:: 2007/2008 Class # T2 Energy Transformation Prof. João Parente joao.parente@dem.ist.utl.pt
Formas de Energia Formas de Energia Os processos de transformação de energia são inúmeros, assim como são variadas as fontes e as formas de energia. Propõe-se na disciplina a estruturação da transformação de energia em 4 formas: Energia primária Energia final Energia util Energia produtiva Class # T2 :: Energy Transformation Slide 2 of 53
Formas de Energia Energia primária A energia primária é a verdadeira fonte energética. Pode assumir a forma de energia renovável, energia fóssil, mineral ou ser resultado de resíduos (e.g., energia solar, petróleo, gás natural, ). Tomando por referência a energia final, a energia primária resulta da adição à energia final de todas as degradações d de energia que estiveram associados ao processo de transformação de energia primária i em energia final. E Primary = E Final + E Transformation + E Capital TEP como Unidade de Energia Primária A Tonelada equivalente de petróleo (tep) é a unidade de energia primária consagrada mundialmente, da mesma forma que em energia final a unidade considerada é o Joule (J). conversão para tep = (Energia Primária / Energia Final) Considerando que a tecnologia de referência se baseia no petróleo bruto. Na prática, a tep corresponde a um hipotético petróleo bruto que liberta na sua combustão um calor correspondente a 10 Gcal/ton (41.9 GJ/ton). Class # T2 :: Energy Transformation Slide 3 of 53
Formas de Energia Energia final È a forma que a energia assume no momento em que se encontra disponivél para consumidor final, obtida através da transformação dos recursos de energia primária. A energia final é a forma comercial da energia (e.g., gasolina, electricidade, hidrogénio, )! Apesar de a unidade de energia final consagrada mundialmente ser o Joule (J), na prática a sua unidade física depende da forma de energia, kwh na electricidade, litros na gasolina, m 3 no gás natural, a kg no fuel-óleo óeoee propano. o Conversão para Joule (J) Na electricidade a energia final obtém-se por equivalência directa de unidades: 1 kwh = 1 k(j/s)* h = 1 k(j/s) * 3600s = 3600 kj Nos combustíveis a energia final é avaliada com base na energia libertada na sua queima, isto é, no poder calorífico em combustíveis. Quando o combustível contém hidrogénio (como se verifica nos hidrocarbonetos) a literatura apresenta dois valores de poder calorífico, um superior (PCS) e outro inferior (PCI). No caso do propano o PCI = 46000 kj/kg e o PCS = 50400 kj/kg. Class # T2 :: Energy Transformation Slide 4 of 53
Formas de Energia Energia útil A energia útil está directamente relacionada com a forma como o consumidor final assimila a energia. È resultante da transformação de energia final em serviços de energia (e.g, iluminação, aquecimento, transporte, comunicação ). Por exemplo, a energia útil pode assumir a seguintes formas: luz, calor, movimento, Energia produtiva A forma de energia produtiva corresponde á energia útil que é efectivamente utilizada pelo consumidor final, i.e., o conceito de energia produtiva reporta à eficácia da utilização da energia. De pouco serve ter lâmpadas muito eficientes se as luzes ficarem ligadas numa sala vazia. A energia produtiva difere subjectivamente da energia utilizável, e a ela estão associados conceitos de produtividade, uma vez que à mesma quantidade de energia pode estar associada a valores muito diferentes de geração de riqueza. Class # T2 :: Energy Transformation Slide 5 of 53
Transformação de energia Diagrama de Sankey ta Ofert Procura Transformação de energia: Energia primária Barragens, centrais termoeléctricas, torres eólicas,... Rfi Refinarias, i Transp. combustíveis, redes eléctricas, Conversão de energia: Motores eléctricos,... Lâmpadas, Motores térmicos, Utilização de energia: Produção,... Transporte, Conforto, Energia final Energia útil Degradação de energia primária Degradação de energia final Desperdício de energia Energia produtiva Class # T2 :: Energy Transformation Slide 6 of 53
Transformação de energia Exemplo Iluminação para leitura de um livro ta Ofert Transformação de energia: Extracção Ciclo combinado Transporte de electricidade na rede eléctrica Conversão de energia: Lâmpadas Gás natural Electricidade 100% 55% 45% 90% Calor, Procura Utilização de energia: Iluminação Luz 5,5% 50% Calor, radiação não visível Luz absorvida pelas paredes Degradação de energia associada à procura ~ 1 (55 / 2,75) = 95%!!! 2,75% Luz incidente sobre o livro Class # T2 :: Energy Transformation Slide 7 of 53
Transformação de energia Exemplo Transporte de casa ao IST ta Ofert Transformação de energia: Extracção Rfi Refinação Transporte de combustível Conversão de energia: Motor térmico Petróleo Gasolina 100% 95% 5% 70% Calor, Procura Utilização de energia: Transporte Movimento 66% 20% Calor, Tráfico rodoviário, Degradação de energia associada à procura ~ 1 (95 / 13) = 76%!!! 13% Transporte de casa ao IST Class # T2 :: Energy Transformation Slide 8 of 53
Exemplos de rendimentos de transformação de energia final Energy Management Transformação de energia η = Produção Consumo = Consumo Degradação Consumo Resistências eléctricas ~ 100% Motor eléctrico ~ 90% Caldeira ~ 85% Lâmpada fluorescente ~ 50% Motor térmico ~ 35% Lâmpada incandescente ~ 5% Class # T2 :: Energy Transformation Slide 9 of 53
Exemplos de rendimentos de transformação de energia final Energy Management Transformação de energia - Bomba de Calor Petróleo COP = Cl Calor Consumo electricidade Elect. COP Coeficient of Performance Calor Bomba de calor industrial COP ~ 5 Bomba de calor residencial COP ~ 3 Class # T2 :: Energy Transformation Slide 10 of 53
Coeficientes de conversão para tep Consumo médio e marginal O conceito de consumidor marginal assume que quando um sistema energético é solicitado por uma nova necessidade de produção, será a produtora de pior rendimento que produzirá essa energia, uma vez que as produtoras de melhor rendimento já se encontraram à carga máxima. Estabelece-se assim, uma relação de elasticidade entre a energia primária e a energia final. Uma aplicação deste conceito ce pode ser feito, por exemplo, e ao consumo o de electricidade. ect c Ao contrário de outras formas de energia, não é possível associar com rigor um determinado consumo de electricidade com a central eléctrica que a produziu. Em termos da relação entre energia final e primária, qual seria o coeficiente de conversão de kgep para kwh nestes dois casos? Perdas de transporte na rede eléctrica ~ 10% Central com rendimento mais baixo (turbina a gás) ~ 33% Rendimento médio sistema electroprodutor - 40% Source Contribution Hydro 23.38% Thermal 70.47% Wind 5.96% Geothermal 0.17% Photovoltaics 0.01% 01% TOTAL 100% Class # T2 :: Energy Transformation Slide 11 of 53
Coeficientes de conversão para tep Coeficientes de conversão para tep 1) Conceito de consumo marginal: Rendimento global de transformação = 33% * 90% = 30% 0,3 kwh EF /kwh EP 1 kgep = 41,9 MJ = (41,9*10 3 kj) / (3600 kj/kwh) = 11,64 kwh => 0,086 kgep/kwh Coef. de conversão = 0,086 kgep/kwh EP / 0,3 kwh EF /kwh EP = 0,29 kgep/kwh EF 2) Conceito de consumo médio: Rendimento global de transformação renováveis = 100% * 90% = 90% 0,9 kwh EF /kwh EP Rendimento global l de transformação térmica = 45% * 90% = 40% 04 0,4 kwh EF /kwh EP Coef. de conversão renováveis = 0,086 kgep/kwh EP / 0,9 kwh EF /kwh EP = 0,095 kgep/kwh EF Coef. de conversão térmica= 0,086 kgep/kwh EP / 0,4 kwh EF/kWh EP = 0,22 kgep/kwh EF Coef. de conversão = (0,095*29,5%) kgep/kwh EF + (0,22*70,5%) kgep/kwh EF = 0,183 kgep/kwh EF Class # T2 :: Energy Transformation Slide 12 of 53
Coeficientes de conversão para tep Exemplo de coeficientes de conversão para TEP Electricidade Thick fuel-óleo Propano 0.29 kgep/kwh 0.969 tep/ton 1.140 tep/ton Gás natural 0.82 tep/10 3 m 3 Gasóleo 0.872575 tep/m 3 Class # T2 :: Energy Transformation Slide 13 of 53