A integração crescente de fontes de energia renovável variável introduz novos desafios operacionais para os sistemas de energia, especialmente em termos de flexibilidade, confiabilidade e eficiência econômica. Nesse contexto, os sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) tornam-se uma tecnologia promissora, pois podem contribuir para atender a esses requisitos prestando serviços como arbitragem de energia, reserva operativa e suporte à operação da rede. Este artigo apresenta uma metodologia para o dimensionamento ótimo e a avaliação de custo-benefício de sistemas de armazenamento de energia em baterias e a aplica a um estudo de caso do sistema elétrico colombiano. A abordagem proposta baseia-se nos resultados de simulações operacionais estocásticas, identificação de localidades candidatas e modelos de otimização para determinar a capacidade ótima e o sítio dos sistemas de armazenamento em baterias.
Determinação da capacidade ótima de armazenamento
O dimensionamento e a alocação ótimos dos sistemas de armazenamento de energia em baterias foram estruturados em três etapas principais:
- Simulação detalhada da operação do sistema elétrico com o modelo SDDP para estimar preços nodais horários e custos operacionais do sistema, que servem de referência para as análises subsequentes.
- Triagem de nós candidatos: identificação de locais potenciais para a instalação de baterias por meio de uma metodologia de seleção baseada em diferenciais de preço nodal intradiários. Os nós (barras do sistema de transmissão representadas em detalhe na simulação anterior) que apresentam as maiores diferenças intradiárias de preço correspondem às localidades com maior potencial para a instalação de sistemas de armazenamento de energia.
- Otimização de capacidade e localização: otimização da capacidade de armazenamento e seleção das melhores localidades entre os nós candidatos identificados na etapa anterior. Essa otimização é realizada com o modelo OptGen, que considera projetos candidatos de baterias com diferentes capacidades de armazenamento e potência nos nós previamente identificados. O modelo OptGen avalia o impacto da incorporação desses novos recursos nos custos totais do sistema, considerando simultaneamente os custos de investimento e a redução dos custos operacionais proporcionada pela integração dos sistemas de armazenamento.
Do ponto de vista do planejamento centralizado, a capacidade ótima dos sistemas de armazenamento é aquela que minimiza o custo total do sistema, definido como a soma dos custos de investimento e operacionais. Do ponto de vista econômico, essa capacidade ótima corresponde ao ponto em que a derivada do custo de investimento para a implantação dos sistemas de armazenamento se iguala ao benefício marginal do sistema associado à redução dos custos operacionais, conforme ilustrado no painel (a) da figura abaixo.
Em contraste, num contexto de mercado competitivo, as decisões de investimento são tomadas por agentes individuais que visam maximizar seus próprios benefícios econômicos. Nesse caso, a viabilidade do investimento depende das receitas obtidas com a prestação de serviços ao sistema, como arbitragem de energia e provisão de reserva operativa. O equilíbrio de mercado ocorre quando as receitas esperadas dos sistemas de armazenamento se igualam aos custos de investimento, conforme ilustrado no painel (b) da figura abaixo.
 |  |
| (a) Perspectiva Centralizada | (b) Perspectiva de Mercado |
Representação da distorção do bem-estar social quando pagamentos fixos de disponibilidade são considerados
Os projetos de armazenamento de energia em baterias podem ser economicamente viáveis?
A viabilidade econômica dos sistemas de armazenamento de energia é avaliada por meio de uma análise de custo-benefício baseada na estimativa das receitas obtidas com a prestação de serviços ao sistema e dos custos de investimento associados à implantação das baterias.
As principais fontes de receita consideradas no estudo incluem: (i) arbitragem de energia e (ii) provisão de reserva operativa. A arbitragem de energia consiste em armazenar energia durante períodos de baixos preços e injetá-la no sistema quando os preços são mais elevados, gerando receitas a partir dos diferenciais de preço horários. Adicionalmente, as baterias podem participar da provisão de reservas operativas, contribuindo para a confiabilidade do sistema e recebendo remuneração por sua disponibilidade e eventual acionamento quando necessário.
A avaliação econômica compara as receitas obtidas com esses serviços com os custos de investimento anualizados dos sistemas de armazenamento.
Estudo de Caso: Avaliação do papel das baterias no sistema elétrico colombiano
A metodologia proposta foi aplicada ao sistema elétrico colombiano previsto para o ano de 2034. Na Etapa 1, foi realizada uma simulação operacional detalhada do sistema para estimar os custos marginais de operação em diferentes nós da rede de transmissão.
Inicialmente, diversos nós candidatos na rede de transmissão foram identificados para a instalação de sistemas de bateria, com base nos resultados das análises de diferencial de preço nodal intradiário dos custos marginais de operação estimados em diferentes barras do sistema de transmissão (conforme descrito na Etapa 2). Para cada localidade candidata, diferentes configurações de armazenamento foram avaliadas.
A figura abaixo apresenta um mapa georreferenciado dos resultados obtidos para os diferentes nós do sistema para uma dada configuração de bateria. Os resultados indicam que as localidades mais atrativas estão concentradas na região central e ao longo do litoral norte da Colômbia. Esses resultados destacam o valor locacional dos sistemas de armazenamento em baterias e como eles podem proporcionar maiores benefícios ao sistema quando implantados em localizações estratégicas.
Mapa de oportunidades para baterias
Com o modelo OptGen, foi possível determinar o nível ótimo de implantação de baterias no sistema, considerando diferentes perspectivas de avaliação econômica. O painel (a) da figura abaixo apresenta as curvas de custo total do sistema em função da capacidade de armazenamento, permitindo identificar o ponto que minimiza a soma dos custos de investimento e operacionais. Para as condições analisadas em 2034, os resultados indicam uma implantação ótima de aproximadamente 900 MW de armazenamento no sistema elétrico colombiano.
Adicionalmente, os resultados foram avaliados sob a perspectiva de mercado, considerando as receitas obtidas pelos sistemas de armazenamento por meio de arbitragem de energia e provisão de reserva operativa. O painel (b) da figura abaixo apresenta a relação entre as receitas esperadas e os custos de investimento para diferentes níveis de implantação de baterias. Pode-se observar que, nessas condições, o nível de implantação de armazenamento sob a perspectiva de mercado coincide com o obtido sob a perspectiva do planejamento centralizado. Ou seja, o ponto de equilíbrio de mercado, onde as curvas de receita e custo de investimento se intersectam, também ocorre em aproximadamente 900 MW.
 |  |
| (a) Custos totais | (b) Receitas totais |
Além disso, foram analisados cenários considerando mecanismos adicionais de remuneração. Conforme ilustrado na figura abaixo, esses mecanismos podem afetar os sinais econômicos do mercado e levar a níveis de investimento superiores à capacidade de armazenamento ótima do sistema.
Receitas totais para o dimensionamento ótimo considerando pagamentos fixos de disponibilidade
Com base nos resultados do modelo de otimização, foi possível identificar a distribuição ótima da capacidade de armazenamento em diferentes pontos da rede. A tabela apresenta a alocação das baterias nas principais subestações do sistema para o cenário de 2034, destacando as localidades com maior benefício sistêmico para a integração desses recursos.
| Subestação | Tensão (kV) | Duração da bateria (horas) | Capacidade (MW) |
|---|---|---|---|
| Porto Nuevo | 110 | 1 | 415 |
| Villeta | 115 | 1 | 75 |
| Cordialidad | 110 | 1 | 178 |
| San Marcos | 110 | 1 | 232 |
Por fim, para ilustrar o impacto operacional das baterias na rede de transmissão, é apresentada abaixo uma análise detalhada da operação em uma das localidades selecionadas. O painel (a) da figura apresenta um exemplo da operação horária da bateria instalada na subestação Villeta em um dia. Observa-se que, durante as horas noturnas, quando não há geração solar e a capacidade disponível das linhas de transmissão se torna insuficiente para atender à demanda local, a bateria passa a operar injetando energia no sistema. Essa descarga contribui para abastecer parte da demanda durante as horas de pico de carga, conforme mostrado no painel (b) da figura, reduzindo o risco de energia não suprida (ENS) e aliviando gargalos na rede de transmissão.
 |  |
| (a) Operação da bateria em Villeta | (b) Representação da ENS em Villeta |
Do ponto de vista econômico, uma análise de custo-benefício foi realizada para avaliar a viabilidade financeira dos projetos de armazenamento nas localidades selecionadas pelo modelo de dimensionamento ótimo.
A tabela abaixo apresenta a receita média anual estimada para cada sistema de armazenamento, considerando as receitas provenientes dos serviços prestados ao sistema, como arbitragem de energia e provisão de reserva operativa.
| Bateria (Localidade) | Capacidade de armazenamento (MWh) | Custo de investimento [MUSD/ano] | Receita média [MUSD/ano] |
|---|---|---|---|
| Porto Nuevo | 415 | 25.9 | 18.2 |
| Villeta | 75 | 4.7 | 7.0 |
| Cordialidad | 178 | 11.1 | 16.5 |
| San Marcos | 232 | 14.5 | 14.9 |
Os resultados indicam que os projetos de armazenamento são economicamente atrativos nas localidades analisadas. Adicionalmente, os benefícios sistêmicos associados ao cenário de implantação agregada de 900 MW de armazenamento foram avaliados, evidenciando uma redução de aproximadamente 210 milhões de USD por ano nos custos operacionais do sistema, correspondente a uma relação benefício-custo de 3,74.
Conclusões
O arcabouço metodológico proposto neste artigo integra simulações estocásticas da operação do sistema elétrico, métodos de triagem de localidades candidatas e modelos de otimização de investimentos para determinar a capacidade e a localização ótimas dos recursos de armazenamento de energia.
A aplicação da metodologia ao sistema elétrico colombiano indicou que a integração de baterias pode proporcionar benefícios operacionais significativos, incluindo redução dos custos operacionais, aumento da flexibilidade do sistema e redução das restrições na rede de transmissão. Sob as premissas adotadas para 2034, os resultados indicam uma implantação ótima de armazenamento de aproximadamente 900 MW, distribuída em pontos estratégicos da rede.
Do ponto de vista econômico, os resultados mostram que projetos de armazenamento podem apresentar indicadores financeiros positivos em determinados pontos da rede, especialmente quando são considerados diferentes fluxos de receita associados aos serviços prestados ao sistema. A análise também demonstra que mecanismos adicionais de remuneração podem influenciar os sinais econômicos do investimento e modificar o nível economicamente atrativo de implantação do armazenamento.
Em geral, os resultados reforçam o potencial papel dos sistemas de armazenamento de energia em baterias como recursos estratégicos para aumentar a flexibilidade e a confiabilidade do sistema elétrico colombiano. A metodologia proposta pode servir como ferramenta de apoio para estudos de planejamento e para o desenho de políticas que promovam a integração eficiente das tecnologias de armazenamento no setor elétrico.
Mais detalhes sobre a metodologia proposta e sua aplicação ao sistema elétrico colombiano estão disponíveis no relatório intitulado “Energía flexible para el futuro: integración del almacenamiento en el sistema eléctrico colombiano” (Binato et al., 2026)².
² Binato, S., Bastos, J. P., Maldonado, C., Morais, W., & Xavier, J. (2026). Energía flexible para el futuro: integración del almacenamiento en el sistema eléctrico colombiano. Planas, A., Malagón, E., Casas Bautista, C. D., & Cárdenas Valero, J. C. (Eds.). Disponível em: https://publications.iadb.org/publications/spanish/document/Energia-flexible-para-el-futuro-integracion-del-almacenamiento-en-el-sistema-electrico-colombiano.pdf
