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- 1 - Sessão #1 | 28 Abril 2010 :: :: :: Sessão #1 :: Fundamentos técnicos e económicos associados à produção de energia eléctrica Jorge de Sousa Professor.

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1 - 1 - Sessão #1 | 28 Abril 2010 :: :: :: Sessão #1 :: Fundamentos técnicos e económicos associados à produção de energia eléctrica Jorge de Sousa Professor Coordenador ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

2 - 2 - Sessão #1 | 28 Abril 2010 Agenda Enquadramento Fundamentos técnicos Fundamentos económicos Principais grandezas e factores conversão Exercícios de aplicação

3 - 3 - Sessão #1 | 28 Abril 2010 Enquadramento Os pilares da política energética europeia Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento

4 - 4 - Sessão #1 | 28 Abril 2010 Enquadramento Os 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 - 5 - Sessão #1 | 28 Abril 2010 Enquadramento O 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 - 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 Enquadramento O Mercado Interno de Energia – Objectivos (1/2)

7 - 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 Enquadramento O Mercado Interno de Energia – Objectivos (2/2)

8 - 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 - 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 Enquadramento Contexto 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 técnicos Hídrica

17 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Térmica: Carvão

18 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Térmica: Ciclo Combinado (CCGT)

19 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Térmica: Nuclear

20 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Eólica Vestas V MW

21 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Fotovoltaica BP 4180T

22 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Perfis de produção típicos: Térmicas e hídrica

23 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Perfis de produção típicos: Eólica

24 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Combustível [1 kg] Electricidade [y kWh e ] CO 2 [x kg] Emissão específica = x kg CO 2 / y kWh e Fundamentos técnicos Emissões SO 2 NO x

25 Sessão #1 | 28 Abril 2010 :: Emissão específica: x kg CO 2 / y kWh e 1 kg combustível = x kg CO 2 (só depende do combustível) 1 kg combustível = y kWh e (depende do rendimento e do PCI) 1 kg combustível x kg CO 2 y kWh e 1 2 Fundamentos técnicos Emissões CO 2 1 2

26 Sessão #1 | 28 Abril 2010 :: Gás Natural [ CH 4 ] CH (O 2 + 3,76 N 2 ) -> CO H 2 O + 2 x 3,76 N 2 x GN = 2,7434 kg CO 2 / kg GN = 1,9570 kg CO 2 / Nm 3 :: Carvão [ C(%), H 2 (%), S(%), O 2 (%),...] x carvão = 3,664 C(%) kg CO 2 / kg Carvão Fundamentos técnicos Coeficiente de emissão dos combustíveis (x) (1/2)

27 Sessão #1 | 28 Abril 2010 :: Gasóleo [ C 12 H 26 ] C 12 H ,5 (O 2 + 3,76 N 2 ) -> 12 CO H 2 O+ 69,56 N 2 x Gasóleo = 3,1005 kg CO 2 / kg Gasóleo :: Fuelóleo [ C 14 H 30 ] C 14 H ,5 (O 2 +3,76 N 2 ) -> 14 CO H 2 O + 80,84 N 2 x Fuel = 3,1057 kg CO 2 / kg Fuelóleo Fundamentos técnicos Coeficiente de emissão dos combustíveis (x) (2/2)

28 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Carvão : 6200 kcal/kg (muito variável) Gás natural : 9028 kcal/Nm 3 Fuelóleo : 9640 kcal/kg Gasóleo : kcal/kg Fundamentos técnicos Poder calorífico típico dos combustíveis (PCI)

29 Sessão #1 | 28 Abril 2010 :: Rendimento:= E saída /E entrada = y / PCI :: Emissão específica = x / y = x / (PCI x ) Fundamentos técnicos Emissão específica

30 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos técnicos Emissões 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 económicos Custos 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 económicos Custos de combustível e emissões F : Custo do combustível PCI: Poder calorífico inferior : Rendimento da central C p : Custo variável da central p (combustível + emissões) C comb : Custo variável da central relativo ao combustível C CO2 : Custo variável da central relativo às emissões de CO 2 e comb : coeficiente de emissão de CO 2 do combustível P CO2 : Preço de CO 2 ee p : emissão específica de CO 2 da central

34 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Exemplo: custo variável central a carvão Carvão F = 50 /ton PCI = 6500 kcal/kg e comb = 2,9 kg CO 2 /kg = 40% Central a carvão CO 2 P CO2 = 15 /ton CO 2

35 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Exemplo: custo variável CCGT CO 2 P CO2 = 15 /ton CO 2 Gás F = 0,20 /Nm 3 PCI = 9028 kcal/Nm 3 e comb = 1,9 kg CO 2 /Nm 3 = 55% CCGT

36 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Valores típicos de custos das centrais térmicas

37 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Relação entrada/saída (H: Heat rate) Turbina P GT B Aux CaldeiraAlternador Serviços Auxiliares H H : Potência térmica de entrada P : Potência eléctrica de saída a, b, c : Parâmetros característicos do grupo

38 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Custo de produção relativo ao combustível C : Custo de produção F : Custo do combustível

39 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Custo marginal de produção

40 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Fundamentos económicos Custo médio de produção

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 SímboloGrandezaUnidades V ou U TensãoVolt [V] I CorrenteAmpère [A] Z Impedância Ohm [] f FrequênciaHertz [Hz] P Potência activaWatt [W] Q Potência reactivaVolt Ampère reactivo [VAr] S Potência aparenteVolt Ampère [VA] EeEe Energia eléctricaWatt hora [Wh] EtEt Energia calorífica Joule [J]; [Wh]; [cal]; [Btu]; [térmia];...

43 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Múltiplos e submúltiplos das unidades SímboloDesignaçãoValor T Tera G Giga10 9 M Mega10 6 k Kilo10 3 m Mili Micro n Nano p Pico

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 CO 2 é de 20 /ton e o coeficiente de emissão do carvão utilizado é 2,9075 kg CO 2 /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 /MWh t e que o coeficiente de emissão é 1,9569 kg CO 2 /Nm 3 determine qual o preço do CO 2 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/Nm 3 )

47 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Exercícios de aplicação Solução exercícios 2 e 3

48 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Exercícios de aplicação Solução exercício 4 Carvão CCGT CO2

49 Sessão #1 | 28 Abril 2010 Exercícios de aplicação Solução exercício 4 Para um preço de CO 2 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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