Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

1. Formação Galp EnergiaModelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica ::Sessão #8:: Integração de outras fontes de produção no sistema electroprodutor com aplicação à cogeração e mini-hídrica Jorge de Sousa Professor Coordenador ISEL - Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Webpage: pwp.net.ipl.pt/deea.isel/jsousa

2. Agenda • Enquadramento • Cogeração • Mini-hídrica • Exemplo de aplicação • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

3. EnquadramentoA produção em regime ordinário e especial • No sistema electroprodutor coexistem diversas tecnologias de produção com características bastante diferenciadas que se podem dividir em duas categorias: a produção em regime ordinário (PRO) e a produção em regime especial (PRE). • A PRO engloba os grandes centros produtores térmicos (centrais nucleares, carvão, CCGT, fuel e gasóleo) e hídricos, cuja actividade se desenvolve em regime de mercado atendendo à maturidade da tecnologia utilizada e à rentabilidade económica destes aproveitamentos. • A PRE engloba as tecnologias que, por razões de natureza política (energética), devem ser incentivadas através de mecanismos de apoio (p.e. tarifas garantidas). Nesta categoria incluem-se a energia eólica, minihídrica, fotovoltaica, solar termoeléctrico, cogeração, microgeração, entre outras.

4. EnquadramentoCogeração • A cogeração consiste no aproveitamento do calor residual originado nos processos termodinâmicos de geração de energia eléctrica, que doutra forma seria desperdiçado. O aproveitamento pode dar-se sob a forma de vapor, água quente e/ou fria (trigeração). • Deste modo é possível aumentar a eficiência energética global do processo, a qual pode chegar aos 90 % da energia contida no combustível.

5. EnquadramentoMini-hídrica • A designação central mini-hídrica é usada em Portugal para os aproveitamentos hidroeléctricos de potência inferior a 10 MW. • As centrais mini-hídricas são geralmente a fio de água, não sendo possível grande regularização do caudal afluente (como ocorre nas centrais de albufeira). • Como tal os seus impactos ambientais não são muito significativos.

6. Agenda • Enquadramento • Cogeração • Mini-hídrica • Exemplo de aplicação • Modelação e simulação em GAMS • Exercícios de aplicação em GAMS

7. CogeraçãoPrincípio de funcionamento

8. CogeraçãoComparação das diversas tecnologias

9. CogeraçãoPrincipais tecnologias usadas em Portugal

10. CogeraçãoPrincipais aplicações • Indústria • Sector alimentar • Sector petroquímico • Sector papeleiro • Serviços • Hospitais • Hóteis • Centros de desporto • Edifícios de escritórios • Centros comerciais • Redes urbanas de calor (“district heating”)

11. CogeraçãoCentral de trigeração - CLIMAESPAÇO Turbina a gás e caldeira recuperação Chiller de absorção Depósito de água arrefecida Fornecimento de calor e frio aos edifícios do Parque das Nações

12. CogeraçãoDecreto-Lei nº 23/2010 de 25 de Março Definições • Cogeração de pequena dimensão: capacidade instalada inferior a 1 MW. • Microcogeração: capacidade máxima inferior a 50 kW. • Cogeração de elevada eficiência • a) Potência eléctrica superior a 25 MW com eficiência global superior a 70 % e poupança de energia primária (relativamente à produção separada de electricidade e calor) de pelo menos 10 %; • b) Potência eléctrica instalada entre 1 MW e 25 MW e poupança de energia primária de pelo menos 10 %; • c) Instalações de cogeração de pequena dimensão com poupança de energia primária. • Cogeração eficiente: produção em cogeração não enquadrável como cogeração de elevada eficiência mas em que haja poupança de energia primária.

13. CogeraçãoDecreto-Lei nº 23/2010 de 25 de Março Modalidade geral • Regime remuneratório: • a) Energia térmica vendida a terceiros a preço estabelecido no respectivo contrato; • b) Energia eléctrica vendida directamente a clientes ligados à instalação de cogeração a preço livremente estabelecido entre as partes (inclui a tarifa de uso global do sistema e tarifa de comercialização e não inclui as tarifas de acesso às redes); vendas através de contratos bilaterais com clientes finais ou comercializadores; vendas em mercados organizados; • c) Prémio de participação em mercado (PPM) definido como uma percentagem da tarifa de referência (TR), para instalações de potência instalada inferior ou igual a 100 MW. • Tempo de permanência mínimo: 3 anos • Duração do benefício (PPM): 120 meses + 120 meses a pedido do cogerador

14. CogeraçãoDecreto-Lei nº 23/2010 de 25 de Março Modalidade especial • Regime remuneratório: • a) Energia térmica vendida a terceiros a preço estabelecido no respectivo contrato; • b) Fornecimentos de energia eléctrica ao comercializador de último recurso (CUR), sendo que o preço de venda é igual a uma tarifa de referência (TR); • c) Um prémio de eficiência (PE), calculado em função da poupança de energia primária de cada instalação de cogeração; • d) Um prémio de energia renovável (PER), em função da proporção de combustíveis de origem renovável consumidos. • Tempo de permanência mínimo: não tem • Duração do benefício (TR e PE): 120 meses + 120 meses a pedido do cogerador

15. CogeraçãoDecreto-Lei nº 23/2010 de 25 de Março • Cogeração renovável • Considera-se cogeração renovável a cogeração em que pelo menos 50 % da energia primária consumida é de origem renovável. • Para a cogeração renovável, a tarifa de referência (TR), o prémio de energia renovável (PER), o prémio de eficiência (PE) e o prémio de participação no mercado (PPM) vigoram durante o período iniciado com a entrada em exploração, com excepção do prémio de participação no mercado, que deve ser revisto decorridos 120 meses após o início da exploração.

16. CogeraçãoDecreto-Lei nº 23/2010 de 25 de Março Termos dos benefícios • Os termos da tarifa de referência (TR), do cálculo do prémio de eficiência (PE), do prémio de energia renovável (PER) e do prémio de participação no mercado (PPM) são definidos por portaria do membro do Governo responsável pela área da energia, ouvida a ERSE, cujo parecer deve ser emitido no prazo máximo de 30 dias. • O prémio de eficiência (PE), o prémio de energia renovável (PER) e o prémio de participação no mercado (PPM) são determinados e pagos mensalmente pelo CUR, o qual é ressarcido através da tarifa de uso global do sistema.

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18. Mini-hídricaDecreto-Lei nº 225/2007 e Decl. Rect. 71/2007 • A tarifa aplicável à produção hídrica renovável está estabelecida no Decreto-Lei nº 225/2007 com os ajustes introduzidos pela Declaração de Rectificação nº 71/2007 • Este tarifário aplica-se, para as centrais hídricas, aos primeiros 52 GWh entregues à rede, por MW de injecção na rede atribuído, até ao limite máximo dos primeiros 20 anos (em casos excepcionais devidamente fundamentados pode ser prorrogado por mais cinco anos) • A legislação em vigor estabelece a seguinte fórmula genérica de cálculo da remuneração da energia renovável:

19. Mini-hídricaDecreto-Lei nº 225/2007 e Decl. Rect. 71/2007 • KMHO: • KMHOpc = 1,15 • KMHOv = 0,80 (0-8h e 22-24h Inverno e 0-9h e 23-24h Verão) • PF = 6,8 x P2med/Pnom €/mês (potências em kW) • PV = 36 €/MWh • PA = 7,4 €/MWh • Z: • 4,5 <= P ≤ 10 MW • 4,5 – 0,075 x (P – 10) <= 10 < P ≤ 30 MW • 0 <= Bombagem • LEV: • 0,035 <= P < 5 MW • 0,015 <= P ≥ 5 MW

20. Mini-hídricaExercícios de aplicação do cálculo da tarifa 1. Considere uma central mini-hídrica de potência nominal igual a 3 MW cuja produção anual de energia eléctrica é de 9 GWh. Sabendo que a produção ocorre 60% do tempo em horas de ponta e cheia determine a tarifa de remuneração desta central (em €/MWh). 2. Considere agora uma central mini-hídrica de potência nominal igual a 12 MW e uma produção anual de energia eléctrica de 40 GWh. Sabendo que a produção também ocorre 60% do tempo em horas de ponta e cheia determine a tarifa de remuneração desta central (em €/MWh). Justifique a diferença de valores relativamente à questão anterior. Solução: VRD1 = 74,09 €/MWh VRD2 = 72,62 €/MWh

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22. Exemplo de aplicaçãoMini-hídrica remunerada à tarifa Considere uma central mini-hídrica (mh) com a curva de caudal-potência e limites de operação dados por: Qmh(Pmh) = 2 Phmh [m3/s] ; 0 ≤ Pmh ≤ 5 [MW] Pretende-se determinar o perfil óptimo de operação desta desta central, sabendo que a tarifa de remuneração das horas de vazio (v) é de 70 €/MWh e das horas de ponta e cheia (pc) é de 80 €/MWh, sendo o caudal afluente em cada hora dado na tabela seguinte: Hora Caudal afluente [m3/s] 1 (v) 8 2 (pc) 8 3 (pc) 5 4 (pc) 5

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24. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (1/3) * MINI-HIDRICA: Maximização da receita tarifária * por gestão da produção de electricidade em funcao * do caudal afluente SETS j indice dos periodos de tempo /1*4/ g indice dos geradores mh: mini-hidrico /mh/ ph periodo horario pc: ponta e cheia v: vazio /pc,v/ ; TABLE Gen(g,*) caracteristicas dos grupos geradores PMIN PMAX a b c * (MW) (MW) (m3/h) (m3/MWh) mh 0 5 0 2 ; PARAMETER Qa(j) caudal afluente em m3 por segundo ; Qa('1')= 8; Qa('2')= 8; Qa('3')= 5; Qa('4')= 5;

25. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (2/3) PARAMETER T(ph) tarifa de remuneracao da energia produzida em € por MWH ; T('pc')= 80; T('v')= 70; VARIABLES Receita receita da central mini-hidrica P(g,j) potencia do gerador g no periodo j ; POSITIVE VARIABLES P(g,j); EQUATIONS EQRECEITA equacao da funcao objectivo receita total PMAXLIM(g,j) equacao de potencia maxima PMINLIM(g,j) equacao de potencia minima QHID equacao que limita o caudal maximo turbinado aos caudais afluentes totais ;

26. Modelação e simulação em GAMSProgramação em GAMS (3/3) EQRECEITA.. Receita =e= P('mh','1')*T('v') + SUM(j$(ord(j) GT 1), P('mh',j)*T('pc')); PMAXLIM(g,j).. P(g,j) =l= Gen(g,'PMAX'); PMINLIM(g,j).. P(g,j) =g= Gen(g,'PMIN'); QHID.. SUM(j, Qa(j)) =g= SUM(j, Gen('mh','a')+Gen('mh','b')*P('mh',j)); MODEL minihidro /ALL/; SOLVE minihidro USING nlp MAXIMIZING Receita; PARAMETERS Qt(j) caudal turbinado ; Qt(j) = Gen('mh','a')+Gen('mh','b')*P.l('mh',j); Display T, Qa, Qt, P.l, Receita.l;

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28. Exercícios de aplicação em GAMS Para o exemplo apresentado determine o perfil de produção da central mini-hídrica que maximiza a receita obtida através da tarifa de remuneração, indicando qual o caudal turbinado em cada hora, a energia produzida em cada hora e a receita total obtida. O que acontece à receita total quando a potência da central aumenta? Justifique o resultado. Adapte o exemplo à realidade da tarifa definida pelo DL 225/2007 considerando as horas 1 e 2 de vazio e as horas 3 e 4 de ponta e cheia. Considere agora que uma limitação da capacidade de armazenamento que implica que o caudal afluente não turbinado seja no máximo de 2 m3/s. Indique, justificando, como se altera o resultado da questão anterior.

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