"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

1. Impactos
das
Mudanças
Climá3cas
e
Adaptação
em
Sistemas
Energé3cos
André
F
P
Lucena
Programa
de
Planejamento
Energé3co
COPPE/UFRJ

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. 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. 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. 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. 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. 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. Composição
da
Energia
Primária
no
Brasil
Fonte:
Balanço
Energé3co
Nacional
–
EPE(2013)

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. hjp://www.ons.org.br/

11. Operação
do
Setor
Hidrotérmico
Brasileiro

12. Sistema
Interligado
Nacional
(SIN)
hjp://www.ons.org.br/

13. Sazonalidade
Hídrica
no
Brasil
• Geração
hidrelétrica
–
ENA
(Histórico
1931
–
2009)
Fonte:
Silva,
2012

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. 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. Avaliação
de
impactos
e
adaptação
no
Brasil
Economics
of
Climate
Change
in
Brazil
Setor
de
Energia

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. 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. Modelagem
Climá3ca:
Temperatura
(oC)
INPE
(2007)

20. Modelagem
Climá3ca:
Precipitação
(mm/dia)
INPE
(2007)

21. Resultados
Hidroeletricidade

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Metodologia
para
Projeção
de
Impactos
de
Mudanças
Climá3cas
Sequen<al
Approach:
Moss
et
al.
(2010)

40. Metodologia
para
Projeção
de
Impactos
de
Mudanças
Climá3cas
Parallel
Approach:
Moss
et
al.
(2010)

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. 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. Wind
x
Hidro
Energy
–
Northeast
Brazil
Energy
stored
in
hydropower
reservoirs
(%
max)
versus
wind
energy
genera3on
%
installed
capacity)
–
Simões
(2010)

44.
OBRIGADO
andrelucena@ppe.ufrj.br