Crise energética no Brasil: Impacto do nível do reservatório hidrelétrico na vazão do rio – final

Observação foi testada com níveis históricos de reservatórios e dados de vazão de rios de várias barragens no Brasil. Parte final apresenta as discussões e a conclusão sobre o tema

Resumo:  as estratégias de gestão da água podem ter impactos consideráveis no clima e na hidrologia regionais. Geralmente, a construção e operação de energia hidrelétrica reduzem a vazão do rio a jusante devido ao aumento da evaporação. No entanto, este trabalho mostra que em regiões úmidas, como no Brasil, os reservatórios de armazenamento de energia hidrelétrica contribuem para aumentar a vazão do rio.

Esta observação foi testada com níveis históricos de reservatórios e dados de vazão de rios de várias barragens no Brasil. Verificou-se que a operação de reservatórios no Brasil tem um impacto considerável sobre a vazão de seus rios. Quanto maior o nível de armazenamento no início do período úmido, maior será a vazão do rio durante o período úmido. O trabalho propõe estratégias para permitir que os reservatórios se encham e para manter os reservatórios cheios no futuro, com o intuito de aumentar a geração hidrelétrica e reduzir a intermitência de outras fontes renováveis de energia.

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4. Discussão
4.1 Controle de inundação

Um aspecto importante que deve ser considerado na operação das barragens e que não é considerado neste trabalho é a utilização dos reservatórios de armazenamento para controle de enchentes. Essa questão é importante porque um nível alto do reservatório contribui para aumentar a vazão do rio, conforme mostrado neste artigo.

Estudos adicionais devem ser implementados para estimar a capacidade mínima de armazenamento necessária para conter grandes enchentes em cada uma das barragens analisadas. No Brasil, é geralmente assumido que a barragem deve ser mantida a um máximo de 90% durante a operação normal, com a intenção de armazenar grandes descargas de água durante eventos de inundação.

4.2 Aumento da vazão do rio x evaporação
A evaporação média ao longo do ano para o reservatório de Sobradinho operando com o reservatório cheio ao longo do ano é estimada em 269 m³/s. Isso é significativamente menor do que o aumento de 1.600 m³/s na vazão do rio São Francisco como resultado da operação em alto nível no final de outubro, conforme mostrado na Figura 8.

Figura 8: Comparação entre o aumento da vazão do rio e a evaporação com diferentes níveis de reservatório

4.3 Vazão ambiental do rio
É de extrema importância sempre manter a vazão ambiental do rio a jusante de uma barragem para sustentar um equilíbrio da fauna e flora aquática e terrestre. Para garantir que a vazão do rio seja necessária para manter um ambiente saudável a jusante da barragem, os reservatórios devem sempre operar em níveis elevados, caso ocorra uma seca, haverá água para manter a vazão do rio. Além disso, conforme mostrado neste artigo. Se os níveis dos reservatórios forem mantidos elevados, a chance de uma seca diminui nas barragens analisadas neste trabalho.

4.4 Otimização de despacho de energia
Outro motivo importante para manter os reservatórios hidrelétricos elevados é garantir que haverá água para operar as turbinas existentes para fornecer energia à rede, conforme mostrado na Figura 9a. Durante a crise energética de 2014, faltou água nos reservatórios da região Sudeste para garantir a demanda de energia do sistema, o que alertou para a necessidade de investimentos em tecnologias de abastecimento de energia à rede, como termelétricas de pico e soluções de armazenamento de energia.

Outro exemplo de seca que impactou a capacidade das barragens hidrelétricas de suprir as necessidades de energia na região Sul é mostrado na Figura 9b. O operador da rede deve ter conservado água nos reservatórios do Sul fora dos horários de pico para garantir que poderia gerar energia hidrelétrica durante os horários de pico.

Figura 9: Fornecimento de energia com energia hidrelétrica nas regiões (a) Sudeste e (b) Sul.

O Brasil tem uma capacidade hidrelétrica instalada de mais de 120 GW para suprir uma demanda máxima de eletricidade de 90 GW. Se houver água armazenada para usar a capacidade de geração de energia hidrelétrica existente, a energia não será um problema por um tempo. Isso aumenta, ainda mais, a importância de manter elevados os níveis dos reservatórios hidrelétricos existentes.

Seguindo esse raciocínio, com o abastecimento de água resolvido, as necessidades futuras de energia do país poderiam ser atendidas com o aumento da capacidade instalada nas barragens existentes e permitir que a energia hidrelétrica complementasse a geração de energia solar e eólica.

 4.5 Geração de eletricidade térmica
O Brasil presenciou uma grande mudança na regulamentação de seu mercado de geração de eletricidade em 2021. O preço da eletricidade mudou de um custo baseado na semana para um baseado na hora. Essa mudança na regulamentação também resultou em uma alteração no funcionamento das usinas termelétricas.

Por exemplo, a Figura 10 mostra a mudança no despacho na planta de ciclo fechado a gás de Cuiabá após fevereiro de 2021, e uma comparação com o despacho da geração a diesel. Dado que o Brasil ainda possui grandes reservatórios hidrelétricos e gera mais de 60% da energia hidrelétrica, as usinas de ciclo fechado a gás do país devem operar como base, inclusive nos finais de semana e reduzir ao máximo a geração em usinas a diesel que têm maior custo operacional e maior emissão de CO2, e permitem que as hidrelétricas se recomponham.

Figura 10: Geração termelétrica com ciclo combinado a gás e diesel no novo esquema operacional

Assumindo que a recomposição do reservatório será realizada com a operação de 5 GW adicionais de usinas termoelétricas operando em carga de base e o aumento necessário no armazenamento de energia nos reservatórios brasileiros seja de 165 GW médios, levaria dois anos e nove meses para preencher o reservatórios de armazenamento. Observe que, durante este período, quando as usinas hidrelétricas estão gerando menos do que deveriam gerar, os regulamentos devem ser colocados em prática para garantir que os contratos dos proprietários das barragens não sejam violados.

4.6 Armazenamento de energia hidrelétrica bombeada sazonal
Uma opção para permitir que os reservatórios hidrelétricos operem quase que cheios, com a intenção de aumentar a vazão do rio, e ao mesmo tempo reduzir o risco de enchentes e perdas com vertimento, é a construção de usinas hidrelétricas bombeadas sazonais (UHR) em paralelo para o rio principal (Figura 11a). As usinas UHR extraem água de represas de reservatórios hidrelétricos existentes e bombeiam para um reservatório superior novo ou existente em rios afluentes menores do rio principal (Figura 11b).

Além de aumentar a geração de energia hidrelétrica em cascata e o abastecimento de água para diversos fins, o UHR pode ser usado para armazenar excedentes sazonais de geração de eletricidade em usinas eólicas na região Nordeste. O UHR requer uma pequena área para armazenar uma grande quantidade de água e energia devido à sua grande variação do nível do reservatório (Figura 11c). Várias plantas UHR foram propostas para bacias hidrográficas brasileiras. Outra opção para armazenar energia e água sazonalmente paralela a um grande rio é com o armazenamento de safras de energia.

Figura 11: Usinas hidrelétricas com bombeamento sazonal (a) representadas em cascata, (b) vista lateral e (c) uma comparação entre armazenamento de água e energia e uso da terra [64] para represas de reservatório convencionais e usinas UHR
5. Conclusão
Este trabalho mostrou que os níveis dos reservatórios das usinas hidrelétricas têm um impacto significativo na vazão dos rios na região Sudeste do Brasil. Em média, o impacto do nível do reservatório em outubro das barragens analisadas pode chegar a um aumento de 112% na vazão do rio. Esse aspecto mostra que a vazão do rio impacta o nível do reservatório na escala semanal e mensal, porém, olhando para a escala anual, é o nível do reservatório que influencia a vazão do rio, conforme mostrado na Figura 2.

As barragens que devem ser preenchidas primeiro para reduzir a necessidade de energia térmica são Jurumirim, Três Marias, Sobradinho, Furnas, Emborcação, Nova Ponte, Serra da Mesa, depois Paraibuna. Após o enchimento dos reservatórios, o nível médio dos reservatórios ao final de outubro deve ser de 78% e as hidrelétricas em cascata devem operar com fator de capacidade de 50%.

Este baixo fator de capacidade permitirá que o potencial hidrelétrico gere eletricidade quando não houver energia solar ou eólica na rede. O que, por sua vez, permite que mais energia solar e eólica seja adicionada à rede sem a necessidade de novas soluções de armazenamento.

O Brasil tem um grande potencial hidrelétrico, que não foi explorado em sua plenitude desde a seca de 2014 e 2015. O país deve se concentrar na geração de termeletricidade, energia solar e eólica, e na conservação de energia para permitir o aumento dos reservatórios para que o país poça no futuro gerar mais energia hidrelétrica com as barragens existentes, reduzir seus custos de eletricidade e reduzir as emissões de CO2 de fontes de eletricidade térmica.

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Este artigo está dividido em quatro seções. Na última terça-feira (28/09) foi publicada a introdução. A seção 2, publicada no último dia 30/09.

A seção 3, publicada em 05/10, apresenta os resultados do artigo.

A seção 4 discute os resultados desta pesquisa. A seção 5 conclui o artigo – ambos publicados nesta segunda-feira (11/10).

Julian David Hunt e Roberto Brandão são pesquisadores do Grupo de Estudos do Setor Elétrico (Gesel/UFRJ); Nivalde José de Castro é coordenador do Gesel/UFRJ. 

O artigo também teve contribuições de: Andreas Nascimento (UFES), Carla Schwengber ten Caten (UFRGS), Fernanda Munari Caputo Tomé (IEE-USP), Paulo Smith Schneider (UFRGS), Andre Luis Ribeiro Thomazoni(UFRGS), Marcos Aurelio Vasconcelos de Freitas (UFRJ), Jose Sidnei Colombo Martini (Poli-USP), Dorel Soares Ramos (Poli-USP) e Rodrigo Senne (Âmbar Energia).

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