Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica :: 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

Agenda Enquadramento Fundamentos técnicos Fundamentos económicos Principais grandezas e factores conversão Exercícios de aplicação

Enquadramento Os pilares da política energética europeia Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento

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%.

Enquadramento O Mercado Interno de Energia – Directivas 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 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

Enquadramento O Mercado Interno de Energia – Objectivos (1/2) 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 (2/2) 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 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).

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. Source: BP, Statistical Review of World Energy, 2009 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.

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.).

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).

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.

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.

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Fundamentos técnicos Hídrica

Fundamentos técnicos Térmica: Carvão

Fundamentos técnicos Térmica: Ciclo Combinado (CCGT)

Fundamentos técnicos Térmica: Nuclear

Fundamentos técnicos Eólica Vestas V112-3.0 MW

Fundamentos técnicos Fotovoltaica BP 4180T

Fundamentos técnicos Perfis de produção típicos: Térmicas e hídrica

Fundamentos técnicos Perfis de produção típicos: Eólica

Fundamentos técnicos Emissões Combustível [1 kg] Electricidade [y kWhe] CO2 [x kg] SO2 NOx Emissão específica = x kg CO2 / y kWhe

Fundamentos técnicos Emissões CO2 1 kg combustível x kg CO2 y kWhe 1 2 :: 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 2

Fundamentos técnicos Coeficiente de emissão dos combustíveis (x) (1/2) :: Carvão [C(%), H2(%), S(%), O2(%), ...] xcarvão = 3,664 C(%) kg CO2 / kg Carvão :: 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

Fundamentos técnicos Coeficiente de emissão dos combustíveis (x) (2/2) :: Fuelóleo [C14H30] C14H30+21,5 (O2+3,76 N2) -> 14 CO2 + 15 H2O + 80,84 N2 xFuel = 3,1057 kg CO2 / kg Fuelóleo :: Gasóleo [C12H26] C12H26+18,5 (O2 + 3,76 N2) -> 12 CO2+13 H2O+ 69,56 N2 xGasóleo = 3,1005 kg CO2 / kg Gasóleo

Fundamentos técnicos Poder calorífico típico dos combustíveis (PCI) Carvão : 6200 kcal/kg (muito variável) Gás natural : 9028 kcal/Nm3 Fuelóleo : 9640 kcal/kg Gasóleo : 10000 kcal/kg

Fundamentos técnicos Emissão específica :: Rendimento: h = Esaída/Eentrada = y / PCI :: Emissão específica = x / y = x / (PCI x h)

Fundamentos técnicos Emissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão

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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

Fundamentos económicos Custos de combustível e emissões 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 F : Custo do combustível PCI: Poder calorífico inferior h: Rendimento da central PCO2: Preço de CO2 eep: emissão específica de CO2 da central ecomb: coeficiente de emissão de CO2 do combustível

Fundamentos económicos Exemplo: custo variável central a carvão F = 50 €/ton PCI = 6500 kcal/kg ecomb = 2,9 kg CO2/kg h = 40% Central a carvão CO2 PCO2 = 15 €/ton CO2

Fundamentos económicos Exemplo: custo variável CCGT Gás F = 0,20 €/Nm3 PCI = 9028 kcal/Nm3 ecomb = 1,9 kg CO2/Nm3 h = 55% CCGT CO2 PCO2 = 15 €/ton CO2

Fundamentos económicos Valores típicos de custos das centrais térmicas

Fundamentos económicos Relação entrada/saída (H: Heat rate) Turbina P G T B Aux Caldeira Alternador Serviços Auxiliares H H : Potência térmica de entrada P : Potência eléctrica de saída a, b, c : Parâmetros característicos do grupo

Fundamentos económicos Custo de produção relativo ao combustível C : Custo de produção F : Custo do combustível

Fundamentos económicos Custo marginal de produção

Fundamentos económicos Custo médio de produção

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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 Micro 10-6 n Nano 10-9 p Pico 10-12

Factores de conversão de energia

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Exercícios de aplicação Identifique os elementos das diversas tecnologias de produção de energia eléctrica apresentadas, efectuando a respectiva legenda. 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. 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. 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 aplicação Solução exercícios 2 e 3

Exercícios de aplicação Solução exercício 4 Carvão CCGT CO2

Exercícios de aplicação Solução 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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