Formação Galp Energia Modelação e Simulação de Mercados de Energia Eléctrica

1. Formação Galp EnergiaModelação 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

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

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

4. 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. EnquadramentoO 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

6. EnquadramentoO 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

7. EnquadramentoO 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

8. 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. 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, StatisticalReviewofWorldEnergy, 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.

10. 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. 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. 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.

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

16. Fundamentos técnicosHídrica

17. Fundamentos técnicosTérmica: Carvão

18. Fundamentos técnicosTérmica: Ciclo Combinado (CCGT)

19. Fundamentos técnicosTérmica: Nuclear

20. Fundamentos técnicosEólica Vestas V112-3.0 MW

21. Fundamentos técnicosFotovoltaica BP 4180T

22. Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Térmicas e hídrica

23. Fundamentos técnicosPerfis de produção típicos: Eólica

24. CO2 [x kg] Combustível [1 kg] Electricidade [y kWhe] Fundamentos técnicosEmissões SO2 NOx Emissão específica = x kg CO2 / y kWhe

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

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

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

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

32. 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. 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

34. 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

35. 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

36. Fundamentos económicosValores típicos de custos das centrais térmicas

37. 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

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

39. Fundamentos económicosCusto marginal de produção

40. Fundamentos económicosCusto médio de produção

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

42. Principais grandezas eléctricas

43. Múltiplos e submúltiplos das unidades

44. Factores de conversão de energia

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

46. 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)

47. Exercícios de aplicaçãoSolução exercícios 2 e 3

48. Exercícios de aplicaçãoSolução exercício 4 • Carvão • CCGT • CO2

49. Exercícios de aplicaçãoSolução exercício 4 Para um preço de CO2de 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. Formação Galp EnergiaModelação 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