MEN - Mercados de Energia Mestrado em Engenharia Electrotécnica

1. MEN - Mercados de EnergiaMestrado 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

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

3. 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.

4. 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.

5. 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)

6. 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%.

7. 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%

8. 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

9. 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.

10. 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%).

11. EnquadramentoOs pilares da política energética europeia Sustentabilidade|Competitividade|Segurança de abastecimento

12. 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, StatisticalReviewofWorldEnergy, 2009 No entanto, o nível elevado de emissões associado a este combustível faz com que constitua um factor negativo em termos de sustentabilidade.

13. 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.

14. 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%

15. 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.

16. Enquadramento O 3º Pacote Energia Regulamentos Directivas 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 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 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 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

17. 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). • Doisterços 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.

18. 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.

19. 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.

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

21. Fundamentos técnicosHídrica

22. Fundamentos técnicosTérmica: Carvão

23. Fundamentos técnicosTérmica: Ciclo Combinado (CCGT)

24. Fundamentos técnicosTérmica: Nuclear

25. Fundamentos técnicosEólica Vestas V112-3.0 MW

26. Fundamentos técnicosFotovoltaica BP 4180T

27. Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Térmicas e hídrica

28. Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Eólica

29. CO2 [x kg] Combustível [1 kg] Electricidade [ykWhe] Fundamentos técnicosEmissões SO2 NOx Emissão específica =xkg CO2 /ykWhe

30. x kg CO2 1 2 1 kg combustível y kWhe Fundamentos técnicosEmissões CO2 :: 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

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

32. Fundamentos técnicosCoeficiente 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

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

34. Fundamentos técnicosEmissão específica :: Rendimento: h= Esaída/Eentrada = y / PCI ::Emissão específica = x / y = x / (PCI x h)

35. Fundamentos técnicosEmissões específicas típicas: CCGT, fuelóleo, carvão

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

37. 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

38. Fundamentos económicosCustos 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 PCO2: Preço de CO2 eep: emissão específica de CO2 da central F : Custo do combustível PCI: Poder calorífico inferior h: Rendimento da central ecomb: coeficiente de emissão de CO2 do combustível

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

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

41. Fundamentos económicosValores típicos de custos das centrais térmicas

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

43. Fundamentos económicosCusto de produção relativo ao combustível C : Custo de produção F : Custo do combustível

44. Fundamentos económicosCusto marginal de produção

45. Fundamentos económicosCusto médio de produção

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

47. Principais grandezas eléctricas

48. Múltiplos e submúltiplos das unidades

49. Factores de conversão de energia

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