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- 1 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Introdução aos conceitos técnicos e

económicos associados à produção de

energia eléctrica

Jorge Alberto Mendes de SousaProfessor Coordenador

Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa

MEN - Mercados de EnergiaMestrado em Engenharia Electrotécnica


Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores de conversão

Exercícios de aplicação


Enquadramento Procura mundial de energia

A procura mundial de energia está em forte ascensão especialmente devido ao crescimento da China.

O consumo europeu encontra-se praticamente estagnado.

União Europeia

Resto da OCDE

China

Resto do mundo


Enquadramento Consumo de energia na UE por fonte primária

Apesar da estabilidade do consumo europeu existe um dinâmica consistente de forte redução do consumo de carvão e um aumento de gás natural e

de renováveis.

Petróleo

Gás

Carvão

Nuclear

Renováveis


Enquadramento Importação de energia pela UE 27 (2006)

A UE importa metade da energia primária que consome essencialmente a partir da Rússia (gás natural, petróleo e carvão), Norte de África (gás

natural e petróleo) e Médio Oriente (petróleo)

Gás Natural

Petróleo Carvão Outros países europeus

Rússia

Ásia

Norte de África

África sub-sariana

Médio oriente

América

Oceania

Outros


Enquadramento Dependência energética UE 27 por estado membro

O nível de dependência é muito diverso entre os estados membros da UE sendo a Dinamarca o único país exportador e Malta totalmente dependente. A

dependência externa de Portugal é cerca de 80%.


Enquadramento Consumo de energia final por fonte de energia

O consumo de energia final na UE é fortemente dominado pelo petróleo e gás, tendo a electricidade um peso de cerca de 20%


Enquadramento Consumo de energia final por sector

Os sectores mais consumidores de energia são a habitação e serviços, os transportes e a indústria, tendo a agricultura um peso muito reduzido


Enquadramento Produção de energia eléctrica

Existe uma grande diversificação na utilização de fontes de energia primária, com predomínio do carvão, da energia nuclear e do gás natural. As energias

renováveis têm um peso significativo e crescente.


Enquadramento Emissões GEE na UE por sector (2009)

As principais emissões de gases com efeito de estufa derivam das indústrias energéticas (35%), dos transportes (30%) e da indústria e

construção (18%).

Outros 7%

Residencial 11%

Transportes30%

Indústrias energéticas

35%

Indústria e construção

18%


EnquadramentoOs pilares da política energética europeia

Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento


Enquadramento Disponibilidade dos combustíveis fósseis

O carvão é o combustível fóssil mais abundante no mundo com um R/P superior a 120 anos. Para além disso é o combustível com origem mais diversificada. Como tal, constitui um factor positivo para a segurança de abastecimento.

No entanto, o nível elevado de emissões associado a este combustível faz com que constitua um factor negativo em termos de sustentabilidade.

Fonte: BP, Statistical Review of World Energy, 2009


Enquadramento Utilização da capacidade instalada [MWh/kW]

A reduzida quota correspondente às energia renováveis face ao nível de investimentos efectuados está relacionada com a baixa taxa de utilização da energia eólica o que reduz a eficácia deste tipo de investimentos, penalizando o pilar da competitividade.


Enquadramento Os objectivos 20-20-20 para 2020

O Conselho Europeu, em Março de 2007, endossou os seguintes objectivos para o horizonte 2020:

Redução das emissões de gases com efeito de estufa em pelo menos

20% em relação às emissões de 1990 (aumentando até 30%, caso outros

países desenvolvidos e em desenvolvimento se vinculem a metas comparáveis)

Aumento da contribuição das energias renováveis para 20% do

consumo energético

Aumento da eficiência energética em 20% (ou seja, uma redução do

consumo de energia de 20% relativamente ao cenário BAU)

+

Aumento da contribuição dos biocombustíveis nos transportes para 10%


Enquadramento Iniciativas legislativas

Source: Eurostat

A UE procura ser líder mundial em política energética e ambiental, ao mesmo tempo que estimula os mercados globais para um futuro energético sustentável, tendo as matérias da competitividade e da segurança de abastecimento um papel de destaque na agenda da UE.


Enquadramento O 3º Pacote Energia

1. Regulamento 713/2009 do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de Julho de 2009, que institui a Agência de Cooperação dos Reguladores da Energia

2. Regulamento 714/2009 do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de Julho de 2009, relativo às condições de acesso à rede para o comércio transfronteiriço de electricidade e que revoga o Regulamento 1228/2003

3. Regulamento 715/2009 do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de Julho de 2009, relativo às condições de acesso às redes de transporte de gás natural e que revoga o Regulamento 1775/2005

1. Directiva 2009/72/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de Julho de 2009, que estabelece regras comuns para o mercado interno da electricidade e que revoga a Directiva 2003/54/CE

2. Directiva 2009/73/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 13 de Julho de 2009, que estabelece regras comuns para o mercado interno do gás natural e que revoga a Directiva 2003/55/CE

DirectivasRegulamentos


EnquadramentoContexto energético nacional (Eurostat; DGEG 2006)

Portugal importa 83% da energia primária que consome em combustíveis fósseis – carvão, gás natural e petróleo (compara com 55% da UE 27).

O contributo das energias renováveis no consumo total de energia primária em 2006 foi de 16,3% (compara com 15% da UE 27).

Dois terços da electricidade consumida são produzidos com base em combustíveis fósseis, e o restante a partir de fontes renováveis, em particular eólica, hídrica e biomassa.

O consumo final de energia é dominado pelos sectores dos transportes (39%) e indústria (31%).

O sector dos serviços tem crescido fortemente e consome 32% da electricidade produzida.


Enquadramento Cobertura do consumo de electricidade (REN 2009)

Em 2009 a procura de energia eléctrica foi satisfeita com base na PRE (com peso crescente, em particular da eólica), carvão, gás natural (com peso crescente), fuel (em vias de extinção), hídrica (contribuição importante mas dependente do IPH) e saldo importador. De realçar a contração do consumo em 1,4% relativamente a 2008.


Enquadramento Produção renovável [TWh] (DGEG)

Em 2009 a produção renovável foi de 35,1% do consumo eléctrico

nacional o que corresponde a 44,7% corrigido para o ano da Directiva (1997), baseada em hídrica, eólica e biomassa.


Agenda

Enquadramento






Fundamentos técnicosHídrica

Fonte: Endesa


Fundamentos técnicosTérmica: Carvão

Fonte: Endesa


Fundamentos técnicosTérmica: Ciclo Combinado (CCGT)

Fonte: Endesa


Fundamentos técnicosTérmica: Nuclear

Fonte: Endesa


Fundamentos técnicosEólica

Vestas V112-3.0 MW


Fundamentos técnicosFotovoltaica

BP 4180T


Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Térmicas e hídrica


Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Eólica


Combustível[1 kg]

Electricidade[y kWhe]

CO2

[x kg]

Emissão específica = x kg CO2 / y kWhe

SO2

NOx

Fundamentos técnicosEmissões


:: Emissão específica: x kg CO2 / y kWhe

1 kg combustível = x kg CO2 (só depende do combustível)

1 kg combustível = y kWhe (depende do rendimento e do PCI)

1 kg combustível

x kg CO2

y kWhe

1

2

Fundamentos técnicosEmissões CO2

1

2


:: Gás Natural [CH4]

CH4 + 2 (O2 + 3,76 N2) -> CO2 + 2 H2O + 2 x 3,76 N2

xGN = 2,7434 kg CO2 / kg GN = 1,9570 kg CO2 / Nm3

:: Carvão [C(%), H2(%), S(%), O2(%), ...]

xcarvão = 3,664 C(%) kg CO2 / kg Carvão

Fundamentos técnicosCoeficiente de emissão dos combustíveis (x) (1/2)


:: Gasóleo [C12H26]

C12H26+18,5 (O2 + 3,76 N2) -> 12 CO2+13 H2O+ 69,56 N2

xGasóleo = 3,1005 kg CO2 / kg Gasóleo

:: Fuelóleo [C14H30]

C14H30+21,5 (O2+3,76 N2) -> 14 CO2 + 15 H2O + 80,84 N2

xFuel = 3,1057 kg CO2 / kg Fuelóleo

Fundamentos técnicosCoeficiente de emissão dos combustíveis (x) (2/2)


Carvão : 6200 kcal/kg (muito variável)

Gás natural : 9028 kcal/Nm3

Fuelóleo : 9640 kcal/kg

Gasóleo : 10000 kcal/kg

Fundamentos técnicosPoder calorífico típico dos combustíveis (PCI)


:: Rendimento: h = Esaída/Eentrada = y / PCI

:: Emissão específica = x / y = x / (PCI x h)

Fundamentos técnicosEmissão específica


Fundamentos técnicosEmissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão


Agenda

Enquadramento






Fundamentos económicosCustos associados aos grupos térmicos

Custos variáveis de combustível

Custos variáveis de emissões

Custos de O&M fixos e variáveis

Custos de arranque e paragem

Custos de investimento

Custos de desclassificação


Fundamentos económicosCustos de combustível e emissões

2COcombp CCC

PCI

FCcomb

F : Custo do combustívelPCI: Poder calorífico inferiorh: Rendimento da central

Cp: Custo variável da central p (combustível + emissões)

Ccomb: Custo variável da central relativo ao combustível

CCO2: Custo variável da central relativo às emissões de CO2

pCOCO eePC 22

ecomb: coeficiente de emissão de CO2

do combustível

PCI

eee combp

PCO2: Preço de CO2

eep: emissão específica de CO2 da central


Fundamentos económicosExemplo: custo variável central a carvão

Carvão

F = 50 €/ton

PCI = 6500 kcal/kg

ecomb = 2,9 kg CO2/kg

h = 40%

Central a carvão CO2

PCO2 = 15 €/ton CO2

eeeCOcombp MWhMWhMWhCCC /€93,30/€39,14/€54,162

et

comb MWhkgMWh

kg

kgkcal

ton

PCI

FC /€54,16

4,0/10163,16500

/€1050

4,0/6500

/€506

3

et

combp MWhCOkg

kgMWh

kgCOkg

kgkcal

kgCOkg

PCI

eee /959

4,0/10163,16500

/9,2

4,0/6500

/9,226

22

eepCOCO MWhMWhCOkgCOkgeePC /€39,14/959/€1015 223

22

http://images.google.pt/imgres?imgurl=http://cyanpdx.com/blog/wp-content/uploads/2009/10/coal-pile.jpg&imgrefurl=http://cyanpdx.com/blog/category/living-small/&usg=__t3KxcY5zptbMfaa-Qm-IKQZ7TSo=&h=300&w=400&sz=49&hl=pt-PT&start=31&um=1&itbs=1&tbnid=a1oOYo9QmuxxhM:&tbnh=93&tbnw=124&prev=/images?q=coal&ndsp=20&hl=pt-PT&rlz=1W1SNYJ_en&sa=N&start=20&um=1



http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.panoramio.com/photos/original/3943533.jpg&imgrefurl=http://www.panoramio.com/photo/3943533&usg=__Q7FT2zbJmC3n9HC5OrRRsnKVuZQ=&h=2448&w=3264&sz=2163&hl=en&start=3&um=1&itbs=1&tbnid=tl-_OVgSR20XCM:&tbnh=113&tbnw=150&prev=/images?q=central+termoel%C3%A9ctrica+sines&hl=en&rlz=1R2GGLL_en&um=1






Fundamentos económicosExemplo: custo variável CCGT

CO2

PCO2 = 15 €/ton CO2

Gás

F = 0,20 €/Nm3

PCI = 9028 kcal/Nm3

ecomb = 1,9 kg CO2/Nm3

h = 55%

CCGT

et

comb MWhNmMWh

Nm

Nmkcal

Nm

PCI

FC /€63,34

55,0/10163,19028

/€20,0

55,0/9028

/€20,036

3

3

3

eeeCOcombp MWhMWhMWhCCC /€57,39/€94,4/€63,342

et

combp MWhCOkg

NmMWh

NmCOkg

Nmkcal

NmCOkg

PCI

eee /329

55,0/10163,19028

/9,1

55,0/9028

/9,1236

32

3

32

eepCOCO MWhMWhCOkgCOkgeePC /€94,4/329/€1015 223

22

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://blogs.chron.com/newswatchenergy/archives/Natural_Gas_facility.resize&imgrefurl=http://blogs.chron.com/newswatchenergy/archives/2009/08/whats_it_going_1.html&usg=__VZeHdAbxgQFbxIHoHX2OEi76QkI=&h=645&w=800&sz=255&hl=en&start=13&um=1&itbs=1&tbnid=dbpkZ72m35Ny6M:&tbnh=115&tbnw=143&prev=/images?q=natural+gas&ndsp=20&hl=en&rlz=1R2GGLL_en&sa=N&um=1

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.zelanarabia.com/img/670mw-ccgt.jpg&imgrefurl=http://www.zelanarabia.com/&usg=__xRtI3gLObF9YXe3hF-mUHAKECMs=&h=267&w=537&sz=120&hl=en&start=2&um=1&itbs=1&tbnid=y1t-hciJbjwSaM:&tbnh=66&tbnw=132&prev=/images?q=CCGT+power+plant&hl=en&rlz=1R2GGLL_en&um=1


Fundamentos económicosValores típicos de custos das centrais térmicas


Fundamentos económicosRelação entrada/saída (H: Heat rate)

Turbina

PGTB

Aux

Caldeira Alternador

ServiçosAuxiliares

H

2cba)( PPPH

H : Potência térmica de entrada P : Potência eléctrica de saídaa, b, c : Parâmetros característicos do grupo


Fundamentos económicosCusto de produção relativo ao combustível

Pmin Pmax

Cus

to d

e pr

oduç

ão

C

(P)

[€/h

]

Potência eléctrica P [MW]

FPPPC 2cba)(

C : Custo de produçãoF : Custo do combustível


Fundamentos económicosCusto marginal de produção

FPPPC 2cba)(

Pmin Pmax

Cus

to m

argi

nal

C

'(P

) [€

/MW

h]


FP)P('C cb 2


Fundamentos económicosCusto médio de produção

FPPPC 2cba)(

FPPp

PC

cba)(

Pmin Pmax

Cus

to m

édio

C(P

)/P

[€/

MW

h]


P*


Agenda

Enquadramento






Principais grandezas eléctricas

Símbolo Grandeza Unidades

V ou U Tensão Volt [V]

I Corrente Ampère [A]

Z Impedância Ohm [W]

f Frequência Hertz [Hz]

P Potência activa Watt [W]

Q Potência reactiva Volt Ampère reactivo [VAr]

S Potência aparente Volt Ampère [VA]

Ee Energia eléctrica Watt hora [Wh]

Et Energia calorífica Joule [J]; [Wh]; [cal]; [Btu]; [térmia];...


Múltiplos e submúltiplos das unidades

Símbolo Designação Valor

T Tera 1012

G Giga 109

M Mega 106

k Kilo 103

m Mili 10-3

m Micro 10-6

n Nano 10-9

p Pico 10-12


Factores de conversão de energia


Agenda

Enquadramento







1. Identifique os elementos das diversas tecnologias de produção de energia eléctrica apresentadas, efectuando a respectiva legenda.

2. Determine o custo variável de combustível de uma central térmica a carvão com rendimento de 35% sabendo que o custo do carvão é de 60 €/ton e o seu poder calorífico é de 6200 kcal/kg.

3. Determine o custo variável de emissões associado à central a carvão anterior sabendo que o preço das licenças de CO2 é de 20 €/ton e o coeficiente de emissão do carvão utilizado é 2,9075 kg CO2/kg.

4. Considere agora uma central de ciclo combinado a gás natural (CCGT) com um rendimento de 55%. Sabendo que o preço do gás é de 18 €/MWht e que o coeficiente de emissão é 1,9569 kg CO2/Nm3 determine qual o preço do CO2 para o qual os custos variáveis desta central (combustível mais emissões) igualam os custos da central a carvão referida nas questões anteriores (considere PCI = 9028 kcal/Nm3)


Exercícios de aplicaçãoSolução exercícios 2 e 3


Exercícios de aplicaçãoSolução exercício 4

115277,23 22 COCOcombp PCCC

et

comb MWhkgMWh

kg

kgkcal

ton

PCI

FC /€77,23

35,0/10163,16200

/€1060

35,0/6200

/€606

3

et

combp MWhCOkg

kgMWh

kgCOkg

kgkcal

kgCOkg

PCI

eee /1152

35,0/10163,16200

/9075,2

35,0/6200

/9075,226

22

C

arvã

o

et

comb MWhMWh

PCI

FC /€73,32

55,0

/€18

et

combp MWhCOkg

NmMWh

NmCOkg

Nmkcal

NmCOkg

PCI

eee /339

55,0/10163,19028

/9569,1

55,0/9028

/9569,1236

32

3

32

33973,32 22 COCOcombp PCCC

CC

GT

CO

2

tonkgP

PPCC

CO

COCOpp CCGTCarvão

/€02,11/€01102,03391152

77,2373,32

33973,32115277,23

2

22


Exercícios de aplicaçãoSolução exercício 4

Para um preço de CO2

de 11 €/ton o custo

variável da central a

carvão iguala o custo

variável da CCGT (nas

condições do problema).

Valores superiores fazem

a CCGT ganhar mérito à

central de carvão e

valores inferiores fazem

a central a carvão

ganhar mérito à CCGT.

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