Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

- 1 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

:::: Sessão #1 ::::

Fundamentos técnicos e económicos

associados à produção de energia

eléctrica

Jorge de SousaProfessor Coordenador

ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa

Formação Galp EnergiaModelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

- 2 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Agenda

Enquadramento

Fundamentos técnicos

Fundamentos económicos

Principais grandezas e factores conversão

Exercícios de aplicação

- 3 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

EnquadramentoOs pilares da política energética europeia

Sustentabilidade | Competitividade | Segurança de abastecimento

- 4 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

EnquadramentoOs 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 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

EnquadramentoO 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 -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

EnquadramentoO Mercado Interno de Energia – Objectivos (1/2)

- 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

EnquadramentoO Mercado Interno de Energia – Objectivos (2/2)

- 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 -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

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.

- 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





- 16 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosHídrica

Fonte: Endesa

- 17 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosTérmica: Carvão

Fonte: Endesa

- 18 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosTérmica: Ciclo Combinado (CCGT)

Fonte: Endesa

- 19 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosTérmica: Nuclear

Fonte: Endesa

- 20 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosEólica

Vestas V112-3.0 MW

- 21 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosFotovoltaica

BP 4180T

- 22 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Térmicas e hídrica

- 23 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Eólica

- 24 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Combustível[1 kg]

Electricidade[y kWhe]

CO2

[x kg]

Emissão específica = x kg CO2 / y kWhe

Fundamentos técnicosEmissões

SO2

NOx

- 25 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

:: 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

- 26 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

:: 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)

- 27 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

:: 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)

- 28 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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)

- 29 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

:: Rendimento: = Esaída/Eentrada = y / PCI

:: Emissão específica = x / y = x / (PCI x )

Fundamentos técnicosEmissão específica

- 30 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos técnicosEmissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão

- 31 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Agenda

Enquadramento





- 32 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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

- 33 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos económicosCustos de combustível e emissões

2COcombp CCC

PCI

FCcomb

F : Custo do combustívelPCI: Poder calorífico inferior: 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

- 34 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos económicosExemplo: custo variável central a carvão

Carvão

F = 50 €/ton

PCI = 6500 kcal/kg

ecomb = 2,9 kg CO2/kg

= 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

- 35 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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

= 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

- 36 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos económicosValores típicos de custos das centrais térmicas

- 37 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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

- 38 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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

- 39 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos económicosCusto marginal de produção

FPPPC 2cba)(

Pmin Pmax

Cus

to m

argi

nal

C

'(P

) [€

/MW

h]


FP)P('C cb 2

- 40 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Fundamentos económicosCusto médio de produção

FPPPC 2cba)(

FPPp

PC

cba)(

Pmin Pmax

Cus

to m

édio

C(P

)/P

[€/

MW

h]


P*

- 41 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Agenda

Enquadramento





- 42 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Principais grandezas eléctricas

Símbolo Grandeza Unidades

V ou U Tensão Volt [V]

I Corrente Ampère [A]

Z Impedância Ohm []

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 caloríficaJoule [J]; [Wh]; [cal]; [Btu];

[térmia];...

- 43 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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

- 44 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Factores de conversão de energia

- 45 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Agenda

Enquadramento





- 46 -Sessão #1 | 28 Abril 2010


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)

- 47 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

Exercícios de aplicaçãoSolução exercícios 2 e 3

- 48 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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

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

tonkgP

PPCC

CO

COCOpp CCGTCarvão

/€02,11/€01102,03391152

77,2373,32

33973,32115277,23

2

22

- 49 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

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.

- 50 -Sessão #1 | 28 Abril 2010

:::: Sessão #1 ::::

Fundamentos técnicos e económicos

associados à produção de energia

eléctrica

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