MECC 2013 International Conference and Advanced School Planet Earth, Mathematics of Energy and Climate Change http://mpe2013.org/workshop/mecc-2013-international-conference-and-advanced-schoolplanet-earth-mathematics-of-energy-and-climate-change-portugal-18-28-march-2013 Keynote speakers FC Gulbenkian, 21-28 March 2013. Carlos Aragão, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil Sustainable Initiatives in Energy and Materials Inês Azevedo, Carnegie Mellon University, USA Reducing CO2 Emissions: Technology, Uncertainty, Decision Making and Consumer Behavior. Paulo Ferrão, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal An industrial Ecology perspective on Sustainability: from global to urban Richard James, University of Minnesota, USA New methods for the direct conversion of heat to electricity suggested by geometry Adélio Mendes, Universidade do Porto, Portugal Photovoltaic dye sensitized solar cells: paving the way to commercialization Vladimiro Miranda, Universidade do Porto, Portugal Information theoretic learning: from diagnosis to wind power prediction Filipe Santos, Universidade de Lisboa, Portugal Global Change, Energy, Sustainability and Crises Andrew Schmitz, University of Florida, USA Biofuels for Food Crops 1
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Energia hidroeléctrica Energias Renováveis 2012/2013 Miguel Centeno Brito 3
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ENERGIA HÍDRICA Qual a energia potencial gravítica num volume de água? de p dm gh Adh h 0 E p h 0 0 de Ag p dh h0 2 1 E p Vg 2 2 h 0 0 Agh dh Ah 0 g h0 2 h e.g. Alto Rabagão Área 2200ha; Desnível 130m; Produção média anual 115 10 6 kwh 6
ENERGIA HÍDRICA Qual a potência mecânica de um curso de água? P m gqh 0 h 0 Q W kg 3 m m 2 s m s 3 m Qual a potência eléctrica produzida por de um curso de água? P e t e gqh 0 eficiência da turbina (80%) x eficiência gerador (98%) 7
TIPOS DE APROVEITAMENTO HIDROELÉCTRICOS Fio de água ou Albufeira, reversível ou não. 8
Source: Ramage (1996, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, 183-226 ) 9
Source: Ramage (1996, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, 183-226 ) 10
Source: Ramage (1996, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, 183-226 ) 11
TIPOS DE TURBINA a) b) c) Fixed blades d) Adjustable blades (Kaplan) Source: Ramage (1996, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, 183-226 ) 12
Turbina Kaplan 13
Turbina Francis 14
Turbina Francis 15
Turbina Pelton 16
Turbina Banki (cross flow) 17
TIPOS DE TURBINA Source: Ramage (1996, Renewable Energy, Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, 183-226 ) 18
TIPOS DE TURBINA 100 Pelton 80 Crossflow Efficiency (%) 60 40 Francis Propeller 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Flow as a Proportion of Design Flow Source: Paish (2002, Renewable and Sustainable Energy Reviews 6, 537 556) http://www.sciencedirect.com/science/journal/13640321) 19
CAPACIDADE INSTALADA 19% capacidade eléctrica mundial 2005 (778 GW em 4100 GW) +2.9%/ano 16% geração eléctrica mundial 2005 (2838 TWh em 18000 TWh) 20
% GERAÇÃO ELECTRICIDADE 21
CAPACIDADE INSTALADA Total: 778 GW 22
CAPACIDADE INSTALADA Pequena hídrica (<10MW) < 10 MW Percentagem do total PAÍS GW TWh/yr Potência Energia China 9.5 5% Japão 3.48 13% EUA 2.84 10.7 4% 4% Itália 2.41 7.6 14% 21% França 2.02 5.8 8% 10% Espanha 1.79 4.7 10% 20% Brazil 1.43 6.7 2% 2% Austria 0.99 4 8% 10% Suécia 0.99 3.8 6% 5% Républica Checa 0.28 1.1 28% 45% Peru 0.23 1 7% 6% Europa 12.5 10% América Norte 5.1 23
POTENCIAL HIDROELÉCTRICO 6000 5000 Technical Potential Economic Potential Existing Total Electricity Demand Electricity Production (TWh/yr) 4000 3000 2000 1000 0 Africa Asia Australasia Europe N & C America S America 24
DENSIDADE DE POTÊNCIA 25
CUSTOS INVESTIMENTO Pequena hídrica, $1000-3000/kW, países em desenvolvimento Pequena hídrica, $2000-9000/kW, países desenvolvidos Grande hídrica (incluíndo barragem e albufeira), $2000-8000/kW Source: Paish (2002, Renewable and Sustainable Energy Reviews 6, 537 556, http://www.sciencedirect.com/science/journal/13640321) 26
CUSTOS INVESTIMENTO Pequena hídrica (<10MW) US$/kW 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 International data Developing country 0 500 1000 1500 2000 kw Installed Source: Paish (2002, Renewable and Sustainable Energy Reviews 6, 537 556, http://www.sciencedirect.com/science/journal/13640321) 27
IMPACTOS POSITIVOS Impactos económicos & energéticos Custo da energia Segurança energética (fonte endógena, ou quase) Valorização recurso eólico (PNBEPH: 1MW de bombeagem/ 3.5MW de eólico) Aproveitamento água para consumo das populações e/ou irrigação 28
IMPACTOS NEGATIVOS Impactos sociais Deslocamento população Reservatório pode promover desenvolvimento vectores transmissão doenças (Acidentes: Banqiao, 170000 mortos em 1975) 29
IMPACTOS NEGATIVOS Impactos ambientais Maior área de superfície = maiores perdas evaporação Sedimentação antes da barragem (= custos manutenção) Menos sedimentação depois da barragem (= erosão costeira) Fragmentação ecosistema fluvial (efeito na biodiversidade) Alteração paisagem Desflorestação Emissões metano 30
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Tucurui Samuel Xingo Serra da Mesa Tres Marias Miranda Equivalent CO 2 Emission (kgc/kwh) Barra Bonita Itaipu Segredo Curua-Una Balbina Boreal EMISSÕES Emissões GHG barragens Brasil dos Santos Fearnside Coal at 45% efficiency Natural gas at 60% efficiency 8.0 31
EMISSÕES Emissões GHG barragens Brasil (excepto Boreal) 600 Samuel CO 2-eq Emissions (gc/kwh) 500 400 300 200 100 Tres Marias Barra Bonita Serra da Mesa Tucurui Miranda Itaipu Segredo 0 0 2 4 6 8 Annual Average Power Density (W/m 2 ) 32
EMISSÕES Emissões GHG barragens Quebec 18 CO 2-eq Emissions (gc/kwh) 16 14 12 10 8 6 4 Churchill Falls La Grande Complex Manic Complex Churchill/Nelson 2 0 Sainte-Marguerite 0 2 4 6 8 Annual Average Power Density (W/m 2 ) 33
PORTUGAL Grande hídrica 34
PORTUGAL (Nova) grande hídrica 35
PORTUGAL Pequena hídrica 3.0E+03 2005 2006 Italy France Spain Germany Austria Sweden Poland Finland CzechRep Portugal UK Slovenia Greece Slovakia Belgium Latvia Luxembourg Ireland Lithuania Denmark Hungary Estonia Netherlands Italy France Spain Germany Austria Sweden Poland Finland CzechRep Portugal UK Slovenia Greece Slovakia Belgium Latvia Luxembourg Ireland Lithuania Denmark Hungary Estonia Netherlands 115 pequenos aproveitamentos hidroeléctricos (<= 10 MW), com potência global de cerca de 340 MW. 2.0E+03 1.0E+03 0.0E+00 100% 75% 50% 25% 0% 36