CAPÍTULO 4
Tecnologias de Produção de
Energia Eléctrica
Sistemas convencionais e renováveis
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Organização e Gestão em Sistema de Energia Eléctrica
Organização e Gestão em SEE
1
O Conceito de Produção Centralizado
Organização e Gestão em SEE
2
Organização e Gestão em SEE
3
Evolução da potência instalada no SEP
(de cerca de 3 GW para 8 GW em 20 anos)
9
8
7
GW
6
5
4
3
2
1
0
1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Gás Natural
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00 0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,33
Gasóleo
0,17
0,17
0,17
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33 0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
Carvão Importado
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,30
0,60
0,90
0,90
1,24 1,26
1,26
1,56
1,56
1,56
1,87
1,87
1,87
1,87
Fuelóleo/Carvão Nacional 1,21
1,46
1,46
1,71
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96 1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
1,91
Albufeira
0,72
0,72
1,00
1,00
1,01
1,01
1,01
1,01
1,09
1,16
1,23 1,23
1,23
1,55
1,93
1,96
1,96
1,96
1,96
1,96
Fio de àgua
1,25
1,25
1,25
1,25
1,43
1,43
1,47
1,54
1,54
1,54
1,54 1,54
1,54
1,54
1,54
1,54
1,73
1,73
1,73
1,73
TOTAL
3,35
3,60
3,88
4,30
4,74
4,74
5,08
5,45
5,82
5,90
6,30 6,32
6,32
6,95
7,32
7,36
7,85
7,85
7,85
8,13
Fonte: EDP , Tejo Energia, TURBOGÁS
Organização e Gestão em SEE
4
40
1,4
35
1,2
30
1,0
TWh
25
0,8
20
0,6
15
0,4
10
0,2
5
0
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
Eólica (PRE)
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,01
0,02
0,08
Cogeração (PRE)
0,00
0,84
0,88
0,88
0,97
0,93
1,09
1,17
1,18
1,30
1,27
1,40
1,60
1,79
2,19
2,74
3,29
3,68
4,05
4,17
Mini-Hídrica (PRE)
0,00
0,06
0,05
0,06
0,06
0,07
0,06
0,06
0,06
0,07
0,05
0,05
0,05
0,05
0,25
0,37
0,35
0,52
0,56
0,53
Hídrica (SENV)
1,17
0,70
0,52
0,64
0,74
0,95
0,96
0,82
0,93
1,00
0,56
0,80
0,78
0,29
0,47
0,62
0,45
0,81
0,76
0,74
Térmica (SEP)
3,99
6,12
7,65
7,27
8,74
8,33
6,84
10,27
9,41
8,44
17,98
17,28
18,51
22,63
19,54
17,24
20,77
15,53
16,22
20,81
Hídrica (SEP)
9,94
7,24
4,47
6,22
7,27
8,80
9,74
7,60
8,13
11,17
5,41
8,38
8,27
4,67
7,92
9,64
7,57
13,36
11,72
11,68
IPH
1,32
0,78
0,54
0,63
0,83
0,93
1,02
0,76
0,89
1,07
0,62
0,78
0,83
0,41
0,73
0,90
0,73
1,30
1,22
1,04
TOTAL
15,09
14,96
13,57
15,07
17,78
19,08
18,69
19,92
19,71
21,98
25,26
27,92
29,22
29,42
30,37
30,62
32,42
33,91
33,32
38,01
0,0
Fonte: EDP , Tejo Energia, TURBOGÁS, DGE
Organização e Gestão em SEE
5
Índice Produtibilidade Hidroeléctrica (IPH)
Evolução da produção de EE no SEN por
tecnologia
Potência instalada no SEP em 1998
(8.13 GW)
Fuelóleo/Carvão nacional
1,91 GW
(23,54%)
Albufeira
1,96 GW
(24,07%)
Fio de Água
1,73 GW
(21,22%)
Gás natural
0,33 GW
(4,06%)
Fonte: EDP, Tejo Energia, TURBOGÁS
Gasóleo
0,33 GW
(4,11%)
Organização e Gestão em SEE
Carvão importado
1,87 GW
(23,00%)
6
Produção de energia eléctrica no SEP em 1998
(32,51 TWh)
Fuelóleo/Carvão
nacional
7,45 TWh
(22,93%)
Albufeira
4,86 TWh
(14,95%)
Fio de Água
6,83 TWh
(21,01%)
Gás Natural
1,36 TWh
(4,17%)
Gasóleo
0,01 TWh
(0,03%)
Organização e Gestão em SEE
Fonte: EDP , Tejo Energia, TURBOGÁS
Carvão importado
12,00 TWh
(36,92%)
7
Diagrama de carga do dia de ponta de 1998
Energia Produzida
117.5 GWh
Potência Ponta (18h45)
6079 MW
Potência Vazio (04h00)
2731 MW
Temperatura mínima
4.6 0C
Temperatura máxima
15.4 0C
6 200
6 000
5 800
Energia produzida:
117.5 GWh
Potência média:
4896 MW
Potência de ponta:
6079 MW
Factor de Carga:
0,81
Potência mínima:
2731 MW
5 600
5 400
5 200
5 000
4 800
4 600
4 400
4 200
4 000
3 800
3 600
MW
3 400
3 200
3 000
2 800
2 600
2 400
2 200
2 000
1 800
1 600
1 400
1 200
1 000
800
600
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Horas
Carvão
Gás Natural
Albufeiras
Consumo abastecido pela RNT
Consumo total abastecido pelas redes do SEP
Fonte: EDP
Fuel
Fios de Água
Organização e Gestão em SEE
Saldo importador
Consumo abastecido pela RNT + consumo em bombagem
8
Participação das Centrais de Produção
Centrais de base
–
–
–
–
Funcionam 8760 horas/ano
Maior capacidade instalada (maior investimento)
Maior fiabilidade e eficiência
Pouca capacidade de regulação (3%/hora)
• Centrais intermédias
• Centrais de ponta
–
–
–
–
Funcionam poucas centenas de horas/ano
Menor capacidade
Maior custo de funcionamento (menos eficientes)
Maior capacidade de regulação (de 0 a 100% em seg’s)
Organização e Gestão em SEE
9
Margem de contingência
• Margem de reserva
– Capacidade instalada maior que a ponta (15% boa regra)
– Cobrir falhas de geradores
• Reserva girante
– produção extra ligada ao sistema pronta a produzir
– igual ou superior à maior unidade em funcionamento
• Reserva em alerta (“standby”)
– Disponível num curto prazo (30 minutos)
Organização e Gestão em SEE
10
Tipos de centrais de produção
Podem ser agrupadas em três grandes categorias
• Combustível fóssil
– Carvão, “fuel oil”, gás natural, gasóleo
• Fissão nuclear
• Renováveis
– Hídrica, eólica, solar, fotovoltaica, geotérmica,
biomassa
Organização e Gestão em SEE
11
Geradores com turbina a vapor
As turbinas são accionadas por vapor a alta pressão
produzido em caldeiras que queimam combustíveis
fósseis, excepcionalmente lenha. Também pode ser
produzido pelo calor libertado nos reactores nucleares.
Organização e Gestão em SEE
12
Central térmica
Caldeira e torres de arrefecimento
Organização e Gestão em SEE
13
Rendimento das Centrais Térmicas
O rendimento de uma central é medida no número de
calorias necessárias para produzir 1 kWh
• As turbinas a vapor modernas funcionando em
condições óptimas requerem 2 500 kcal/kWh
• As turbinas a vapor mais antigas ou funcionando
de forma não optimizada podem usar 3 100 kcal/
kWh
• Uma taxa de 2 500 kcal/kWh equivale a um
rendimento de 35% (energia química do combustível
convertida em energia eléctrica)
• No máximo atinge-se 42%.
Organização e Gestão em SEE
14
Turbinas a gás
• O gás natural também pode produzir vapor
para accionar as turbinas a vapor, usando-se
geralmente para accionar turbinas a gás.
• A queima dá-se dentro da turbina,
produzindo a expansão de ar quente que
move a turbina.
• As turbinas a gás são basicamente grandes
motores a jacto.
Organização e Gestão em SEE
15
Turbinas a gás
Várias razões para o maior uso de centrais
com turbinas a gás na produção de EE:
• mais simples e mais pequenas que as
centrais com turbina a vapor
• diferente economia de escala: unidades mais
pequenas (25 MW)
• produzidas em fábrica, em quantidade
• rápida instalação e baixo custo por kW
• com gás natural, originam menos poluição
Organização e Gestão em SEE
16
Turbinas a gás
Algumas desvantagens:
• funcionam só com gás natural (inapropriadas
onde não há rede de gás natural) ou carvão
gaseificado
• não são tão eficientes como as turbinas a
vapor (-10%, abaixo de 2 750 kcal/kWh, o que
significa maiores custos de funcionamento)
Organização e Gestão em SEE
17
Geradores de ciclo combinado
• O rendimento da turbina a gás pode ser
bastante aumentado com o aproveitamento
dos gases de exaustão para produzir vapor
usado para accionar uma turbina a vapor.
• Rendimento aumenta, podendo atingir os
2 300kcal/kWh (cerca de 50% de
rendimento)
• Reduz custos com combustíveis (25% para
turbinas a gás e 15% para turbinas a vapor)
Organização e Gestão em SEE
18
Variação das componentes da
produção (USA)
Organização e Gestão em SEE
19
Centrais nucleares
25 a 30 % de eficiência - pouco importante  custo de combustível baixo
Organização e Gestão em SEE
20
Centrais nucleares
• Estas centrais constituem investimentos muito grandes por
duas ordens de razões:
– De segurança
• o combustível utilizado (urânio enriquecido) é das substância mais
tóxicas que existe  exige sistema de segurança sofisticado
• o projecto não pode admitir falhas
• pesada estrutura em volta do reactor e, ainda, equipamento auxiliar
para prevenir fugas de radiação
• sofisticado equipamento de monitorização para constantemente
examinar o sistema de segurança
– De economia de escala  maior parte das centrais
apresentam potência instaladas entre 1000 MW e 3000 MW e
investimentos muito elevados (várias dezenas de biliões de dólares)
• A Física favorece potências de150 a 250 MW
• Rendimento entre 25 e 30%
Organização e Gestão em SEE
21
Centrais hidroeléctricas
Organização e Gestão em SEE
22
Centrais hidroeléctricas
• A mais antiga forma de recurso renovável para
produção de EE
• Energia de origem renovável despachável:
– Fio de água, regulação anual e plurianual
• As centrais de albufeira têm significativos
impactos ambientais
• Têm grandes custos iniciais (construção da
barragem e custo da terra ocupada).
• Ainda não estão esgotados os recursos disponíveis
Organização e Gestão em SEE
23
Cogeração
• Cogeração é o termo usado relativo a geradores de
potência nos quais o calor libertado é usado, por
exemplo, para aquecimento de águas.
• A cogeração aumenta a quantidade usada de
energia libertada com a queima de combustível (de
35-40% para 70-75%).
• O problema da cogeração reside em encontrar
necessidade de calor perto da central (Indústria e
edifícios )
Organização e Gestão em SEE
24
Produção de Energia Eléctrica
em Regime Especial em 1998
Cogeração
4170 GWh
(87,31%)
Eólica
78 GWh
(1,63%)
Fonte: EDP, DGE
Mini-hídrica
528 GWh
(11,06%)
Organização e Gestão em SEE
25
CAPÍTULO 5
EnergiasRenováveis e Produção
Distribuída
• Mais de 95% da energia eléctrica consumida no
planeta são produzidos por centrais tradicionais,
descritas anteriormente
• Duas novas aplicações na tecnologia da geração
eléctrica irão ter um importante incremento no
século XXI:
– Uso de recursos renováveis na produção de EE (eólica e
solar)
– Produção distribuída
Estes dois aspectos estão interligados
Organização e Gestão em SEE
26
Produção de EE a partir de
combustíveis fósseis e nuclear
Apresenta três características indesejáveis:
• Produzem produtos poluentes que têm
impactos ambientais
• Estão a causar o aumento da temperatura
ambiente do nosso planeta
• Usam recursos naturais que não podem ser
repostos (gastos entre 50 e 400 anos)
Organização e Gestão em SEE
27
Uso das Energias Renováveis
• A UE pretende passar dos actuais 6% para
12% em 2010 e na produção de EE a partir
de Energia Renovável (ER) dos actuais 14%
para 22%
• Em Portugal, o objectivo, recomendado pela
UE, é atingir os 39% de produção de
energia eléctrica com renováveis em 2010
(inclui grande e média hídrica)
Organização e Gestão em SEE
28
Tipos de energia renováveis
•
•
•
•
•
•
Mini - hídrica (não despachável)
Solar (STES) (1kW/m2)
Fotovoltaica (FV)
Eólica
Biomassa
Geotérmica
Organização e Gestão em SEE
29
Central de armazenamento de
energia térmica solar
Organização e Gestão em SEE
30
Energia fotovoltaica
Organização e Gestão em SEE
31
Energia fotovoltaica
• Converte directamente energia solar em
energia eléctrica
• Não tem impactos ambientais
• Fraca economia de escala
• Interessante para aplicações remotas
• Custo de produção 3 a 5 vezes mais cara
que nas centrais que consomem combustível
fóssil
Organização e Gestão em SEE
32
Turbinas de Vento
Organização e Gestão em SEE
33
Quinta eólica
Organização e Gestão em SEE
34
Custo de produção de EE a partir
de ER (Euros/kWh, preços 2000)
Vento
FV
Biomassa
Mini hídrica
2000
0,03
0,25
0,075
0,023
Organização e Gestão em SEE
2005
0,025
0,21
0,06
0,022
35
Energia Eólica
• As turbinas eólicas não provocam poluição
• Têm impactos ambientais (ruído, ocupação
de terrenos, alteração de paisagem)
• Energia não despachável
Organização e Gestão em SEE
36
Produção distribuída
• Pequenos geradores (2-50 MW), situados
em pontos estratégicos em cidades
– Turbinas solares ou eólicas
– Turbinas a gás ou centrais de ciclo combinado
– Grandes unidades diesel
– Grupos de células combustível
(todos os tipos à excepção de carvão e nuclear)
Organização e Gestão em SEE
37
Produção dispersa
• Geradores mais pequenos (< 500 kW)
situados em habitações individuais ou
instalações comerciais
–
–
–
–
–
pequenas unidades eólicas
fotovoltaica
diesel
células de combustível
micro-turbinas
Organização e Gestão em SEE
38
Produção distribuída e dispersa
Organização e Gestão em SEE
39
Economia de escala das centrais
Organização e Gestão em SEE
40