Fator de capacidade - Capacity factor

Fatores de capacidade mensais do EIA dos EUA 2011-2013

O fator de capacidade líquido é a razão sem unidade de uma produção de energia elétrica real durante um determinado período de tempo para a produção de energia elétrica máxima possível durante esse período. O fator de capacidade é definido para qualquer instalação de produção de eletricidade, como uma usina que consome combustível ou que usa energia renovável , como o vento ou o sol. O fator de capacidade médio também pode ser definido para qualquer classe de tais instalações e pode ser usado para comparar diferentes tipos de produção de eletricidade.

A saída de energia máxima possível de uma determinada instalação pressupõe sua operação contínua com capacidade total de placa de identificação durante o período relevante. A produção real de energia durante esse período e o fator de capacidade variam muito, dependendo de uma série de fatores. O fator de capacidade nunca pode exceder o fator de disponibilidade ou tempo de atividade durante o período. O tempo de atividade pode ser reduzido devido, por exemplo, a problemas de confiabilidade e manutenção, programada ou não. Outros fatores incluem o projeto da instalação, sua localização, o tipo de produção de eletricidade e, com isso, o combustível utilizado ou, no caso de energia renovável, as condições climáticas locais. Além disso, o fator de capacidade pode estar sujeito a restrições regulatórias e forças de mercado , afetando potencialmente tanto a compra de combustível quanto a venda de eletricidade.

O fator de capacidade é frequentemente calculado ao longo de uma escala de tempo de um ano, calculando a média da maioria das flutuações temporais. No entanto, também pode ser calculado por um mês para obter informações sobre as flutuações sazonais. Alternativamente, pode ser calculado ao longo da vida útil da fonte de energia, durante a operação e após o descomissionamento.

Um fator de capacidade também pode ser expresso e convertido em horas de carga total .

Cálculos de amostra

Usina nuclear

Fatores de capacidade de energia nuclear mundial

As usinas nucleares estão no limite superior da gama de fatores de capacidade, idealmente reduzidos apenas pelo fator de disponibilidade , ou seja, manutenção e reabastecimento. Maior usina nuclear dos Estados Unidos, a Palo Verde Nuclear Generating Station tem entre seus três reatores uma capacidade nominal de 3.942 MW. Em 2010, sua geração anual foi de 31.200.000 MWh, levando a um fator de capacidade de:

Cada um dos três reatores da Palo Verde é reabastecido a cada 18 meses, com um reabastecimento a cada primavera e outono. Em 2014, o reabastecimento foi concluído em um recorde de 28 dias, ante os 35 dias de paralisação a que corresponde o fator de capacidade de 2010.

Em 2019, Prairie Island 1 foi a melhor unidade dos EUA e chegou a 104,4%.

Parque eólico

O parque eólico offshore dinamarquês Horns Rev 2 tem uma capacidade nominal de 209,3 MW. Em janeiro de 2017, ela produziu 6.416 GWh desde o seu comissionamento há 7 anos, ou seja, uma produção média anual de 875 GWh / ano e um fator de capacidade de:

Locais com fatores de capacidade mais baixos podem ser considerados viáveis ​​para parques eólicos, por exemplo, o Fosen Vind onshore de 1 GW que em 2017 está em construção na Noruega tem um fator de capacidade projetado de 39%. Os cálculos de viabilidade podem ser afetados pela sazonalidade. Por exemplo, na Finlândia, o fator de capacidade durante os meses frios de inverno é mais do que o dobro em comparação com julho. Enquanto a média anual na Finlândia é de 29,5%, a alta demanda por energia para aquecimento está relacionada ao fator de capacidade mais alto durante o inverno.

Certos parques eólicos onshore podem atingir fatores de capacidade de mais de 60%, por exemplo, a usina Eolo de 44 MW na Nicarágua teve uma geração líquida de 232,132 GWh em 2015, equivalente a um fator de capacidade de 60,2%, enquanto fatores de capacidade anuais dos Estados Unidos de 2013 a 2016 variam de 32,2% a 34,7%.

Uma vez que o fator de capacidade de uma turbina eólica mede a produção real em relação à produção possível, ele não está relacionado ao coeficiente de Betz de 16/27 59,3%, que limita a produção vs. energia disponível no vento.

Barragem hidroelétrica

Em 2017, a Barragem das Três Gargantas na China é, com sua capacidade nominal de 22.500 MW, a maior estação geradora de energia do mundo em capacidade instalada. Em 2015, gerou 87 TWh, para um fator de capacidade de:

A Barragem Hoover tem uma capacidade nominal de 2.080 MW e uma geração anual média de 4,2 TW · h. (A geração anual variou entre um máximo de 10.348 TW · h em 1984 e um mínimo de 2.648 TW · h em 1956.). Tomando o valor médio para a geração anual, obtém-se um fator de capacidade de:

Central fotovoltaica

Na faixa mais baixa de fatores de capacidade está a usina fotovoltaica , que fornece energia para a rede elétrica a partir de um sistema fotovoltaico de grande escala (sistema fotovoltaico). Um limite inerente ao seu fator de capacidade vem de sua necessidade de luz do dia , de preferência com um sol desobstruído por nuvens, fumaça ou fumaça , sombra de árvores e estruturas de edifícios. Como a quantidade de luz solar varia tanto com a hora do dia quanto com as estações do ano, o fator de capacidade é normalmente calculado em uma base anual. A quantidade de luz solar disponível é determinada principalmente pela latitude da instalação e pela cobertura de nuvens local. A produção real também é influenciada por fatores locais, como poeira e temperatura ambiente, que idealmente deveriam ser baixas. Como para qualquer estação de energia, a produção máxima de energia possível é a capacidade nominal vezes o número de horas em um ano, enquanto a produção real é a quantidade de eletricidade entregue anualmente à rede.

Por exemplo, o Projeto Solar Agua Caliente , localizado no Arizona próximo ao paralelo 33 e premiado por sua excelência em energia renovável, tem uma capacidade nominal de 290 MW e uma produção média anual real de 740 GWh / ano. Seu fator de capacidade é assim:

.

Um fator de capacidade significativamente menor é alcançado pelo Lauingen Energy Park localizado na Baviera , perto do paralelo 49. Com uma capacidade nominal de 25,7 MW e uma produção média anual real de 26,98 GWh / ano, possui um fator de capacidade de 12,0%.

Determinantes de um fator de capacidade da planta

Existem vários motivos pelos quais uma planta teria um fator de capacidade inferior a 100%. Isso inclui restrições técnicas, como disponibilidade da planta, razões econômicas e disponibilidade do recurso de energia.

Uma planta pode estar fora de serviço ou operando com produção reduzida por parte do tempo devido a falhas de equipamento ou manutenção de rotina. Isso é responsável pela maior parte da capacidade não utilizada das usinas de base de carga . As usinas de carga básica geralmente têm baixos custos por unidade de eletricidade porque são projetadas para a máxima eficiência e operam continuamente com alta produção. Plantas geotérmicas de energia , usinas nucleares , usinas movidas a carvão e usinas de bioenergia que queimam material sólido são quase sempre operado como plantas de carga de base, como eles podem ser difíceis de se ajustar a demanda terno.

Uma usina também pode ter sua produção reduzida ou deixada intencionalmente ociosa porque a eletricidade não é necessária ou porque o preço da eletricidade é muito baixo para tornar a produção econômica. Isso é responsável pela maior parte da capacidade não utilizada das usinas de energia de pico e da carga após as usinas . As plantas de pico podem operar por apenas algumas horas por ano ou até várias horas por dia. Muitas outras usinas de energia operam apenas em determinados horários do dia ou do ano devido à variação nas cargas e nos preços da eletricidade. Se uma planta só for necessária durante o dia, por exemplo, mesmo que opere com potência total das 8h às 20h todos os dias (12 horas) durante todo o ano, ela terá apenas um fator de capacidade de 50%. Devido a fatores de baixa capacidade, a eletricidade de usinas de energia de pico é relativamente cara porque a geração limitada tem que cobrir os custos fixos da usina.

Uma terceira razão é que uma planta pode não ter o combustível disponível para operar o tempo todo. Isso pode se aplicar a estações geradoras de fósseis com fornecimento restrito de combustíveis, mas mais notavelmente se aplica a recursos renováveis ​​intermitentes. As turbinas solares fotovoltaicas e eólicas têm um fator de capacidade limitado pela disponibilidade de seu "combustível", luz solar e vento, respectivamente. Uma usina hidrelétrica pode ter um fator de capacidade inferior a 100% devido à restrição ou escassez de água, ou sua produção pode ser regulada para atender à necessidade de energia atual, conservando sua água armazenada para uso posterior.

Outras razões pelas quais uma usina pode não ter um fator de capacidade de 100% incluem restrições ou limitações nas licenças aéreas e na transmissão que forçam a usina a reduzir a produção.

Fator de capacidade de energia renovável

Fatores de capacidade mensal da EIA dos EUA para energias renováveis, 2011-2013

Para fontes de energia renováveis , como energia solar , energia eólica e hidroeletricidade , a principal razão para o fator de capacidade reduzido é geralmente a disponibilidade da fonte de energia. A planta pode ser capaz de produzir eletricidade, mas seu "combustível" ( vento , luz solar ou água ) pode não estar disponível. A produção de uma usina hidrelétrica também pode ser afetada por requisitos para evitar que o nível da água fique muito alto ou baixo e para fornecer água para os peixes a jusante. No entanto, as usinas solares, eólicas e hidrelétricas têm fatores de alta disponibilidade , portanto, quando têm combustível disponível, quase sempre são capazes de produzir eletricidade.

Quando as usinas hidrelétricas têm água disponível, elas também são úteis para acompanhamento de carga, devido à sua alta despachabilidade . Os operadores de uma usina hidrelétrica típica podem trazê-la de uma condição parada para a potência total em apenas alguns minutos.

Os parques eólicos são variáveis, devido à variabilidade natural do vento. Para um parque eólico, o fator de capacidade é determinado pela disponibilidade de vento, a área varrida da turbina e o tamanho do gerador . A capacidade da linha de transmissão e a demanda de eletricidade também afetam o fator de capacidade. Fatores de capacidade típicos dos parques eólicos atuais estão entre 25 e 45%. No Reino Unido, durante o período de cinco anos de 2011 a 2019, o fator de capacidade anual para energia eólica foi superior a 30%.

A energia solar é variável devido à rotação diária da Terra, às mudanças sazonais e à cobertura de nuvens. Por exemplo, o Distrito de Utilidade Municipal de Sacramento observou um fator de capacidade de 15% em 2005. No entanto, de acordo com o programa SolarPACES da Agência Internacional de Energia (IEA), as usinas de energia solar projetadas para geração apenas solar são bem combinadas com as cargas de pico do meio-dia de verão em áreas com demandas de resfriamento significativas, como a Espanha ou o sudoeste dos Estados Unidos , embora em alguns locais a energia solar fotovoltaica não reduza a necessidade de geração de atualizações de rede, uma vez que a demanda de pico de ar condicionado geralmente ocorre no final da tarde ou início da noite, quando a produção solar é reduzida. SolarPACES afirma que, usando sistemas de armazenamento de energia térmica, os períodos de operação das estações de energia solar térmica (CSP) podem ser estendidos para se tornarem despacháveis ​​(acompanhamento de carga).

A geotérmica tem um fator de capacidade maior do que muitas outras fontes de energia, e os recursos geotérmicos geralmente estão disponíveis o tempo todo.

Fatores de capacidade por fonte de energia

No mundo todo

  • Energia nuclear 88,7% (média de 2006 a 2012 das usinas dos EUA).
  • Hidroeletricidade, média mundial de 44%, variação de 10% - 99% dependendo da disponibilidade de água (com ou sem regulação via barragem de armazenamento).
  • Parques eólicos 20-40%.
  • CSP solar com armazenamento e reserva de gás natural na Espanha 63%, Califórnia 33%.
  • Solar fotovoltaico na Alemanha 10%, Arizona 19%, Massachusetts 13,35% (média de 8 anos em julho de 2018).

Estados Unidos

De acordo com a Administração de Informação de Energia dos EUA (EIA), de 2013 a 2017, os fatores de capacidade dos geradores em escala de serviço público foram os seguintes:

Ano
 
 ​
2013
2014
2015
2016
2017
2018
Combustíveis não fósseis Carvão Gás natural Líquidos de Petróleo
Nuclear Conv. hidro Vento Solar PV Solar CSP Gás de Aterro Sanitário
e RSU
Outra biomassa
incluindo madeira
Geotérmico CC CT ST GELO ST CT GELO
89,9% 38,9% 32,4% N / D N / D 68,9% 56,7% 73,6% 59,8% 48,2% 4,9% 10,6% 6,1% 12,1% 0,8% 2,2%
91,7% 37,3% 34,0% 25,9% 19,8% 68,9% 58,9% 74,0% 61,1% 48,3% 5,2% 10,4% 8,5% 12,5% 1,1% 1,4%
92,3% 35,8% 32,2% 25,8% 22,1% 68,7% 55,3% 74,3% 54,7% 55,9% 6,9% 11,5% 8,9% 13,3% 1,1% 2,2%
92,3% 38,2% 34,5% 25,1% 22,2% 69,7% 55,6% 73,9% 53,3% 55,5% 8,3% 12,4% 9,6% 11,5% 1,1% 2,6%
92,2% 43,1% 34,6% 25,7% 21,8% 68,0% 57,8% 74,0% 53,7% 51,3% 6,7% 10,5% 9,9% 13,5% 0,9% 2,3%
92,6% 42,8% 37,4% 26,1% 23,6% 73,3% 49,3% 77,3% 54,0% 57,6% 11,8% 13,7% N / D 13,9% 2,5% N / D

No entanto, esses valores costumam variar significativamente por mês.

Reino Unido

Os números a seguir foram coletados pelo Departamento de Energia e Mudanças Climáticas sobre os fatores de capacidade para vários tipos de usinas na rede do Reino Unido:

Tipo de planta 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
Central nuclear 59,6% 49,4% 65,6% 59,3% 66,4% 70,8% 73,8% 66,6% 75,1% 78,1% 78,8% 72,9% 62,9%
Estações de turbina a gás de ciclo combinado 64,7% 71,0% 64,2% 61,6% 47,8% 30,3% 27,9% 30,5% 31,7% 49,6% 45,5% 42,7% 43,0%
Usinas termelétricas a carvão 46,7% 45,0% 38,5% 40,2% 40,8% 56,9% 58,1% 50,7% 44,0% 21,2% 17,3% 14,2% 7,8%
Usinas hidrelétricas 38,2% 37,4% 36,7% 24,9% 39,0% 35,7% 31,6% 39,1% 41,0% 34,0% 36,3% 33,2% 36,2%
Usinas eólicas 27,7% 27,5% 27,1% 23,7% 30,1% 29,4% 32,2% 30,1% 33,6% 27,8% 31,7% 31,4% 32,0%
Usinas eólicas offshore 25,6% 30,7% 25,9% 30,5% 37,0% 35,8% 39,1% 37,3% 41,5% 36,0% 38,9% 40,1% 40,4%
Centrais fotovoltaicas 9,9% 9,6% 9,3% 7,3% 5,1% 11,2% 9,9% 11,1% 11,8% 11,0% 10,6% 11,3% 11,2%
Marinha ( estações de energia das ondas e marés ) 0,4% 0,8% 4,8% 8,4% 3,8% 8,3% 9,6% 3,2% 2,6% 0,0% 3,0% 5,5% 7,5%
Centrais de bioenergia 52,7% 52,2% 56,5% 55,2% 44,1% 46,9% 56,8% 60,1% 67,4% 61,8% 61,5% 58,6% 55,3%

Veja também

Referências