A Dalane Kraft AS é um produtor norueguês de energia hidroelétrica de média dimensão com 100 anos de experiência e uma carteira com cerca de 45 MW de capacidade instalada. Atualmente, a empresa possui e explora nove centrais eléctricas no condado de Rogaland, na Noruega. Possui várias cascatas até 10 MW.
Haukland é uma das suas cascatas, uma pequena central hidroelétrica (PCH) construída em 1913, com uma capacidade de 4,9 MW, situada no sudoeste da Noruega, no centro de Moi, município de Lund. A central eléctrica utiliza água dos rios Hauklandsbekken e Brekkebekken.
Apesar da sua pequena capacidade, foi um desafio operar esta central. O local tem uma topologia complexa (Figura 3) e a Dalane Kraft AS deparou-se com condicionalismos técnicos, ambientais e outros.
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- Principais desafios e âmbito do projeto
- Contexto global do sector hidroelétrico: uma tendência de digitalização
- Características técnicas
- Comunicação de dados entre o sistema de controlo da instalação e a solução de otimização
- Contexto global do sector hidroelétrico: uma tendência de digitalização
- Metodologia de otimização do HYDROGRID Insight
- Exemplo prático do Hydrogrid Insight: otimização e controlo em tempo real da PCH de Haukland
- Benefícios
- Lições aprendidas e conclusões
Os principais desafios
- Reservatórios múltiplos com ligados
- Portões múltiplos utilizados para controlo do caudal
- Diferentes zonas de captação com diferentes condições de afluência e prazos de planeamento
- O planeamento exato a curto prazo das pequenas bacias, em especial a de Skårstemmevatn, constitui um grande desafio, uma vez que o transbordo não só provoca derrames, como também pode levar ao alagamento de uma ponte situada nas proximidades
- A flexibilidade das albufeiras a montante só pode ser utilizada a curto prazo e apenas durante um número limitado de horas, quando hidrologicamente possível.
Âmbito do projeto
- Automatização em tempo real: coordenar um sistema de múltiplos reservatórios, comportas e turbinas em tempo real é fundamental para evitar perdas e custos de desequilíbrio;
- Despacho orientado para os preços: para explorar as oportunidades de lucro criado pela volatilidade do mercado, assegurando simultaneamente o respeito de todas as restrições técnicas e ambientais.
Como pré-requisito para a capacidade em tempo real, a disponibilidade de dados fiáveis e uma comunicação robusta e segura dos mesmos foram fundamentais. Nos últimos anos, para alcançar um sistema de produção totalmente automatizado, a empresa desenvolveu o KraftSCADA, uma solução de controlo SCADA remoto (2018). A solução KraftSCADA é acoplada ao sistema de otimização. O HYDROGRID Insight oferece uma abordagem inovadora e dinâmica baseada em dados que ajudam a otimizar centrais hidroelétricas de capacidade variável de forma automatizada.
O HYDROGRID Insight modela um complexo sistema em cascata de Haukland como uma cópia digital que inclui os múltiplos reservatórios, comportas e turbinas, tendo em conta os seus diferentes tempos de escoamento, bem como as suas restrições técnicas e ambientais. A telemetria real do Haukland é transmitida com uma frequência horária através de um ponto de extremidade de API RESTful normalizado e seguro (uma API REST é um meio para dois computadores comunicarem através de HTTP, [Hypertext Transfer Protocol]da mesma forma que os clientes e os servidores comunicam), o HYDROGRID Insight utiliza os dados de telemetria para calibrar o seu modelo de otimização e de afluência calculando os planos óptimos de produção e de abertura de comportas numa base horária. O plano de despacho e a instrução do portão são lidos no KraftSCADA da Dalane Kraft – para automatizar totalmente a gestão da central eléctrica. Além disso, o HYDROGRID Insight calcula os ficheiros de ofertas de ordens de limite para o mercado diário, permitindo à Dalane Kraft explorar plenamente as oportunidades proporcionadas pela volatilidade do mercado de energia e, assim, maximizar o lucro do sistema em cascata de Haukland.
Contexto global do sector hidroelétrico: uma tendência de digitalização
A intensificação da volatilidade das condições meteorológicas e de mercado conduziu a uma maior procura de soluções de otimização automática e em tempo real. Considerando o tipo de dados de entrada – como a precipitação, a procura de energia ou os dados de preços de mercado – as soluções de otimização enfrentam um conjunto complexo de problemas não lineares. Além disso, vários condicionalismos ambientais e operacionais exigem um processo de planeamento complexo, resultando na necessidade de mais recursos relativamente a pessoal e temporal. Consequentemente, a capacidade de reagir em tempo real é um grande desafio para a maioria dos produtores de energia hidroelétrica. No entanto, as soluções existentes para planeamento e otimização exigem investimentos elevados e recursos manuais.
Por conseguinte, não são normalmente rentáveis para muitos operadores de centrais hidroeléctricas de pequena e média dimensão, o que os exclui a possibilidade de controlo optimizado das centrais. A falta de possibilidades de controlo optimizado das instalações em tempo real leva a que os produtores de PCH não utilizem plenamente a flexibilidade física da produção disponível em sua carteira. São necessárias novas soluções técnicas para tornar a energia hidroelétrica de pequena e média escala utilizável como “bateria verde” (centrais eléctricas de armazenamento), bem como para promover novos investimentos em energias renováveis através de uma maior rentabilidade.
O sector hidroelétrico internacional está atualmente a passar por um processo de digitalização maciço, tecnologias como ‘machine learning’, com a sua vasta gama de soluções metodológicas (por exemplo, aprendizagem profunda utilizando redes neuronais), podem ser utilizadas para otimizar as operações hidroeléctricas de todos os intervenientes no mercado. O potencial para processos automáticos e optimizados abrange toda a cadeia de valor, desde a previsão hidrológica ao despacho automatizado, passando pela negociação de energia e pela manutenção preventiva.
Uma estratégia de despacho optimizada que conduza a ganhos de eficiência e de lucro pode ser alcançada através da resolução do problema não lineares que estão implícitos da otimização da energia hidroelétrica. Isto é possível porque utilizamos modelos matemáticos combinados com abordagens de otimização e de aprendizagem automática. A complexidade da otimização depende dos seguintes parâmetros:
- Número de componentes da topologia da central (comportas/escotilhas, massas de água interligada, turbinas)
- Características das ligações entre os componentes individuais da instalação
- Tempos de escoamento e atrasos
- Restrições ambientais
- Restrições técnicas
- Características das bacias hidrográficas (dimensão, topologia, etc.)
O número de parâmetros relevantes, combinado com o seu intervalo possível, resulta num elevado grau de complexidade para soluções de otimização que são difíceis de resolver utilizando processos manuais complicados ou modelos estatísticos individuais para cada problema subjacente. As novas soluções tecnológicas apoiam a eficiência dos processos, poupam tempo e podem ajudar as equipas de operações a concentrarem-se noutras tarefas importantes.
Operador/proprietário da central SHP: Dalane Kraft – Fornecedor de tecnologia: HYDROGRID GmbH
Características técnicas
Principais características técnicas da Haukland Kraftverk
| Objeto | Valor |
|---|---|
| Potência da turbina | 4.9 MW |
| Produção total | 4.9 MW |
| Produção de eletricidade por ano | 21 GWh |
| Condições do local e parâmetros da central de PCH: |
Fonte de água: cascata de 250 metros do reservatório de Stemmevatn Caudal médio anual: 2,05 m3/s |
| Turbina | Uma turbina Francis horizontal |
Controlo de portas em tempo real
A modelação da instalação é feita previamente numa etapa separada e incorpora todos os parâmetros técnicos relevantes da instalação real, bem como as restrições ambientais. A modelação precisa das comportas é particularmente relevante para a complexa cascata de Haukland, uma vez que as comportas desempenham um papel significativo no equilíbrio do fluxo de água no sistema, evitando derrames e custos de desequilíbrio. Para otimizar o Haukland, um aspeto fundamental foi a capacidade do HYDROGRID Insight para modelar aberturas de portões dependentes do nível, resultando num modelo de mapeamento de portões em 3D. Além disso, o mapeamento de comportas 3D do HYDROGRID Insight permite a correlação com o nível de água, o caudal e a abertura de comportas. Os portões da Haukland podem ser controlados automaticamente utilizando o KraftSCADA da Dalane Kraft.
Consequentemente, o KraftSCADA recolhe o plano de despacho ótimo e os planos de abertura de portões através dos pontos finais API do HYDROGRID Insight para controlar todos os componentes da cascata Haukland de uma forma totalmente automatizada, mas óptima.
Metodologia de otimização do HYDROGRID Insight - algoritmo HIRO
As abordagens mais avançadas à otimização em cascata baseiam-se em modelos de programação dinâmica estocástica. Estes têm em conta as variações de todas as variáveis de entrada, fornecendo como resultado probabilidades para todos os cenários. No entanto, isto leva a um aumento dramático dos recursos computacionais necessários à medida que a complexidade da topologia de um ativo aumenta. Este aumento do tempo de cálculo torna quase impossível a reação em tempo real a alterações no mercado ou na hidrologia.
Para ultrapassar este desafio, o HYDROGRID Insight resolve o problema de otimização em cascata utilizando uma abordagem de modelação estocástica mais heurística baseada em algoritmos próprios. A tecnologia desenvolvida internamente centra-se na redução bem sucedida do tempo de cálculo. Por exemplo, o tempo de computação do Haukland foi reduzido de 20 minutos para menos de 3 minutos. Além disso, a abordagem de modelação do HYDROGRID Insight é totalmente orientada para os dados. O modelo de planta subjacente é continuamente re-treinado com base na telemetria real da planta e outros dados de entrada externos. Combinado com soluções proprietárias para previsões de afluência e de preços utilizando a aprendizagem automática, o HYDROGRID Insight fornece uma solução de otimização integrada para o planeamento a curto, médio e longo prazo. Deste modo, o HYDROGRID Insight é capaz de identificar automaticamente alterações na hidrologia ou nas condições de mercado e ajusta automaticamente todo o horizonte de planeamento.
Como resultado, a abordagem baseada em dados do HYDROGRID Insight permite uma otimização de alta qualidade e eficiente de várias centrais eléctricas. Para a Haukland, o HYDROGRID Insight ajudou a reduzir o tempo de computação em 65 por cento.
Comércio de energia com o conhecimento da HYDROGRID
Para além do despacho automatizado e optimizado da cascata de Haukland, o outro objetivo principal da Dalane Kraft era utilizar a flexibilidade inerente à cascata para maximizar os seus resultados financeiros. Uma das muitas vantagens dos sistemas de otimização em tempo real é a sua capacidade de prever com precisão e reagir às alterações no mercado da energia e ajustar a produção de energia hidroelétrica em conformidade. Deste modo, o processo de nomeação pode ser encurtado e a mudança de ordens de mercado para ofertas de ordens limitadas torna-se possível.
Atualmente, a Dalane Kraft comercializa a produção da Haukland no mercado diário da Nord Pool AS. Como caraterística principal, o HYDROGRID Insight calcula uma posição óptima no mercado à vista em qualquer momento. Esta posição é fornecida como uma ordem de mercado ou de limite, dependendo das necessidades do cliente. Historicamente, a nomeação da produção da Haukland para o mercado à vista era executada com base numa Ordem de Mercado – um plano de produção horário que é imediatamente vendido, independentemente do preço real no mercado. Para melhor explorar a volatilidade do mercado e maximizar as receitas da Haukland, a Dalane Kraft decidiu passar de uma estratégia de ordens de mercado para uma estratégia de ordens limitadas, que por sua vez é fornecida pela HYDROGRID Insight como uma oferta de ordens limitadas. Uma oferta de ordem de limite é uma matriz de produção, fornecendo a produção prevista numa base horária a diferentes preços de exercício. Subsequentemente, o plano de produção efetivo é obtido através da execução da oferta contra os preços efetivamente realizados no mercado diário.
Comércio de energia com o HYDROGRID Insight
Um dos principais benefícios da utilização do HYDROGRID Insight pela Dalane Kraft foi a redução do esforço manual dentro da equipa de operações da organização, em particular para o pequeno reservatório Skårstemmevatn, que anteriormente induzia uma elevada carga de trabalho manual devido à sua inflexibilidade inerente e restrições operacionais.
Na Figura 6, é apresentada uma situação típica de desenvolvimento e despacho da albufeira de Skårstemmevatn. Com o HYDROGRID Insight, o risco de transbordamento em 25 de outubro de 2022 foi automaticamente identificado e contornado através da otimização do plano de abertura das comportas da fábrica. Este plano foi, por sua vez, rapidamente adotado pelo KraftSCADA da Dalane Kraft, evitando o derrame do reservatório e evitando assim os custos de desequilíbrio. Deste modo, foi explorada toda a flexibilidade do sistema em cascata Haukland.
Um segundo objetivo principal da Dalane Kraft com a utilização do HYDROGRID Insight era a maximização das receitas através da exploração da flexibilidade inerente à cascata Haukland. Com o HYDROGRID Insight, é possível efetuar um despacho orientado para o preço.
A Figura 7 mostra um exemplo do despacho automático baseado no preço calculado pelo HYDROGRID Insight para a cascata de Haukland. Sempre que a situação hidrológica o permite, a produção é alinhada com os preços do mercado de eletricidade.
Benefícios
Os principais benefícios da utilização da tecnologia HYDROGRID Insight para o funcionamento da central da PCH de Haukland são descritos de seguida.
Economic benefits
A abordagem baseada em dados do HYDROGRID Insight permite uma otimização de alta qualidade, mas eficiente, de múltiplas centrais eléctricas com um esforço numérico reduzido e com um gasto mínimo de pessoal. Isto permite uma redução considerável dos custos de funcionamento.
O HYDROGRID Insight ajuda a empresa operadora a controlar totalmente todos os dados em qualquer altura. Isto permite à Dalane Kraft reagir muito rapidamente às mudanças externas e explorar as oportunidades oferecidas pela volatilidade do mercado da eletricidade. Graças ao HYDROGRID Insight, a Dalane Kraft pode executar a estratégia de ordens limitadas, minimizar os riscos de transação de energia e maximizar as receitas do sistema de cascata de Haukland. Dependendo da situação hidrológica e da evolução dos preços de mercado, o desempenho financeiro varia entre 5% e 12% (equivalente a 70 000-200 000 euros).
O HYDROGRID Insight é uma solução acessível também para as pequenas centrais hidroeléctricas com menos de 5 MW, que não requerem investimentos elevados e recursos manuais. Ao implementar esta solução de otimização, a Dalane Kraft não põe em risco a sua rentabilidade.
Esta abordagem de otimização apoia os pontos fortes do mercado e a competitividade da empresa operadora: A Dalane Kraft pode posicionar-se como um especialista de topo na exploração de centrais SHP, não só no mercado norueguês, mas também a nível internacional, aumentando a sua carteira com novos clientes.
Social benefits
O HYDROGRID Insight ajuda a reduzir o esforço manual da equipa de operações da organização e a libertar recursos para outras tarefas importantes.
Environmental benefits
O HYDROGRID Insight assegura automaticamente que todas as restrições ambientais do projeto são respeitadas.
Maximizar a eficiência através da otimização da utilização da água (evitando derrames nos reservatórios) e do aumento da produção de eletricidade a partir de fontes de energia renováveis.
Lições aprendidas e conclusões
As cascatas complexas de PCH podem beneficiar consideravelmente de uma abordagem inovadora de otimização baseada em dados de TI. Uma tecnologia como o HYDROGRID Insight pode ajudar a obter uma automatização em tempo real e um despacho orientado para o preço.
O potencial de processos automatizados e optimizados abrange toda a cadeia de valor. No estudo de caso da HYDROGRID, estes processos incluíam a previsão hidrológica, o despacho automatizado, o comércio de energia e a manutenção preditiva.
São essenciais novas soluções técnicas para tornar a energia hidroelétrica de pequena e média escala utilizável como “bateria verde”, bem como para promover novos investimentos em energias renováveis através de uma maior rentabilidade.
Reconhecimento
Os autores gostariam de agradecer à Dalane Kraft pela sua atitude inovadora e pela sua fantástica colaboração.
