Tabela 3 somadas aos custos de construção da subestação mostrados na coluna [2] da Tabela 3, não é suficiente para indicar a opção mais econômica, pois deve ser levado em consideração o sinal locacional da Tarifa de Uso do Sistema de Transmissão.
A TUST é variável por nível de tensão e por subestação e representa um valor anual significativo.
Os valores da TUST para as subestações de interesse
foram apresentados na Tabela 1. Para inclusão da
TUST na análise da locação da usina o parâmetro que
será levado em consideração será o valor do
investimento em integração (gasoduto, LT, SE e
adução de água) calculado pela equação 8a, somado
ao Valor Presente Líquido (VPL) da TUST,
determinado por 8b, por um período de até vinte anos,
que é o tempo de vida útil do empreendimento. O custo
da integração da usina ao sistema levando em
consideração o investimento e a TUST pode ser calculado pela equação 8, para um período de n anos.
C
inv+TUST= C
inv+ C
TUSTC
inv= C
LT+ C
GDT+ C
ADA+ C
SE nC
TUST= TUST . Σ ( 1 + j )
–tt = 1
(8) (8a) (8b) Onde:
C
inv+TUST- custo da integração da usina ao sistema levando em consideração o investimento e a Tarifa de Uso do Sistema de Transmissão (TUST);
C
inv- custo do investimento em integração;
C
LT- custo de implantação da(s) linha(s) de transmissão. Considera apenas os custos comuns às diferentes alternativas de motorização;
C
GDT- custo de implantação do ramal de gasoduto;
C
ADA- custo da adutora de água;
C
SE- custo de implantação da subestação (setores comuns);
VPL
TUST- valor presente líquido da TUST para um período de t anos;
i - taxa de juros;
n - número de anos do período analisado.
A Tabela 3 trás para cada alternativa os valores de custo global do gasoduto, linha(s) de transmissão e adutora na coluna rotulada com [1], os custos dos setores comuns da subestação na coluna [2], o custo total com integração, rotulado na [3], correspondente a soma das colunas [1] e [2] e a tarifa nodal por ano na coluna [4].
Os resultados do fluxo financeiro considerando o investimento e a TUST são apresentadas nas últimas colunas, indicadas por [5], pelo VPL dos fluxos de caixa parciais para períodos de 1, 3, 4, 5 e 20 anos. Os valores mínimos de cada período estão destacados na tabela.
Observando os resultados da Tabela 3 conclui-se que a opção mais econômica ou solução ótima é a de número 9: conexão da usina na SE Xavantes através de duas linhas de transmissão (circuito duplo) em 138kV, com captação de água no rio Meia Ponte, pois é a que apresenta menor valor do investimento acrescido do Valor Presente Líquido das despesas com a TUST para um período igual à vida útil do empreendimento (20 anos).
Esta alternativa já é a mais atrativa a partir do quarto ano do período de análise. A alternativa selecionada como ótima possui custo de investimento 18,7% maior que a opção com menor custo inicial, que é a opção de número 4: conexão com a SE Anhanguera em 138 kV através de circuito duplo, com captação de água no rio Meia Ponte, esta alternativa é inicialmente a mais econômica, e assim permanece até o terceiro ano, a TUST desta opção é 75,9% maior que a mesma tarifa da solução ótima.
Os resultados mostraram que a solução de menor custo de implantação pode não ser a mais econômica dependendo da TUST e da SE de conexão da geração ao sistema. A Figura 2, localizada no final deste artigo, apresenta o gráfico da evolução destes custos para todas as alternativas.
Finalizada a análise de locação ótima, é possível determinar o custo total final para o empreendimento da alternativa mais econômica, que foi a com conexão na SE Xavantes através de duas linhas de transmissão (circuito duplo) em 138kV, com captação de água no rio Meia Ponte, cujos valores estão apresentados na Tabela 4.
TABELA 4 - CUSTO TOTAL FINAL DO EMPREENDI- MENTO COM ALTERNATIVA DE CONEXÃO MAIS ECONÔMICA.
Descrição dos custos unidade 280 MW Custo da planta geradora US$ 159.120.534,88 Linha de Transmissão US$ 953.579,43
Subestação US$ 8.051.184,42
Gasoduto US$ 2.096.133,61
Adutora de água US$ 0,00
TOTAL US$ 170.221.432,35
Custo unitário final em US$/kW 607,93 7.0 - CONCLUSÕES
Para definição do local de implantação da usina, além da aplicação de ferramentas matemáticas de otimização para minimizar o custo de integração da planta aos sistemas elétrico, de gás natural e de captação de água, deve ser considerada a Tarifa de Uso do Sistema de Transmissão (TUST), paga anualmente pela usina para conexão ao sistema elétrico (rede básica), pois esta pode variar significativamente, dependendo da subestação onde se faça a conexão da usina, fazendo com que, em alguns casos, a alternativa de menor custo de implantação se torne mais onerosa com o passar do tempo à medida que são desembolsadas as parcelas anuais da TUST.
Esta observação é valida com a estabilização da TUST no tempo, o que está determinado no Decreto nº 4.562 de 31/12/2002.
8.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) MELO, JONAS LINHARES. Análise da inserção regional de termogeração de energia elétrica no Estado de Goiás. Dissertação de Mestrado. Goiânia:
UFG/EEE, 2002- BRASIL.
(2) FADIGAS, E. A. F. A., Identificação de locais e opções tecnológicas para implantação de termelétricas no sistema elétrico brasileiro: contribuição à metodologia e aplicação ao caso do gás natural. 1999.
287 p. Tese de doutorado, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo.
(3) RAMOS, D. S., et al., Site selection and economic risks of thermal power plant projects under the new Brazilian regulatory framework. In: IEEE PowerCon 2000, Pert, Austrália, dez. 2000. Anais do congresso:
Austrália, 2000.
CUSTO DA INTEGRAÇÃO
5 10 15 20 25
0 5 10 15 20
ano
m ilh õe s de U S $
SE Anhanguera - 138 kV - Circ. Duplo - Rio Caldas SE Anhanguera - 230 kV - Circ. Simples - Rio Caldas SE Anhanguera - 230 kV - Circ. Simples - Rio Meia Ponte SE Anhanguera - 230 kV - Circ. Duplo - Rio Caldas SE Anhanguera - 230 kV - Circ. Duplo - Rio Meia Ponte SE Xavantes - 230 kV - Circ. Simples - Rio Meia Ponte SE Goiânia Leste - 230 kV - Circ. Duplo - Rio Meia Ponte SE Xavantes - 230 kV - Circ. Duplo - Rio Meia Ponte SE Goiânia Leste - 230 kV - Circ. Simples - Rio Meia Ponte SE Anhanguera - 138 kV - Circ. Duplo - Rio Meia Ponte SE Xavantes - 138 kV - Circ. Duplo - Rio Meia Ponte
FIGURA 2: EVOLUÇÃO DO CUSTO DE INTEGRAÇÃO DA USINA AO SISTEMA COM O VPL DA TUST.
TABELA 3: CUSTO DE INTEGRAÇÃO DA USINA AO SISTEMA COM O VPL DA TUST EM 10
6US$ (MILHÕES DE DÓLARES).
[1] [2] [3] [4] [5] Resultado do fluxo financeiro Invest Investimento + VPL da TUST LTs
Gasoduto Total TUST Número de anos Alternativa
Adução
Subes- tação
[1]+[2] Anual 1 3 4 5 20
