CONCEITOS ENERGÉTICOS Instituto Superior Técnico – DEM - SAE

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1 CONCEITOS ENERGÉTICOS Instituto Superior Técnico – DEM - SAE
Miguel P. N. Águas Instituto Superior Técnico – DEM - SAE M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

2 Introdução M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

3 Escassez + Preço + Ambiente
URE XX Liberalização Escassez Preço Ambiente XXI Serviços Renováveis M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

4 Energia primária e final
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

5 ENERGIA SOLAR, POTENCIAL,QUIMICA, NUCLEAR
Ciclo Energético ENERGIA SOLAR, POTENCIAL,QUIMICA, NUCLEAR DEGRADAÇÃO SOBREVIVÊNCIA INFORMAÇÃO CALOR + POLUIÇÃO M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

6 Redução da factura Cascata da energia
Primária Transformação de Energia Degradação de energia primária Final Conversão de Energia Degradação de energia final Útil Utilização de Energia Desperdício de energia Produtiva M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology” Produtiva

7 Rendimento da transformação
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

8 Evolução da produção eléctrica
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

9 Produção hidro-eléctrica
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

10 Transformação de energia primária em final
Energia primária = Energia final + Degradações Degradações : Fronteira espacial e temporal Centrais termo-eléctricas: Rendimento de Carnot M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

11 Transformação de energia final em útil Rendimento de conversão
Motor eléctrico: 90% Lâmpada fluorescente: 40% Eficiência de Carnot M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

12 7% Iluminação Produção de electricidade 35% Produção de luz 40%
Energia Primária Produção de electricidade 35% Mau rendimento da Central Térmica Final Produção de luz 40% Mau rendimento das lâmpadas Útil Utilização da luz 50% 7% Desinteresse Riqueza M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology” Produtiva

13 Escolha do Indicador M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

14 Secagem de Melaço Condensado Vapor Tsat=120ºC Psat= 2.0 bar Tsat=160ºC
3 Tsat=120ºC Psat= 2.0 bar 1 Tsat=160ºC Psat= 6.2 bar Vapor Caldeira Combustível Tsat=180ºC Psat= 10.0 bar Purgador Vapor Condensado 2 Tsat=140ºC Psat=3.6 bar Vapor Bomba M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

15 Escolha do Indicador  M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

16 Ex.1.2: Conversão para tep Pretende-se conhecer o coeficiente de conversão da electricidade para energia primária nas unidades tep/MWh, sabendo-se que a central térmica tem um rendimento de 40% e que o combustível é um hidrocarboneto refinado com um PCI de 9500 kcal/kg. Os consumos energéticos associados à sua extracção, transporte e refinação representam 1000 kcal por cada kg de combustível. Considere 1 tep = 10 Gcal. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

17 Ex.1.3: Aquecimento Pretende-se aquecer uma habitação. Este aquecimento pode ter 3 formas diferentes: 1) Aquecimento eléctrico por efeito de Joule 2) Aquecimento central através de queima de gás natural para aquecimento de um circuito de água quente. A caldeira apresenta um rendimento de 90%. 3) Aquecimento do ar através de uma bomba de calor (eficiência de 2.5). São fornecidos os seguintes elementos: 0.1€/kWheléctrico, 0.6 €/m3 GN, PCI GN=39.5 MJ/m3, coeficientes de conversão para energia primária: 0.29 kgep/kWheléctrico, 0.91 kgep/m3 GN Qual a posição destas 3 soluções em termos dos consumos de energia final, primária e factura energética ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

18 Regulamentação M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

19 RGCE - Legislação ENCONTRA-SE REGULAMENTADO NA SEGUINTE LEGISLAÇÃO:
Decreto-Lei nº 58/82, D.R. nº 47, I Série de 1982/02/26 Portaria nº 359/82, D.R. nº 81, I Série, de 1982/04/07 Despacho nº 10/88, D.R. nº 125, II Série, de 1988/05/30 M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

20 RGCE - Objectivo PROMOVER A REDUÇÃO DE CONSUMO DE ENERGIA PRIMÁRIA
NACIONAL ATRAVÉS DA DIMINUIÇÃO DOS VALORES DE CONSUMO ESPECÍFICO. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

21 Consumo Energético anual (kgep/ano) Produção anual (ton/ano)
RGCE – Bases de cálculo ASSENTA EM DOIS TÓPICOS: CONVERSÃO DOS CONSUMOS PARA ENERGIA PRIMÁRIA: 1 MWh 0.29 tep 1000 m3 gás natural 0.91 tep 1 ton propano 1.14 tep 1000 l gasolina super 0.75 tep 1 ton fuel 0.969 tep 1000 l gasóleo 0.835 tep CÁLCULOS UTILIZANDO CONSUMOS ESPECÍFICOS: Consumo Energético anual (kgep/ano) Produção anual (ton/ano) CE (kgep / ton) = M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

22 RGCE - Universo INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS ABRANGIDAS:
Consumo anual superior a 1000 tep/ano. Exemplos: MWh/ano de consumo eléctrico - 877 ton/ano de propano m3/ano de gás natural ton/ano de fuel M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

23 RGCE - Universo OBRIGA AS INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS:
Auditoria Energética, de 5 em 5 anos; Plano de Racionalização, aprovado pela Direcção-Geral de Energia, para um período de 5 anos; Acompanhamento trimestral e anual do Plano de Racionalização; Estabelece penalizações. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

24 REDUÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO
RGCE - Cumprimento REDUÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO 1. Existe valor de K de referência e é inferior a CE0: CE0 + K 2 CE5 < Redução para o valor médio de CE0 e K 2. Não existe valor de K de referência ou é superior a CE0: CE5 < CE0  95% Redução de 5% M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

25 K papel M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

26 Ex.2.2: Parque industrial Considere um determinado sector industrial para o qual o valor do consumo especifico objectivo definido por lei, K, é de 150 kgep/ton. Calcule: a) A percentagem de consumo energético da globalidade do sector industrial que se verifica em empresas abrangidas pelo RGCE. b) Qual a redução percentual do consumo energético anual do sector num prazo de 5 anos se houver cumprimento do RGCE. c) Se na gama acima de 3000 tep/ano, 40% do consumo de energia primária for eléctrico, determine o consumo especifico eléctrico. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

27 Ex.2.2: Embalagem Considere uma empresa que fabrica cartão canelado na forma de placas e de embalagens. Para ambos os produtos existe K definido pelo RGCE: 30 kgep/tonplacas e 45 kgep/ton embalagem . No ano 0, a empresa vendeu ton de placas e ton de embalagens, tendo consumido 750 mil m3 de gás natural e 2 GWh eléctricos. O fabrico de embalagem consiste em operações de pintura e dobragem das placas, envolvendo apenas um consumo eléctrico adicional de 80 kWh/ton. Por consequência, o consumo específico da embalagem é superior ao consumo específico da placa. O gás natural é queimado numa caldeira de vapor com um rendimento energético de 88% e que as perdas de transformação energética dos equipamentos eléctricos se quantificam em 0.5 GWh. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

28 Ex.2.2: Embalagem (cont) Finalmente, quantificaram-se os desperdícios energéticos em 15% da energia utilizável quer no vapor quer na electricidade. Considere o PCI do gás natural de 39.5 MJ/m3. a)   Confirme que esta empresa está abrangida pelo RGCE e determine o consumo específico de cada um dos 2 produtos. b)   Para cumprir o RGCE quais deverão ser os consumos específicos de cada um dos produtos dentro de 5 anos. c)   Quantifique o diagrama de Sankey da empresa. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

29 Indicadores de energia e ambiente
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

30 Consumo mundial de energia
8.7 mil milhões de tep M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

31 Reservas mundiais de petróleo 142 mil milhões de toneladas
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

32 Consumo mundial de petróleo 3.5 mil milhões de toneladas
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

33 Alterações climáticas
CO2 - 1 CH N2O M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

34 A energia é a maior parcela
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

35 Energia e ambiente kg CO2/kWh térmico
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

36 Exemplo da oferta de energia
Acções: Exemplo da oferta de energia M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

37 Escolha do Indicador M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

38 PIB M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

39 Intensidade energética mundial
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

40 Evolução da intensidade energética
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

41 Intensidade energética em Portugal
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

42 Consumo de energia em Portugal
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

43 A dinâmica dos sectores
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

44 Indústria - desagregação
Siderurgia 6% Outros Metalomecânica 9% 4% Têxteis 10% Cimento 16% MNM 37% Papel e artigos de papel Cerâmicas 11% 16% Vidro e artigos de vidro 6% Químicas e plásticos 11% Alimentação 11% M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

45 Balanço de energia Características: Subdivisão por formas de energia
Unidade de energia final (mil tep) Divisão em energia primária e final Subdivisão por sectores e sub-sectores M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

46 Formas de energia M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

47 Balanço de 1998: inputs M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

48 Balanço de 1998: transformação
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

49 Balanço de 1998: consumo M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

50 Modelo Input-Output M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

51 Exemplo M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

52 Conclusões M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

53 Preços da energia M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

54 Preços do petróleo M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

55 Preços aproximados dos combustíveis
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

56 Liberalização eléctrica
Adesão ao SENV M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

57 Liberalização eléctrica
Negociação M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

58 Tarifário de electricidade
CLÁSSICO -Hora do dia (++ponta, +cheia e vazio) -Estação do ano (+verão, inverno) -Nível de tensão (+++bt, ++mt, +at, mat) -Regime de utilização FUTURO -Distribuidor M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

59 Problema Em baixa tensão o regime normal tem o preço do kWh é invariável ao longo das 24 horas ( €/kWh) enquanto que no regime bi-horário o consumo nas horas de vazio (das 22h às 8h no Inverno e das 23h às 9h no Verão) é mais baratos ( €/kWh). Em contrapartida o “aluguer do contador” é mais elevado no regime bi-horário. Para uma potência instalada de 6.9 kVA, o aluguer do contador é de €/mês e de €/mês para contagem simples e contagem bi-horária, respectivamente. Quantos kWh se tem de consumir em horas de vazio para compensar ? É fácil ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

60 Fórmula de cálculo Factura = Fenergia+Fpotência
Fenergia=$/kWhpontaConsumoponta Fpotência =($/kW)pPp+($/kW)cPc Pt é a potência tomada (máx. 15 minutos) Pp é a potência média em horas de ponta Pc é a potência contratada (máx. Pt anual) M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

61 Preços em média tensão e utilização
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

62 Horários Horário de Inverno:
horas de ponta : 9.30 às e às 21.00 horas cheias: 8.00 às 9.30, às e às 22.00 horas de vazio: às 8.00 M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

63 Problema Considere uma empresa com o seguinte perfil de potência média horária: Período A: das 0h- 8h: 100 kW Período B: das 8h -21h: 500 kW Período C: das 21h-24h: 300 kW A empresa é abastecida em média tensão, possuindo um posto de transformação com a potência de 2 MW. A potência tomada é de 700 kW. A empresa labora 20 dias/mês, 12 meses/ano. Determine: a) Determine o preço final do kWh. b) Qual o benefício anual decorrente da redução da potência instalada ? c) A ser possível deslocar um consumo de 100 kW do período B para o período A, qual será o benefício anual resultante ? Que potência média passaria a ter o período A ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

64 Balanço Energético M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

65 Sistemas Fechados DU = Q + W Fronteira móvel Massa constante
Q (calor) W (trabalho) DU (energ. Interna) M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

66 Sistemas Fechados Problema
A massa de 1 kg de ar sofre uma expansão durante a qual recebe 16 kJ sob a forma de calor e fornece trabalho no valor de 20 kJ. Numa segunda expansão entre os mesmos estados inicial e final o calor recebido é apenas de 9 kJ. Qual é a variação de energia interna na primeira expansão e qual é o trabalho fornecido pelo sistema na segunda expansão ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

67 Caudais de entrada e saída
Sistemas Abertos Fronteira fixa Caudais de entrada e saída balanço de massa Q (potência calorífica) W (potência mecânica) Caudal 1 Caudal 3 Caudal 2 M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

68 Trabalho de bombagem A pressão atmosférica corresponde, aproximadamente, a Pa. Um desnível de 1 m de água a quase Pa. Foram efectuadas medições eléctricas ao funcionamento de uma bomba que eleva eleva 100 m3/h de um poço que tem uma profundidade de 50 m. A potência eléctrica foi de 10 kW. Determine o rendimento da bomba . M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

69 (se o caudal volúmico não variar)
Trabalho de turbina (se o caudal volúmico não variar) Uma turbina a vapor trabalha entre 60 bar e 10 bar, com um volume específico de 0.05 m3/kg. Apresenta um rendimento de 90% e produz diariamente 11 MWh. Qual é o caudal mássico horário de vapor ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

70 Aquecimento da água M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

71 Potência de caldeira Uma caldeira produz vapor sobreaquecido à pressão de 60 bar e à temperatura de 400ºC. A água entra na caldeira à temperatura de 120ºC. A caldeira produz 13 kg de vapor por kg de fuel(PCI=40 MJ/kg). Qual é o rendimento da caldeira ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

72 Cogeração Uma caldeira produz vapor sobreaquecido à pressão de 60 bar e à temperatura de 400ºC. A água entra na caldeira à temperatura de 120ºC. A caldeira produz 13 kg de vapor por kg de fuel(PCI=40 MJ/kg). O vapor passa numa turbina saindo saturado e a 10 bar. Determine a produção de vapor e de electricidade por cada kg de fuel queimado. Uma caldeira que produzisse vapor saturado directamente a 10 bar quanto fuel iria gastar a menos ? Analise a solução proposta. M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

73 Combustão M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

74 Definição A combustão provoca a quebra das moléculas dos reagentes, dando origem a novos produtos, com libertação de energia. A combustão diz-se completa se todo o carbono presente no combustível queimar dando origem a dióxido de carbono M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

75 Fenómeno físico Cinética química: a reacção cresce exponencialmente com a temperatura Difusão: é necessário remover os produtos da combustão Gases Oxigénio M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

76 Combustíveis Gasosos: permitem chama de pré-mistura. A chama é controlada pela cinética química. Líquidos: obrigam à atomização em micro-gotas, a queima é parcialmente dominada pela difusão Sólidos: requerem a pulverização dos produtos, a queima é fortemente dominada pela difusão M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

77 Combustíveis em transportes
Ciclo OTTO: gasolina, propano, gás natural Ciclo Diesel: gasóleo, fuel M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

78 Combustão em ar A medição dos gases de uma chaminé de uma caldeira que queima gás natural indicou uma percentagem volumétrica de oxigénio de 5%. Em que excesso de ar decorre a combustão ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

79 Combustão em ar A medição dos gases de uma chaminé de uma caldeira que queima gás natural indicou uma percentagem volumétrica de oxigénio de 5% (isenta de vapor de água). Em que excesso de ar decorre a combustão ? M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

80 Cogeração M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

81 Conceito Um sistema diz-se cogerador quando produz electricidade e calor útil simultaneamente. O calor é aproveitado a partir da exaustão térmica associada ao processo de produção de energia eléctrica M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

82 Diagrama de Sankey M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

83 Motor Térmico M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

84 Turbina de gás - simples
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

85 TG – normal e ar arrefecido
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

86 TG – directo e pós-combustão
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

87 TG – ciclo combinado M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

88 Legislação Aplicável M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

89 Parâmetro Fundamental
Rendimento Eléctrico Equivalente E – Energia eléctrica produzida anualmente C- Energia primária consumida anualmente T- Energia térmica útil consumida anualmente CR- Recursos renováveis consumidos anualmente REE > 0.55 para Gás Natural REE > para Fuel-óleo REE > 0.45 para Renovável M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

90 Parâmetro Complementar
M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”

91 Componentes do preço da Electricidade Produzida
Termo fixo Termo variável Termo ambiental M.Sc. Program “Engineering Policy and Management of Technology”