Parte VIII - Impactos das mudanças climáticas e adaptação em sistemas energéticos - André Lucena

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"Impactos das Mudanças Climáticas e Adaptação em Sistemas Energéticos" é o tema da apresentação utilizada no workshop “Adaptação à Mudança do Clima no Brasil em 2040: cenários e alternativas”, realizado nos dias 16 e 17 de dezembro de 2013. Autor: André F P Lucena.

Mais informações: http://ow.ly/sN0hw

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Parte VIII - Impactos das mudanças climáticas e adaptação em sistemas energéticos - André Lucena

  1. 1. Impactos  das  Mudanças   Climá3cas  e  Adaptação  em   Sistemas  Energé3cos   André  F  P  Lucena   Programa  de  Planejamento  Energé3co   COPPE/UFRJ  
  2. 2. Introdução   •  Energia  é  um  elemento  central  na  promoção  do   desenvolvimento  e  melhora  na  qualidade  de  vida   –  Acesso  a  fontes  modernas  de  energia  permite  maior   mobilidade,  produ3vidade,  acesso  a  informação  &   educação,  redução  de  pobreza,  tempo  de  lazer,  etc.   •  Assegurar  a  oferta  de  energia  a  preços  accessíveis  é   uma  das  principais  mo3vações  para  formulação  de   polí3ca  energé3ca   •  Produção  e  consumo  de  energia  implica  em  impactos   ambientais  em  escala  local  e  global,  que  também  é   um  elemento  importante  na  formulação  de  polí3cas  
  3. 3. Introdução   •  O  planejamento  da  operação  e  expansão  de  sistemas   energé3cos  é  feito  a  par3r  de  decisões  tomadas  sob   incerteza:   –  Disponibilidade  e  preços  de  combusSveis,  demanda  futura,  tecnologia,   custos,  etc.   –  Incertezas  climá3cas:  temperatura,  precipitação,  velocidade  do  vento,   etc.     •  Análise  energé3ca  convencional  assume  que  as  variáveis   climá3cas  são  estacionárias.    à    necessidade  de  avaliação  de  impactos  e  alterna3vas    de  adaptação  
  4. 4. Impactos  não  estão  restritos  à   energia  renovável   Outros  estudos:     MARGULIS,  S.,  MARCOVITCH  J.,  DUBEAUX,  C.B.S.  (org),   2009,  Economia  das  Mudanças  do  Clima  no  Brasil:  custos  e   oportunidades  (www.economiadoclima.org.br)     SCHAEFFER,  R.,  SZKLO,  A.,  LUCENA,  A.F.P,  et  al.,  2021.   Energy  Sector  Vulnerability  to  Climate  Change:  A  review.   Energy    38  pp.  1-­‐12.     CCSP,  2007:  Effects  of  Climate  Change  on  Energy   Produc<on  and  Use  in  the  United  States.  A  Report  by  the   U.S.  Climate  Change  Science  Program  and  the   subcommijee  on  Global  Change  Research.  Washington,   DC.,  USA,  160  pp.     SATHAYE,  J.A.,  DALE,  L.L.,  LARSEN,  P.,  LUCENA,  A.F.P.,   2009,  Quan<fying  risk  to  California’s  energy  infrastructure   from  projected  climate  change.  Public  Interest  Energy   Research  (PIER)  Program  –  White  Paper  CEC.    
  5. 5. Impactos  sobre  o  Setor   Energé3co   Energy Sector Climate Variables air/water temperature Thermoelectric Power Generation (natural gas, coal and nuclear) air/water temperature, wind and humidity cooling efficiency and turbine operational efficiency extreme weather events extreme weather events, air/ water temperature, flooding Hydropower Climate Variables air temperature, precipitation, extreme weather events disruptions of off-shore extraction disruptions of off-shore extraction extreme weather events, flooding, air temperature disruptions of production transfer and transport downing of refineries dry spells changes in hydropower system operation Wind Power changes in wind resource wind and extreme (intensity and duration), changes weather events in wind shear, damage from extreme weather insolation changes (clouds) air temperature, humidity and precipitation decrease in efficiency due to decrease in radiation Geothermal air/water temperature cooling efficiency Wave Energy wind and extreme weather events changes in wave resource Solar Energy disruption of import operations flooding, extreme weather events and air/water temperature Related Impacts total and seasonal water availability (inflow to plant's reservoirs) evaporation from reservoirs disruptions of on-shore extraction extreme weather events Biomass Energy Sector erosion in surface mining extreme weather events Oil and Gas Related Impacts cooling water quantity and quality cooling water quantity and quality in oil refineries availability and distribution of land with suitable air temperature, precipitation, humidity edaphoclimatic conditions (agricultural zoning) extreme weather events desertification carbon dioxide levels decrease in efficiency due to ambient conditions increase in demand for air conditioning during the summer Demand air temperature, precipitation decrease in demand for warming during the winter increase in energy demand for irrigation bioenergy crop yield ESMAP  (2011)  
  6. 6. Metodologia  para  Projeção  de  Impactos  de   Mudanças  Climá3cas  Sobre  o  Setor   Energé3co   Sequen<al  Approach:   Emissões  e   Concentração   de  GEE   Modelagem   Climá3ca   Global   Downscaling   Incertezas   Cumula/vas   Modelagem   Energé3ca  de   Adaptação   Modelagem   Energé3ca  de   Impactos  
  7. 7. Caso  Brasileiro   •  Sistema  energé3co  brasileiro  é  fortemente   dependente  de  energias  renováveis,  especialmente   de  hidreletricidade   •  Fontes  renováveis  responderam  por  ~42%  de  toda   a    energia  consumida  no  país   –  –  –  Hidreletricidade  representou  ~80%  da  geração  elétrica   em  2012   Potencial  eólico  bruto  é  es3mado  em  1,26TW,  capaz  de   gerar  mais  de  3.000TWh/ano  (Dutra,  2007)   12,5%  do  consumo  de  combusSveis  no  setor  de   transportes  veio  do  etanol  (18,7%  em  2009)  
  8. 8. Composição  da  Energia   Primária  no  Brasil   Fonte:  Balanço  Energé3co  Nacional  –  EPE(2013)  
  9. 9. Caso  Brasileiro   •  Mudanças  climá3cas  podem  afetar  a  produção/consumo  de  energia  no  Brasil   ao  alterar:   –  Regime  de  chuvas  –  hidroeletricidade  e  produção  de  biocombusSveis   –  Temperatura  –  hidreletricidade  (pela  maior  evaporação  em  reservatórios  e  compe3ção  pelo   uso  da  água),  termeletricidade,  produção  de  biocombusSveis  e  demanda  de  energia   –  Regime  de  ventos–  potencial  eólico   •  Alguns  estudos:   –  Lucena,  A.  F.  P.,  Szklo,  A.  S.,  Schaeffer,  R.  “The  Vulnerability  of  Renewable  Energy  to  Climate   Change  in  Brazil.”  Energy  Policy,  v.37,  p.879  -­‐  889,  2009.   –  Lucena,  A.  F.  P.,  Szklo,  A.  S.,  Schaeffer,  R.,  Dutra,  R.  M.  “The  Vulnerability  of  Wind  Power  to   Climate  Change  in  Brazil”.  Renewable  Energy,  v.35,  p.904  -­‐  912,  2010.   –  Lucena,  A.  F.  P.,  Schaeffer,  R.,  Szklo,  A.  S.  “Least-­‐cost  Adapta3on  Op3ons  for  Global  Climate   Change  Impacts  on  the  Brazilian  Electric  Power  System.”  Global  Environmental  Change,  v.20,   p.342  -­‐  350,  2010.  
  10. 10. hjp://www.ons.org.br/  
  11. 11. Operação  do  Setor   Hidrotérmico  Brasileiro  
  12. 12. Sistema  Interligado  Nacional   (SIN)   hjp://www.ons.org.br/  
  13. 13. Sazonalidade  Hídrica  no  Brasil   •  Geração  hidrelétrica  –  ENA  (Histórico  1931  –  2009)   Fonte:  Silva,  2012  
  14. 14. Planejamento  da  Operação   •  Energia  firme  do  sistema   –  maior  valor  possível  de  energia  capaz  de  ser  suprido  con3nuamente   pelo  sistema  sem  a  ocorrência  de  déficits,  considerando  constantes  as   caracterís3cas  do  mercado,  no  caso  da  repe3ção  das  afluências   históricas   –  Calculada  por  meio  de  simulação   –  Incrementa-­‐se  o  requisito  de  energia  do  sistema  até  que  a  energia   armazenada  pelo  sistema  somada  com  a  energia  afluente  seja  igual  à   demanda  de  energia   –  Regras  opera3vas  para  enchimento  e  deplecionamento  conhecidas  a   priori   •  Período  crí3co   –  Período  em  que  o  volume  de  água  armazenada  do  sistema  vai  do  nível   máximo  até  seu  nível  mínimo,  sem  enchimentos  totais  intermediários,   considerando  a  sequência  de  afluências  do  histórico  
  15. 15. Planejamento  da  Operação     •  Período  Crí3co   Período crítico do sistema 10 Energia Armazenada 9 8 Energia Afluente 7 6 Energia Firme 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tempo [mês] Capacidade de Armazenamento Ilimitada Capacidade de Armazenamento Limitada 10 11 12
  16. 16. Avaliação  de  impactos  e  adaptação  no  Brasil             Economics  of  Climate  Change  in  Brazil   Setor  de  Energia  
  17. 17. Modelagem   •  Modelagem  Climá3ca:  dados  fornecidos  pelo  INPE:   –  GCM  HadCM3  (UKMO)   –  Dowscaling  dinâmico  pelo  modelo  PRECIS   •  Modelagem  Hidrológica   –  Modelo  de  balanço  hídrico  (vazões  anuais)  elaborado  pela   equipe  do  Prof.  Sala3  da  FBDS   –  Sazonalidade  das  projeções  feita  pela  equipe  do  PPE/COPPE  a   par3r  de  métodos  estaSs3cos   •  Modelagem  Energé3ca   –  Modelo  de  Simulação  de  Usinas  Individualizadas  (SUISHI-­‐O)   desenvolvido  pelo  CEPEL   •  Energia  Firme   •  Energia  Média   –  Modelagem  de  adaptação:  MAED-­‐MESSAGE  
  18. 18. Esquema  Metodológico  para  Análise  de  Impacto   sobre  Geração  Hidroelétrica  e  Alterna3vas  de   Adaptação  no  Brasil   Projeções Climáticas (GCM + downscaling) Temperatura e Precipitação Modelagem Hidrológica Impactos indiretos sobre outros setores Vazão aos reservatórios Modelagem Hidroelétrica SUISHI-­‐O   Impactos sobre geração: Energia média Energia firme Fator de capacidade firme Cálculo das Opções de Adaptação de Menor Custo
  19. 19. Modelagem  Climá3ca:   Temperatura  (oC)   INPE  (2007)  
  20. 20. Modelagem  Climá3ca:     Precipitação  (mm/dia)   INPE  (2007)  
  21. 21. Resultados  Hidroeletricidade  
  22. 22. Resultados  SUISHI-­‐O   Energia  Média   Cenário  A2   Cenário  B2   Variação  Percentual   >60   40-­‐60   20-­‐40   0-­‐20   0-­‐(-­‐20)   (-­‐20)-­‐(-­‐40)   (-­‐40)-­‐(-­‐60)   <(-­‐60)  
  23. 23. Resultados  SUISHI-­‐O   Energia  Firme   Cenário  A2   Cenário  B2   Variação  Percentual   >60   40-­‐60   20-­‐40   0-­‐20   0-­‐(-­‐20)   (-­‐20)-­‐(-­‐40)   (-­‐40)-­‐(-­‐60)   <(-­‐60)  
  24. 24. Impactos  sobre  Hidroeletricidade   Bacia   Amazonas   Tocan3ns  Araguaia   São  Francisco   Parnaiba   At.  Leste   At.  Sudeste   At.  Sul   Uruguai   Paraguai   Paraná   TOTAL   Histórico   Variação  em  relação  ao  Baseline   MWyr   Energia   Energia   Firme   Média   Energia   Firme   51382   -­‐31.5%   9425   7531   5026   236   496   1937   1739   1715   375   22903   10628   10001   5996   293   565   2268   2037   1996   426   29038   63247   -­‐36%   -­‐46%   -­‐69%   -­‐83%   -­‐82%   -­‐32%   -­‐26%   -­‐30%   -­‐38%   -­‐8%   A2   Energia   Média   Energia   Firme   2.7%   -­‐29.3%   -­‐11%   -­‐27%   -­‐45%   -­‐83%   -­‐80%   1%   8%   4%   4%   43%   -­‐29%   -­‐41%   -­‐77%   -­‐88%   -­‐82%   -­‐37%   -­‐18%   -­‐20%   -­‐35%   -­‐7%   B2   Energia   Média   -­‐7%   -­‐21%   -­‐52%   -­‐82%   -­‐80%   -­‐10%   11%   9%   -­‐3%   37%   1.1%  
  25. 25. Cálculo  das  Opções  de   Adaptação  de  Menor  Custo   n  n  MAED (Model For Analysis of Energy Demand): Modelo paramétrico (IE) bottom-up de simulação de demanda energética de longo prazo MESSAGE (Model for Energy Supply Systems and their General Environmental Impacts): modelo integrado de otimização da expansão do setor energético Critérios  para   desenvolvimento     energé3co       Dados   Históricos Premissas  de   Demanda:   Demografia   Economia   Tecnologia   Es3los  de  Vida     Premissas  de  Oferta:   Recursos   Infra-­‐estrutura   Tecnologias  de  Conversão   Possibilidade  de  Importação   Inovações  Tecnológicas   Emissões  e  Resíduos   Custos  e  Preços   MAED   Cenários  de  Demanda     de  Energia   Demanda  de  energia     Ú3l  por  setor   MESSAGE   Retroalimentação     O3mização  da  oferta  de  energia   Retroalimentação   Estratégias  o3mizadas  de   energia  
  26. 26. Cálculo  das  Opções  de   Adaptação  de  Menor  Custo   •  Ajuste  do  cenário  base  –  comparação  entre   cenários  com  e  sem  impactos  de  MCG  (fator   de  capacidade)   →    Adaptação  de  menor  custo   •  Custos  monetários  diretos   •  Análise  integrada  (todas  as  cadeias   energé3cas)      →  repercussão  dos  impactos  dentro  do  setor   energé3co  
  27. 27. Cenários  Setor  Energé3co:   adaptação  de  menor  custo   A2   B2   A2-­‐1:  sem  MCG   A2-­‐2:  com  MCG     (impacto  sobre  fator  de   capacidade  firme)   B2-­‐1:  sem  MCG   B2-­‐2:  com  MCG     (impacto  sobre  fator  de   capacidade  firme)   A2   •   Cenário  tendencial     • Taxa  de  desconto  diferenciada   para  alterna3vas  de  geração   elétrica   B2   •   Cenário  alterna3vo   •   Maior  incen3vo  à  conservação   de  energia  e  melhoras   tecnológicas  
  28. 28. Adaptação  Setor  Elétrico  –     Cenário  A2  –  variação  em  2035   Energia Cap. Instalada TWh var % GW Pequena (<30MW) -12 (↓) -30% (↓) 0,0 Média (>30MW; <300MW) -63 (↓) -36% (↓) 0,0 Grande (>300MW) -87 (↓) -28% (↓) 0,0 CP 22 bar 0 0% 0,0 CP 42 bar 0 0% 0,0 Cogeração em Cascata -20 (↓) -57% (↓) -3,7 (↓) CEST 99 (↑) 143% (↑) 13,2 (↑) 0 0% 0,0 0 0% 0,0 Eólica 21 (↑) 39% (↑) 10,0 (↑) Gás Natural 128 (↑) 129% (↑) 31,7 (↑) Nuclear 24 (↑) 31% (↑) 3,2 (↑) Carvão Mineral 0 0% 0,0 Diesel 0 0% 0,0 Óleo Combustível 0 0% 0,0 Hidroelétricas Bagaço-de-cana BIG-GT Resíduos Sólidos Urbanos
  29. 29. Adaptação  Setor  Elétrico  –     Cenário  B2  –  variação  em  2035   Energia Cap. Instalada TWh var % GW Pequena (<30MW) -12 (↓) -30% (↓) 0,0 Média (>30MW; <300MW) -61 (↓) -35% (↓) 0,0 Grande (>300MW) -80 (↓) -26% (↓) 0,0 CP 22 bar 0 0% 0,0 CP 42 bar 0 0% 0,0 Cogeração em Cascata -12 (↓) -100% (↓) -2,3 (↓) CEST 77 (↑) 49% (↑) 10,3 (↑) 0 0% 0,0 0 0% 0,0 Eólica 24 (↑) 26% (↑) 11,5 (↑) Gás Natural 99 (↑) 117% (↑) 23,8 (↑) 0 0% 0,0 53 (↑) 134% (↑) 8,6 (↑) Diesel 0 0% 0,0 Óleo Combustível 0 0% 0,0 Hidroelétricas Bagaço-de-cana BIG-GT Resíduos Sólidos Urbanos Nuclear Carvão Mineral
  30. 30. Adaptação  –  Resultados   •  Menor  confiabilidade  do  sistema  de  geração  hidrelétrico  leva   a  uma  necessidade  de  maior  capacidade  instalada  de  outras   fontes,  notadamente  gás  natural,  mas  também  nuclear/ carvão,  bagaço  de  cana  e  geração  eólica   •  As  opções  de  adaptação,  e  seus  custos,  diferem  na  medida   em  que  se  há  diferentes  rentabilidades  associadas  às   diferentes  opções  de  geração  de  eletricidade   •  Maior  demanda  por  gás  natural  desloca  seu  consumo  na   indústria,  sendo  subs3tuído  por  óleo  combusSvel,  com   impactos  no  comércio  externo  de  petróleo  e  derivados  
  31. 31. Adaptação  –  Resultados   •  Os  resultados  indicam  que  o  sistema  elétrico  brasileiro   projetado  para  2035  teria  que  aumentar  sua  capacidade  de   geração  para  compensar  uma  perda  de  162  TWh  e  153  TWh   de  geração  hidrelétrica  por  ano,  incluindo  a  demanda   adicional,  nos  cenários  A2  e  B2,  respec3vamente.   •  Essa  capacidade  de  geração  extra  implica  em  inves3mentos   adicionais  de  51  e  48  bilhões  de  dólares  para  os  cenários  A2  e   B2,  respec3vamente.    
  32. 32. Adaptação  –  Resultados   •  Impactos  sobre  confiabilidade   –  flexibilidade  da  geração   –  Possibilidade  de  mecanismos  de  troca  –  mercado   secundário  para  o  gás  natural    e  flexibilização  na   indústria.   •  Impactos  regionais  –  restrição  na  transmissão   de  eletricidade  pode  reduzir  energia  firme  
  33. 33. Energia  Eólica  -­‐  Metodologia   •  Projeções  de  velocidade  do  vento  50x50km  –  número  de  ocorrências  com   velocidade  média  anual  acima  de  6m/s  (excluindo  áreas  de  preservação  e   aqüíferos)   •  Potencial  eólico  bruto:  distribuição  dos  ventos  x  curva  de  potência     Fonte:  Dutra  (2007)  
  34. 34. Energia  Eólica  -­‐  Metodologia   •  Ajuste  do  Baseline  –  compa3bilização  espacial  do  Atlas  Eólico   Brasileiro  (CEPEL,  2001)  e  aplicação  das  variações  da  velocidade   média  dos  ventos  entre  projeções  dos  cenários  A2  e  B2  e  o   baseline.   •  Premissas  de  cálculo  do  potencial  de  geração  eólico:   –  Nenhuma  hipótese  de  mudança  na  distribuição  da  velocidade   do  vento  em  torno  de  sua  média.   –  Premissas  tecnológicas  man3das  constantes.   –  Não  consideradas  alterações  na  rugosidade  do  terreno.  
  35. 35. Energia  Eólica  –  Resultados  A2   2071-2080 A2 Variação média < -20% Variação média >-20; <-15% Variação média >-15; <-10% Variação média >-10; <-5% Variação média >-5; <0% Variação média >0; < 5% Variação média >5; <10% Variação média >10; <15% Variação média >15; < 20% Variação média >20% 2071-2080 A2 2081-2090 A2 2081-2090 A2 2001 Velocidade média < 6,0 Velocidade média >6,0; < 6,5 Velocidade média >6,5; < 7,0 Velocidade média >7,0; < 7,5 Velocidade média >7,5; < 8,0 Velocidade média >8,0; < 8,5 Velocidade média > 8,5 2091-2100 A2 2091-2100 A2
  36. 36. Energia  Eólica  –  Resultados  B2   2071-2080 B2 Variação média < -20% Variação média >-20; <-15% Variação média >-15; <-10% Variação média >-10; <-5% Variação média >-5; <0% Variação média >0; < 5% Variação média >5; <10% Variação média >10; <15% Variação média >15; < 20% Variação média >20% 2081-2090 B2 2071-2080 B2 2001 2081-2090 B2 Velocidade média < 6,0 Velocidade média >6,0; < 6,5 Velocidade média >6,5; < 7,0 Velocidade média >7,0; < 7,5 Velocidade média >7,5; < 8,0 Velocidade média >8,0; < 8,5 Velocidade média > 8,5 2091-2100 B2 2091-2100 B2
  37. 37. Energia  Eólica  -­‐  Resultados   •  A  velocidade  média  dos  ventos  aumenta  consideravelmente   na  região  costeira  e  na  região  norte/nordeste  em  ambos  os   cenários,  porém  em  maior  grau  no  cenário  A2.   •  O  fator  de  capacidade  médio  por  região  e  para  o  Brasil  como   um  todo  aumenta,  em  função  da  maior  par3cipação  rela3va   de  ventos  de  maior  velocidade,  que  permitem  gerar   eletricidade  por  uma  parcela  maior  de  tempo.     •  As  projeções  climá3cas  indicam  que  energia  eólica  é  um   recurso  renovável  com  que  o  país  poderia  contar  para  a   expansão  do  sistema  de  geração  elétrico.    
  38. 38. Considerações  Sobre   Mi3gação  –  Adaptação     •  Sistemas  naturais  e  humanos  estão  sujeitos  a  impactos  de   Mudanças  Climá3cas   •  Mudanças  nas  condições  climá3cas  podem  comprometer  a   produção  de  energia   –  Renovável   –  Não-­‐renovável   •  Fontes  renováveis  representam  importante  alterna3va  para  a   mi3gação  das  mudanças  climá3cas  globais  (MCG)   •  Mas,  por  serem  fortemente  dependentes  de  condições   climá3cas,  podem  se  tornar  mais  vulneráveis  aos  próprios   impactos  do  fenômeno  que  procuram  evitar    
  39. 39. Metodologia  para  Projeção  de  Impactos  de   Mudanças  Climá3cas   Sequen<al  Approach:   Moss  et  al.  (2010)  
  40. 40. Metodologia  para  Projeção  de  Impactos  de   Mudanças  Climá3cas   Parallel  Approach:   Moss  et  al.  (2010)  
  41. 41. Geração  Eólica  em  Larga  Escala   n  n  Energia  primária  não  é  controlável  e  varia  estocas3camente   Tamanho   Spico   de   uma   turbina   eólica   é   inferior   ao   de   usinas   convencionais   Impactos  da  penetração  de  usinas  eólicas  no  sistema  elétrico:     1.   Impactos   locais:   controle   de   tensão,   corrente   de   falta,   distorções   harmônicas   e   flicker.  Estes  efeitos  são  influenciados  pelo  3po  de  turbina     2.   Impactos   mais   amplos:   desbalanço   entre   geração   e   carga,   geração   de   potência   rea3va,  redução  do  controle  de  frequência.  Estes  problemas  são  relacionados  com   o  grau  de  penetração  da  geração  eólica  
  42. 42. Aumento  de  flexibilidade  operacional   necessária  para  acomodar  fontes   intermitentes  (ex.  Eólica)   aumento  da  variabilidade    e   incerteza  da  carga  (líquida)             aumento  da  velocidade  com   que  geração  deve   aumentar/diminuir  carga   (ramping  rate)     Denholm  &  Hand  (2011)  
  43. 43. Wind  x  Hidro  Energy  –  Northeast   Brazil   Energy  stored  in  hydropower  reservoirs  (%  max)  versus     wind  energy  genera3on  %  installed  capacity)  –  Simões  (2010)    
  44. 44.       OBRIGADO     andrelucena@ppe.ufrj.br  

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