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- 1 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
:::: Sessão #1 ::::
Fundamentos técnicos e económicos
associados à produção de energia
eléctrica
Jorge de SousaProfessor Coordenador
ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa
Formação Galp EnergiaModelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica
- 2 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores conversão
Exercícios de aplicação
- 3 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
EnquadramentoOs pilares da política energética europeia
Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento
- 4 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
EnquadramentoOs objectivos europeus para 2020
Para tornar a Europa numa economia de baixo teor de carbono e com uma elevada eficiência energética, 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 este compromisso até 30%, caso se obtenha
um acordo internacional que vincule outros países desenvolvidos e em desenvolvimento 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%.
- 5 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
EnquadramentoO Mercado Interno de Energia – Directivas
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
Os Estados-Membros devem aplicar as disposições constantes nestas Directivas até 3 de Março de 2011
- 6 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Separação efectiva entre actividades de produção e comercialização, das actividades de transporte - unbundling
Maior harmonização das competências e reforço da independência das entidades reguladoras nacionais e o estabelecimento de um mecanismo independente para cooperação ao nível das decisões sobre problemas transfronteiriços
Criação de um novo mecanismo que permita aos operadores de redes de transporte melhorar a coordenação e segurança do funcionamento das redes
Um sistema mais eficiente e integrado para o comércio transfronteiriço de electricidade e para o funcionamento da rede
EnquadramentoO Mercado Interno de Energia – Objectivos (1/2)
- 7 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Aumento da concorrência e da segurança do aprovisionamento através da integração facilitada de novas centrais eléctricas na rede de electricidade, incentivando a entrada de novos operadores no mercado
Promover sinais de investimento relevantes que contribuam para reforçar a eficiência e a segurança de funcionamento da rede de transporte
Maior transparência nas operações do mercado da energia
Melhor protecção dos consumidores
EnquadramentoO Mercado Interno de Energia – Objectivos (2/2)
- 8 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Enquadramento Dependência energética UE 27 (2006)
A UE importa 55% da energia primária que consome essencialmente a partir da Rússia (gás natural, petróleo e carvão), Norte de África (gás natural e petróleo), Médio Oriente (petróleo).
- 9 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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. Os desenvolvimentos ao nível do CCS intentam minimizar este aspecto.
Source: BP, Statistical Review of World Energy, 2009
- 10 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Enquadramento Produção de electricidade UE 27 [TWh]
Na produção de energia eléctrica existe uma grande diversificação na utilização de fontes de energia primária, com predomínio do carvão, nuclear, gás natural e renováveis (incluindo hídrica, eólica, solar, etc.).
- 11 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Enquadramento Utilização da capacidade instalada [MWh/kW]
As diferentes tecnologias de produção de energia eléctrica apresentam uma taxa de utilização muito diversa, desde valores próximos de 90% (nuclear) até valores próximos de 20% (eólica).
- 12 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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.
- 13 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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.
- 14 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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.
- 15 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores conversão
Exercícios de aplicação
- 16 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosHídrica
Fonte: Endesa
- 17 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosTérmica: Carvão
Fonte: Endesa
- 18 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosTérmica: Ciclo Combinado (CCGT)
Fonte: Endesa
- 19 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosTérmica: Nuclear
Fonte: Endesa
- 20 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosEólica
Vestas V112-3.0 MW
- 21 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosFotovoltaica
BP 4180T
- 22 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Térmicas e hídrica
- 23 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Eólica
- 24 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Combustível[1 kg]
Electricidade[y kWhe]
CO2
[x kg]
Emissão específica = x kg CO2 / y kWhe
Fundamentos técnicosEmissões
SO2
NOx
- 25 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
:: 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
- 26 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
:: 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)
- 27 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
:: 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)
- 28 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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)
- 29 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
:: Rendimento: = Esaída/Eentrada = y / PCI
:: Emissão específica = x / y = x / (PCI x )
Fundamentos técnicosEmissão específica
- 30 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos técnicosEmissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão
- 31 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores conversão
Exercícios de aplicação
- 32 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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
- 33 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos económicosCustos de combustível e emissões
2COcombp CCC
PCI
FCcomb
F : Custo do combustívelPCI: Poder calorífico inferior: 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
- 34 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos económicosExemplo: custo variável central a carvão
Carvão
F = 50 €/ton
PCI = 6500 kcal/kg
ecomb = 2,9 kg CO2/kg
= 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
- 35 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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
= 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
- 36 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos económicosValores típicos de custos das centrais térmicas
- 37 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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
- 38 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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
- 39 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos económicosCusto marginal de produção
FPPPC 2cba)(
Pmin Pmax
Cus
to m
argi
nal
C
'(P
) [€
/MW
h]
Potência eléctrica P [MW]
FP)P('C cb 2
- 40 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Fundamentos económicosCusto médio de produção
FPPPC 2cba)(
FPPp
PC
cba)(
Pmin Pmax
Cus
to m
édio
C(P
)/P
[€/
MW
h]
Potência eléctrica P [MW]
P*
- 41 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores conversão
Exercícios de aplicação
- 42 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Principais grandezas eléctricas
Símbolo Grandeza Unidades
V ou U Tensão Volt [V]
I Corrente Ampère [A]
Z Impedância Ohm []
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 caloríficaJoule [J]; [Wh]; [cal]; [Btu];
[térmia];...
- 43 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Múltiplos e submúltiplos das unidades
Símbolo Designação Valor
T Tera 1012
G Giga 109
M Mega 106
k Kilo 103
m Mili 10-3
Micro 10-6
n Nano 10-9
p Pico 10-12
- 44 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Factores de conversão de energia
- 45 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores conversão
Exercícios de aplicação
- 46 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Exercícios de aplicação
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)
- 47 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
Exercícios de aplicaçãoSolução exercícios 2 e 3
- 48 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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
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
tonkgP
PPCC
CO
COCOpp CCGTCarvão
/€02,11/€01102,03391152
77,2373,32
33973,32115277,23
2
22
- 49 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
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.
- 50 -Sessão #1 | 28 Abril 2010
:::: Sessão #1 ::::
Fundamentos técnicos e económicos
associados à produção de energia
eléctrica
Jorge de SousaProfessor Coordenador
ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa
Formação Galp EnergiaModelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica