Transcript MEN - Mercados de Energia Mestrado em Engenharia Electrotécnica

MEN - Mercados de Energia
Mestrado em Engenharia Electrotécnica
Introdução aos conceitos técnicos e
económicos associados à produção de
energia eléctrica
Jorge Alberto Mendes de Sousa
Professor Coordenador
Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa
ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
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Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores de conversão

Exercícios de aplicação
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Enquadramento
Procura mundial de energia
Resto do mundo
China
Resto da OCDE
União Europeia
A procura mundial de energia está em forte ascensão especialmente devido
ao crescimento da China.
O consumo europeu encontra-se praticamente estagnado.
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Enquadramento
Consumo de energia na UE por fonte primária
Petróleo
Gás
Carvão
Nuclear
Renováveis
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.
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Enquadramento
Importação de energia pela UE 27
(2006)
Outros
Oceania
América
Médio oriente
África sub-sariana
Norte de África
Ásia
Rússia
Gás Natural
Petróleo
Carvão
Outros países europeus
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)
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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%.
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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%
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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
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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.
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Enquadramento
Emissões GEE na UE por sector
(2009)
Outros
7%
Residencial
11%
Indústrias
energéticas
35%
Transportes
30%
Indústria e
construção
18%
As principais emissões de gases com efeito de estufa derivam das
indústrias energéticas (35%), dos transportes (30%) e da indústria e
construção (18%).
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Enquadramento
Os pilares da política energética europeia
Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento
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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.
Fonte: 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.
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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.
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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%
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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
Regulamentos
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
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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
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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.
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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.
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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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Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores de conversão

Exercícios de aplicação
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Fundamentos técnicos
Hídrica
Fonte: Endesa
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Fundamentos técnicos
Térmica: Carvão
Fonte: Endesa
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Fundamentos técnicos
Térmica: Ciclo Combinado (CCGT)
Fonte: Endesa
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Fundamentos técnicos
Térmica: Nuclear
Fonte: Endesa
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Fundamentos técnicos
Eólica
Vestas V112-3.0 MW
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Fundamentos técnicos
Fotovoltaica
BP 4180T
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Fundamentos técnicos
Perfis de produção típicos: Térmicas e hídrica
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Fundamentos técnicos
Perfis de produção típicos: Eólica
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Fundamentos técnicos
Emissões
SO2
NOx
CO2
[x kg]
Combustível
[1 kg]
Electricidade
[y kWhe]
Emissão específica = x
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kg CO2 /
y
kWhe
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Fundamentos técnicos
Emissões CO2
x kg
CO2
1
1 kg
combustível
y kWhe
2
:: Emissão específica: x kg CO2 / y kWhe
1
1 kg combustível = x kg CO2 (só depende do combustível)
2
1 kg combustível = y kWhe (depende do rendimento e do PCI)
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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
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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
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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
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Fundamentos técnicos
Emissão específica
:: Rendimento:
h = Esaída/Eentrada = y / PCI
:: Emissão específica = x / y = x / (PCI x
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h)
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Fundamentos técnicos
Emissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão
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Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores de conversão

Exercícios de aplicação
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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
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Fundamentos económicos
Custos de combustível e emissões
C p  Ccomb  CCO 2
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
Ccomb
F

PCI h
F : Custo do combustível
PCI: Poder calorífico inferior
h: Rendimento da central
CCO 2  PCO 2  ee p
PCO2: Preço de CO2
eep: emissão específica de CO2 da central
ee p 
ecomb
PCI h
ecomb: coeficiente de emissão de CO2
do combustível
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Fundamentos económicos
Exemplo: custo variável central a carvão
Carvão
Central a carvão
CO2
h = 40%
PCO2 = 15 €/ton CO2
F = 50 €/ton
PCI = 6500 kcal/kg
ecomb = 2,9 kg CO2/kg
Ccomb
F
50 € / ton
50103 € / kg



 16,54 € / MW he
PCI h 6500kcal / kg  0,4 65001,163106 MW ht / kg  0,4
ee p 
ecomb
2,9 kg CO2 / kg
2,9 kg CO2 / kg


 959 kg CO2 / MW he
PCI h 6500 kcal / kg  0,4 6500 1,163 106 MW ht / kg  0,4
CCO2  PCO2  ee p  15 103 € / kg CO2  959 kg CO2 / MW he  14,39 € / MW he
C p  Ccomb  CCO 2  16,54 € / MW he  14,39 € / MW he  30,93 € / MW he
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Fundamentos económicos
Exemplo: custo variável CCGT
Gás
F = 0,20 €/Nm3
PCI = 9028 kcal/Nm3
CCGT
CO2
h = 55%
PCO2 = 15 €/ton CO2
ecomb = 1,9 kg CO2/Nm3
Ccomb
F
0,20 € / Nm3
0,20 € / Nm3



 34,63 € / MW he
PCI h 9028kcal / Nm3  0,55 90281,163106 MW ht / Nm3  0,55
ecomb
1,9 kg CO2 / Nm3
1,9 kg CO2 / Nm3
ee p 


 329 kg CO2 / MW he
PCI h 9028kcal / Nm3  0,55 90281,163106 MW ht / Nm3  0,55
CCO2  PCO2  ee p  15 103 € / kg CO2  329 kg CO2 / MW he  4,94 € / MW he
C p  Ccomb  CCO 2  34,63 € / MW he  4,94 € / MW he  39,57 € / MW he
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Fundamentos económicos
Valores típicos de custos das centrais térmicas
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Fundamentos económicos
Relação entrada/saída (H: Heat rate)
B
T
G
P
H
Caldeira
Turbina
Alternador
Aux
Serviços
Auxiliares
H(P )  a  b P  c P 2
H : Potência térmica de entrada
P : Potência eléctrica de saída
a, b, c : Parâmetros característicos do grupo
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Fundamentos económicos
Custo de produção
C (P ) [€/h]
Custo de produção relativo ao combustível
P min
P max
Potência eléctrica

P [MW]

C(P)  a  b P  c P 2 F
C : Custo de produção
F : Custo do combustível
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Fundamentos económicos
Custo marginal
C' (P ) [€/MWh]
Custo marginal de produção


C(P)  a  b P  c P 2 F
P min
P max
Potência eléctrica
P [MW]
C' ( P )   b  2 c P  F
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Fundamentos económicos
Custo médio
C (P )/P [€/MWh]
Custo médio de produção


C(P)  a  b P  c P 2 F
P min
P*
Potência eléctrica
P max
P [MW]
C (P )  a

   b  c P F
p
P

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Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores de conversão

Exercícios de aplicação
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Principais grandezas eléctricas
Símbolo
V ou U
Grandeza
Tensão
Unidades
Volt [V]
I
Corrente
Z
Impedância
Ohm [W]
f
Frequência
Hertz [Hz]
P
Potência activa
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];...
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Ampère [A]
Watt [W]
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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
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Factores de conversão de energia
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Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores de conversão

Exercícios de aplicação
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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)
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Exercícios de aplicação
Solução exercícios 2 e 3
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Exercícios de aplicação
Carvão
Solução exercício 4
Ccomb
F
60 € / ton
60103 € / kg



 23,77 € / MW he
PCI h 6200 kcal / kg  0,35 62001,163106 MW ht / kg  0,35
ee p 
ecomb
2,9075kg CO2 / kg
2,9075kg CO2 / kg


 1152 kg CO2 / MW he
PCI h 6200 kcal / kg  0,35 6200 1,163 106 MW ht / kg  0,35
C p  Ccomb  CCO 2  23,77  PCO 2 1152
CCGT
Ccomb 
18 € / MW ht
F

 32,73 € / MW he
PCI h
0,55
ecomb
1,9569kg CO2 / Nm3
1,9569kg CO2 / Nm3
ee p 


 339 kg CO2 / MW he
PCI h 9028kcal / Nm3  0,55 90281,163106 MW ht / Nm3  0,55
CO2
C p  Ccomb  CCO 2  32,73  PCO 2  339
C pCarvão  C pCCGT  23,77  PCO 2 1152 32,73  PCO 2  339
PCO 2 
32,73  23,77
 0,01102€ / kg  11,02 € / ton
1152 339
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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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