Utilização de dispositivos de armazenamento de energia em apoio ao funcionamento de redes isoladas

Temos assistido nos últimos anos à proliferação da produção distribuída de electricidade, sobretudo, com recurso a fontes de energia renováveis, implicando a natural reestruturação das redes eléctricas existentes, desde a produção até ao consumidor final. As constantes preocupações na garantia da qualidade de serviço e até mesmo em termos ambientais, levam a que a operacionalidade das redes seja cada vez mais eficiente, visando a integração de tecnologias emergentes como é o caso dos sistemas de armazenamento de energia. A aposta nas energias de origem renovável nomeadamente a solar e a eólica, representa uma forma cada vez mais presente de geração de electricidade, tendo como grande inconveniente o regime de intermitência a que estão sujeitas, não se conseguindo tirar proveitos absolutos de todas as potencialidades que estas fontes proporcionam. Existem actualmente sistemas de armazenamento de energia que permitem optimizar o comportamento das redes. Nesta dissertação é feita uma abordagem a alguns desses sistemas, tendo como objectivo principal a demonstração das potencialidades de optimização dos sistemas de produção e distribuição de energia eléctrica com recurso a sistemas de armazenamento de energia, em redes isoladas e interligadas. É também feito um estudo do comportamento dinâmico de uma rede com vários cenários de ocorrência de defeitos, com e sem armazenamento de energia. Para isso a base deste trabalho consistiu na familiarização com uma ferramenta de grande potencial na simulação dinâmica de redes eléctricas, utilizado por prestigiados grupos de energia a nível mundial, na qual foi implementada a rede de teste e efectuadas as simulações do estudo

Papel do armazenamento de energia em sistemas energéticos com elevada penetração de renováveis: avaliação do potencial para Portugal

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014O desenvolvimento económico à escala global tem colocado uma série de desafios entre os quais se destaca o problema do abastecimento energético, visto numa perspectiva integrada, atendendo por isso a constrangimentos económicos e ambientais. Assim, têm ganho relevância na últimas décadas as fontes renováveis de energia pelos seus benefícios ambientais e potencial económico. A variabilidade geográfica e temporal dos recursos renováveis coloca um obstáculo à sua integração num sistema electroprodutor que assenta numa rede eléctrica onde, por razões de estabilidade técnica, o balanço entre produção e consumo deve ser nulo em cada momento. Para acomodar esta variabilidade existem diferentes caminhos possíveis: 1) Melhoria da previsão meteorológica de modo a rentabilizar a alocação de recursos para produção de electricidade a cada momento. 2) Disseminação geográfica das fontes de produção variável de modo a obter uma curva de produção acumulada mais estável. 3) Investimento na rede de transmissão de modo a escoar excessos e ter apoio em caso de diminuição de produção. 4) Utilização de tecnologias de armazenamento de energia, à escala do sistema electroprodutor, que possibilitem garantir o abastecimento. O objectivo do trabalho passa por estudar a aplicação de diferentes soluções de armazenamento, num sistema com elevada penetração de energias renováveis, como por exemplo Portugal. Numa primeira fase, caracteriza-se o estado da arte das tecnologias de armazenamento. Depois, o modelo deverá ser validado com dados de produção e consumo relativos ao sistema energético português, que será usado como cenário de validação e referência. Por fim, pretende-se usar um sistema de modelação energética para construir diferentes cenários caracterizados pela penetração de renováveis, aplicação de armazenamento de energia, capacidade de interligação da rede eléctrica e custos associados da energia.Worldwide economic development has posed a series of challenges including the energy supply problem, seen from a holistic perspective, given some economic and environmental constraints. Therefore the renewable energy sources have raised awareness in the last decades given their environmental benefits and economic potential. The geographical and temporal variability of the renewable resources places a barrier to their integration in the electric power system which is based on the electric grid where, due to technical reasons, the balance between generation and consumption must be zero in every moment. To berth this variability there are some possible paths: 1) Improved meteorological forecasts in order to optimize power generation resources in every moment of the day. 2) Geographical spread of the variable power sources so that the cumulative generation is more stable. 3) Power grid capacity reinforcement in order to drain generation excesses and have support in case of variable generation decrease. 4) Use of grid-scale storage technologies to satisfy demand. The goal of this paper is to study the application of different storage solutions to a system with a high penetration of renewable energy like Portugal. At first the storage technologies state-of-the-art will be characterized. Afterwards, the model will be validated using generation and consumption data relative to the Portuguese electric power system, used as a validation and reference scenario. Ultimately, an energy modeling system will be used to build different scenarios characterized by renewable energy penetration, applied storage technologies, transmission line capacity and energy costs

Sustentabilidade e potencial de inovação

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia do AmbienteA presente dissertação de mestrado aborda o tema dos sistemas energéticos,para o sector edifícios em Portugal, numa perspectiva de sustentabilidade e potencial de inovação. A questão dos sistemas energéticos é enquadrada a 2 níveis: um que explora a vertente da geração, redes de distribuição e gestão de energia; outro que está mais focado na concepção dos edifícios, tendo como base a arquitectura bioclimática, construção sustentável e a “casa energeticamente inteligente”. Os conceitos, apresentados e desenvolvidos ao longo do presente trabalho,são acompanhados por casos de estudo que exemplificam a aplicabilidade das técnicas e tecnologias preconizadas. Relativamente aos casos de estudo, realça-se o projecto da Torre Verde. Este é uma referência ao nível da arquitectura bioclimática, no qual o autor desenvolveu a componente prática, nomeadamente ao nível do processo de certificação energética do edifício e sistemas de energia renovável

Práticas de projecto e construtivas para a construção sustentável

O sector da construção é responsável por uma grande percentagem da degradação do meio ambiente. É absolutamente necessário actuarmos a todos os níveis - desde os pequenos edifícios até aos grandes empreendimentos - no sentido de não comprometermos o futuro das gerações vindouras. Neste artigo evidenciam-se práticas de projecto e construtivas de simples aplicação, que podem e devem desde já ser implementadas no sentido da construção de edifícios sustentáveis. Estas práticas enquadram-se em quatro grandes áreas: gestão energética; gestão da água; gestão de materiais e gestão de resíduos de construção e demolição

Modelação e optimização do dimensionamento de um sistema electroprodutor híbrido isolado

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014A falta de acesso a serviços de energia afecta milhões de pessoas por todo o mundo. Considerando ainda as regiões onde o acesso a electricidade é efectuado por queima de combustíveis fósseis, vulneráveis às variações de custo de combustível, torna-se urgente promover o acesso a serviços de energia limpos e economicamente viáveis. Uma potencial solução é a implementação de sistemas híbridos isolados que contem com os recursos renováveis locais. Neste trabalho é desenvolvida uma metodologia de optimização do dimensionamento e escalonamento para sistemas híbridos isolados que reúnam as tecnologias de conversão eólica e fotovoltaica, baterias e geração a diesel. O objectivo é auxiliar o decisor do projecto a determinar o número de equipamentos a instalar de cada tecnologia. O dimensionamento óptimo é alcançado minimizando o investimento total para 20 anos de vida útil do projecto. Determina-se deste modo o custo de energia ou LCOE (€/kWh). A metodologia consiste num modelo de dimensionamento e escalonamento que avalia a cada hora o balanço de energia produção/consumo, para 1 ano de dados climáticos. A metodologia desenvolvida é um problema de programação linear inteira mista e é aplicada na plataforma GAMS. São analisadas e comparadas diversas configurações de sistemas híbridos e é efectuada a análise de sensibilidade a factores económicos como o custo do diesel. É efectuada uma análise climática demonstrando a aplicabilidade da metodologia desenvolvida a diferentes condições climáticas. Os resultados verificam que a implementação de sistemas híbridos isolados é a opção economicamente mais viável nos cenários considerados. As melhores soluções económicas são as que aplicam os quatro subsistemas propostos: eólica, fotovoltaica, baterias e geradores a diesel.The lack of energy services affects millions of people all over the world. Considering yet the regions where the access to electricity is done by fossil fuels, vulnerable to cost variations, it becomes urgent to promote access to sustainable energy services both environment-friendly and economically viable. One potential solution is the implementation of isolated hybrid systems that rely on local renewable energy sources. In this work it is developed a methodology for the optimal sizing and scheduling for isolated hybrid systems that count with wind and photovoltaic conversion technologies, batteries and diesel generators. The goal is to help the project manager to determine the number of equipments to install of each technology. The optimal sizing is achieved by minimizing the total cost during 20 years of the useful life of the project. With that, it is possible to determine the cost of energy or LCOE (€/kWh). The methodology consists on a sizing and scheduling model that evaluates in each hour the energy balance of production/consumption, for one year of climate data. The developed methodology is a mixed integer linear programming problem and is applied in the GAMS platform. Various configurations of hybrid systems are analyzed and compared and a sensitivity analysis to economic factors like diesel cost is performed. Also a climate analysis is performed to conclude about the applicability of the developed methodology in different climates. The results demonstrate that the implementation of hybrid systems is the most viable economical option in the considered scenarios. The most economic solutions are the ones that include the four subsystems proposed: wind, photovoltaic, batteries and diesel generators

Integração de fontes renováveis no sistema eléctrico através de Centrais Renováveis Virtuais

Tese de mestrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011The integration of renewable energy sources (RES) generation in the electric network as well as the management of this component of the power system poses serious challenges, both for system managers and for electric network planners. The recent introduction of the “Renewable Virtual Power Plants” concept enables multiple positive factors for the electric integration of these sources, namely (a) the smoothing of time based fluctuation of the power delivered by the RES (particularly accentuated in the case of wind energy), (b) the use of the natural complementary of renewable resources availability (c) the establishment of synergies between different RES as well as the combination of their production. These synergies would make possible the creation of a merged daily production profiles, more adapted to the load profile than that of individual RES. The present work will address a realistic case-study to identify the synergies between wind and photovoltaic (PV) plants, regarding (a) their natural complementarity and availability of the resources and (b) technical and economic value of an hybrid wind-PV virtual power plant, both from the system management point of view and the decrease in infrastructural needs, i.e. interconnection transmission line, transformers and auxiliary equipment. Time-domain models with capacity to represent the behavior of these plants in detail are used, also enabling future dynamic studies. Nevertheless, for the purpose of the present study these models are applied to quasi-stationery phenomena. Results of work carried on include the characterization and optimization of hybrid virtual wind-PV plants production profile and the potential benefit of using storage solutions to shift energy from no load hours to peak load hours.A integração de Fontes de Energia Renovável (FER) na rede eléctrica e a sua gestão enquanto parte constituinte de um sistema electroprodutor introduz sérios desafios tanto aos gestores desse sistema como aos planeadores da rede eléctrica. A recente introdução do conceito “Central Renovável Virtual” (CRV) permite diminuir alguns dos impactos negativos no sistema electroprodutor, nomeadamente: (a) redução das flutuações temporais da potência entregue pelas centrais renováveis (particularmente acentuadas no caso de centrais eólicas); (b) uso da complementaridade natural na disponibilidade de recursos renováveis; e (c) estabelecimento de sinergias entre diferentes FER, bem como a combinação da sua produção. A existência sinergias entre diferentes FER possibilita o desenvolvimento de um perfil diário de produção da Central Renovável Virtual mais adaptado ao perfil dos consumos do que os perfis diários de cada uma das FER, a título individual. Com o presente trabalho pretende-se identificar as sinergias entre centrais eólicas e fotovoltaicas no que respeita à complementaridade natural da disponibilidade dos recursos e as mais-valias técnico-económicas duma central virtual híbrida eólica-solar fotovoltaica, quer do ponto de vista da gestão do sistema electroprodutor, quer da diminuição da necessidade de reforço das redes de ligação e equipamentos auxiliares. Para tal recorrer-se-á a modelos evolutivos com capacidade para representar detalhadamente o comportamento destas centrais – e com potencial para, no futuro, efectuar estudos dinâmicos do comportamento das mesmas – mas, nesta fase aplicados a fenómenos quasi-estacionários. Os resultados deste trabalho englobam a caracterização e optimização do perfil de produção duma central renovável virtual híbrida eólica-solar fotovoltaica, bem como a identificação do benefício potencial da adição de soluções de armazenamento de energia para deslocarem a produção em horas de vazio para as horas de ponta do sistema

Gestão integrada de microgeração e armazenamento distribuído em redes de distribuição BT

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Gestão de Recursos Energéticos nas SmartGrids

A sustentabilidade do sistema energético é crucial para o desenvolvimento económico e social das sociedades presentes e futuras. Para garantir o bom funcionamento dos sistemas de energia actua-se, tipicamente, sobre a produção e sobre as redes de transporte e de distribuição. No entanto, a integração crescente de produção distribuída, principalmente nas redes de distribuição de média e de baixa tensão, a liberalização dos mercados energéticos, o desenvolvimento de mecanismos de armazenamento de energia, o desenvolvimento de sistemas automatizados de controlo de cargas e os avanços tecnológicos das infra-estruturas de comunicação impõem o desenvolvimento de novos métodos de gestão e controlo dos sistemas de energia. O contributo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia de gestão de recursos energéticos num contexto de SmartGrids, considerando uma entidade designada por VPP que gere um conjunto de instalações (unidades produtoras, consumidores e unidades de armazenamento) e, em alguns casos, tem ao seu cuidado a gestão de uma parte da rede eléctrica. Os métodos desenvolvidos contemplam a penetração intensiva de produção distribuída, o aparecimento de programas de Demand Response e o desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento. São ainda propostos níveis de controlo e de tomada de decisão hierarquizados e geridos por entidades que actuem num ambiente de cooperação mas também de concorrência entre si. A metodologia proposta foi desenvolvida recorrendo a técnicas determinísticas, nomeadamente, à programação não linear inteira mista, tendo sido consideradas três funções objectivo distintas (custos mínimos, emissões mínimas e cortes de carga mínimos), originando, posteriormente, uma função objectivo global, o que permitiu determinar os óptimos de Pareto. São ainda determinados os valores dos custos marginais locais em cada barramento e consideradas as incertezas dos dados de entrada, nomeadamente, produção e consumo. Assim, o VPP tem ao seu dispor um conjunto de soluções que lhe permitirão tomar decisões mais fundamentadas e de acordo com o seu perfil de actuação. São apresentados dois casos de estudo. O primeiro utiliza uma rede de distribuição de 32 barramentos publicada por Baran & Wu. O segundo caso de estudo utiliza uma rede de distribuição de 114 barramentos adaptada da rede de 123 barramentos do IEEE.The energy system sustainability is crucial to the present and future economic and social development of societies. To ensure the correct functioning of power systems, the independent system operator controls large power plants, the transmission and distribution networks. However, the penetration of distributed generation, especially in the medium and low voltage distribution networks, the deregulation of electricity markets, the increment of home and industrial automation with load control, the development of new and more efficient storage systems and the development of new communication infrastructures, require new management and control methods in power systems. The main contribution of the present work is the development of a new energy resource management methodology in the SmartGrid context, considering Virtual Power Producers (VPP) which manages a set of facilities (generation units, consumers and storage units) and, in some cases, the distribution network. The developed method considers an intensive use of distribution generation, demand response programs and storage units. This thesis also proposes a new SCADA hierarchy, with several control and decision-making levels, managed by different entities. These entities operate in a competitive environment, but also cooperate to obtain common goals. The proposed methodology has been developed using deterministic techniques in particular mixed integer nonlinear programming and has considered three different objective functions (minimum operation costs, minimum gas emissions and minimum load curtailment). Weights are assigned to each objective function to obtain a global multi-objective function, which allowed determine the Pareto optimal front. Locational marginal Prices (LMP) in each bus are also evaluated. The uncertainties of input data, including wind and photovoltaic generation and costumers’ consumption, are also considered. The proposed method provides VPPs with a set of energy resource management solutions, that allow making more conscious decisions and in accordance with their profile. Two case studies are presented in this work. The first one uses a 32 buses distribution network, published by Baran & Wu. The second case study uses a 114 buses distribution network, adapted from the 123 buses IEEE distribution network

Optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos‐eólicos em zonas insulares de diversidade climática‐Arquipélago da Madeira

Nesta tese apresento um estudo detalhado sobre vários aspectos relacionados com a optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos em zonas insulares de diversidade climática-arquipélago da Madeira que foi desenvolvido no Laboratório Regional de Engenharia Civil e com algumas deslocações no Laboratório de Energia Solar da Universidade de Vigo entre 2002 e 2007. Foi baseado nos conhecimentos adquiridos ao longode 25 anos de prática profissional de estudo, projecto, montagem e monitorização de tecnologias solares e eólicas, para produção de electricidade em locais isolados, bem como pesquisa e análise climatológica. Como resultado final e após a criação de uma base de dados climáticos para fins energéticos, determinámos os dias característicos de radiação solar e temperatura para cada um dos doze meses do ano, nas seis estações meteorológicas estudadas. Estes dias são de grande utilidade também para a elaboração de outros estudos. Após o tratamento dos dados constatou-se que a evolução das temperaturas ao longo do ano, tanto no caso das médias como nas médias dos valores máximos e nas médias dos valores mínimos,segue uma tendência similar em todas as estações. Concluimos que, a altitude é o factor determinante nestas diferenças, de tal maneira que quanto maior for a altitude menor são, em geral, as temperaturas médias. No estudo da irradiação global constatámos que na ilha do Porto Santo há mais 4% de radiação solar que na ilha da Madeira. Já na costa norte da Madeira, mais precisamente em São Jorge a média diária mensal e anual é inferior em cerca de 16.5 % em relação ao Porto Santo. Contudo, a costa sul da Madeira apresenta valores de radiação interessantes para o aproveitamento energético. Na abordagem à produção fotovoltaica e eólica, desenvolvemos um novo conceito que relaciona a produção eléctrica por metro quadrado de terreno horizontal, referente à área dos módulos fotovoltaicos e à área de afectação dos aerogeradores. Este novo conceito permite facilmente comparar sistemas energéticos diferentes utilizando diferentes recursos energéticos, permitindo também comparar a energia eléctrica produzida com a energia solar recebida e, deste modo, extrapolar os resultados para a toda a superfície do arquipélago. Finalmente, no que diz respeito à optimização de sistemas híbridos fotovoltaicos-eólicos nas seis zonas climáticas do arquipélago da Madeira, calculámos a produção eólica diária e a produção média diária para cada um dos doze meses do ano, bem como a média anual, isto por metro quadrado de área varrida pelo rótor do aerogerador, para que os resultados se pudessem comparar com os resultados anteriormente obtidos na produção fotovoltaica, reportados também a metro quadrado de área de módulo. No que concerne à produção máxima e comparativa de sistemas (100% fotovoltaicos e 100% eólicos), estudámos várias hipóteses para que os resultados fossem os mais gerais possíveis, tendo-se chegado à conclusão de que se se relacionar a procura de energia/consumo com a produção anual do sistema híbrido, não é necessário fazer a simulação dos sub-sistemas fotovoltaicos-eólicos em tamanho real, bastando apenas conhecer a proporção exacta destes, e extrapolar os resultados obtidos em percentagem para qualquer dimensão. Da análise comparativa dos resultados da produção energética das diferentes composições percentuais fotovoltaico-eólico, podemos avaliar facilmente o grau de cobertura de energia renovável. Conhecidas as percentagens de cobertura da procura que se obtêm com energias renováveis, é possível definir com segurança as percentagens solar-eólica que oferecem as melhores opções técnicas. Em termos de optimização técnica, concluímos que o único factor que diferencia um sistema híbrido de outro, nos 6 locais estudados, é a área do módulo fotovoltaico e a área varrida pelo rótor do aerogerador. Finalmente, concluímos que os custos das instalações híbridas e do kWh renovável produzido nos locais estudados, diminuem em todos os locais ao diminuir a percentagem do sub-sistema eólico no sistema híbrido fotovoltaico-eólico, sendo o custo mais baixo reportado sempre à Instalação toda solar (100% fotovoltaica)

Utilização de dispositivos de armazenamento de energia em apoio ao funcionamento de redes isoladas

Este texto que se segue é um excerto resumido da dissertação realizada por Luís Miguel Carvalho Lourenço, no âmbito do curso de Mestrado em Engenharia Electrotécnica, Energia e Automação, concluído na Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria. Tem como titulo, Utilização de Dispositivos de Armazenamento de Energia em Apoio ao Funcionamento de Redes Isoladas