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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
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Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores de conversão
Exercícios de aplicação
- 3 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
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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
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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
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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%.
- 7 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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%
- 8 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 9 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.
- 10 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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%
- 11 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
EnquadramentoOs pilares da política energética europeia
Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento
- 12 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 13 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.
- 14 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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%
- 15 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.
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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
- 17 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.
- 18 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.
- 19 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.
- 20 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores de conversão
Exercícios de aplicação
- 21 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosHídrica
Fonte: Endesa
- 22 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosTérmica: Carvão
Fonte: Endesa
- 23 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosTérmica: Ciclo Combinado (CCGT)
Fonte: Endesa
- 24 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosTérmica: Nuclear
Fonte: Endesa
- 25 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosEólica
Vestas V112-3.0 MW
- 26 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosFotovoltaica
BP 4180T
- 27 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Térmicas e hídrica
- 28 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Eólica
- 29 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Combustível[1 kg]
Electricidade[y kWhe]
CO2
[x kg]
Emissão específica = x kg CO2 / y kWhe
SO2
NOx
Fundamentos técnicosEmissões
- 30 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
:: 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
- 31 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
:: 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)
- 32 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
:: 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)
- 33 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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)
- 34 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
:: Rendimento: h = Esaída/Eentrada = y / PCI
:: Emissão específica = x / y = x / (PCI x h)
Fundamentos técnicosEmissão específica
- 35 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos técnicosEmissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão
- 36 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores de conversão
Exercícios de aplicação
- 37 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 38 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 39 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 40 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 41 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Fundamentos económicosValores típicos de custos das centrais térmicas
- 42 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 43 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 44 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 45 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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*
- 46 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores de conversão
Exercícios de aplicação
- 47 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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];...
- 48 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 49 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Factores de conversão de energia
- 50 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Agenda
Enquadramento
Fundamentos técnicos
Fundamentos económicos
Principais grandezas e factores de conversão
Exercícios de aplicação
- 51 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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)
- 52 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Exercícios de aplicaçãoSolução exercícios 2 e 3
- 53 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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
- 54 -ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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.