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O HY4RES fez progressos significativos no desenvolvimento de sistemas híbridos de energia renovável para comunidades energéticas, a agricultura, a aquacultura e os setores portuários no segundo ano do projeto. Esforços recentes de investigação exploraram iniciativas para otimizar o uso de energia, integrar soluções de armazenamento e apoiar estratégias de carbono zero em ambientes industriais e comunitários.
Descubra abaixo o desenvolvimento científico realizado com a contribuição e supervisão dos especialistas do projeto. Este trabalho de investigação centrou-se na otimização energética, avaliação multicritério, estratégias operacionais e modelação aplicada para a gestão energética e avaliação do desempenho em vários setores.
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O aumento das necessidades energéticas e dos custos da energia levou a uma adoção crescente da energia solar em grandes sistemas de irrigação, especialmente no sul de Espanha. Este estudo comparativo avalia seis sistemas de irrigação em grande escala, analisando a integração da energia solar e a sua interação com as práticas de gestão da água na agricultura.
Os resultados indicam que, embora a proporção de energia solar em relação ao consumo total de energia varie entre 0,40 e 0,57 em sistemas com grandes centrais solares de vários MW, a utilização total da energia solar continua limitada devido aos horários de irrigação 24 horas por dia, o que exige a dependência de energia convencional durante as horas sem sol.
Localização dos sistemas de irrigação selecionados para o estudo. Fonte: Elaboração própria dos autores.
Apesar das reduções no consumo de energia, na maioria dos sistemas os custos energéticos aumentaram significativamente, com aumentos entre 15 % e 302 %, impulsionados pelas flutuações do mercado global. A venda do excesso de energia solar representa um alívio económico potencial, mas as restrições regulamentares muitas vezes inibem essa prática. Mesmo quando viável, a rentabilidade é desafiada pelos preços dinâmicos da energia.
O estudo destaca a necessidade de soluções inovadoras, incluindo tecnologias de armazenamento de energia, como baterias e energia hidrelétrica bombeada, e ajustes sistémicos de programação para melhorar o uso da energia solar. A adoção mais ampla de tecnologias como painéis solares flutuantes e certificações como ECO20 poderia apoiar ainda mais a soberania energética e a sustentabilidade. Esta pesquisa ressalta os desafios e oportunidades na otimização da energia solar para irrigação, oferecendo insights valiosos para gestores de sistemas e formuladores de políticas, que estão preocupados com transição para a energia renovável na agricultura.
Topologia da rede do Setor II do CIZD e pontos de pressão excedentária (EPPs) estudados. Fonte: Elaboração própria do autor.
A modernização das redes de irrigação aumentou a eficiência do uso da água, mas também aumentou a demanda e os custos de energia na agricultura. A recuperação de energia (ER) é possível utilizando o excesso de pressão para gerar eletricidade com bombas como turbinas (PATs), oferecendo uma alternativa económica às turbinas tradicionais.
Este estudo avalia a utilização de PATs em redes de irrigação pressurizadas para recuperar energia hidráulica desperdiçada, empregando o algoritmo de otimização de enxame de partículas (PSO) para dimensionamento de PATs com base em duas funções de objetivo único.
A análise centra-se na minimização do período de retorno do investimento (MPP) e na maximização da recuperação de energia (MER) em pontos de pressão excedente (EPP) específicos. É realizada uma análise comparativa dos valores para cada EPP e função objetivo de forma independente no Setor II do Distrito de Irrigação do Canal del Zújar (CZID) na Extremadura, Espanha. É também realizada uma análise de sensibilidade aos preços da energia e aos custos de instalação para avaliar as tendências socioeconómicas e a volatilidade, examinando os seus efeitos em ambas as funções objetivas.
O processo de otimização prevê uma ER anual para uma época de irrigação média utilizando dados de 2015 que variam entre 9554,86 kWh e 43 992,15 kWh por PATs da função MER, e períodos de retorno (PPs) entre 12,92 anos e 3,01 anos para a função MPP. A análise de sensibilidade replicou a otimização para os anos de 2022 e 2023, mostrando um potencial ER anual de até 54 963,21 kWh e PPs que variam de 0,88 a 5,96 anos para o ano de 2022.
Este estudo apresenta uma estrutura integrada de nexo inteligente entre água e energia que combina monitorização da água baseada em IoT, energias renováveis híbridas (hidrelétrica/solar/eólica) e otimização impulsionada por IA. Os dados dos sensores em tempo real permitem a gestão automatizada da rede, enquanto a análise de IA otimiza as operações e prevê as necessidades de manutenção através de um sistema de circuito fechado.
A solução alcança uma troca de energia bidirecional, com o sistema híbrido completo (G þ H þ PV þ W) reduzindo os custos em 41,5% (831 mil euros) e o LCOE em 57,2% (0,0475 euros/kWh). A análise financeira confirma a viabilidade com uma TIR de 26,4% e um retorno do investimento em 3,8 anos, ao mesmo tempo que se alcançam emissões negativas de CO2 (-160 476 kg/ano). A integração progressiva de energias renováveis melhora todos os indicadores-chave de desempenho (KPI), reduzindo as despesas operacionais em 89,9% (7156 €/ano) através de operações otimizadas. As métricas duplas de desempenho água-energia (fugas, pressão, % de quota renovável) garantem uma gestão equilibrada e sustentável da rede.
As principais inovações incluem sinergia entre IoT e energia, manutenção preditiva baseada em IA e eficiência circular de recursos. A estrutura demonstra como as redes de água inteligentes podem alcançar benefícios económicos e ambientais através da integração de energias renováveis e soluções digitais avançadas.
Resumo gráfico ilustrando o Smart Water-Energy Nexus. Fonte: Elaboração própria dos autores.
Estudo de caso de aquicultura existente, subdividido nos sítios primário e secundário. Fonte: Elaboração própria dos autores.
É apresentada uma nova metodologia para a gestão de energia híbrida na aquicultura, com o objetivo de aumentar a autossuficiência e otimizar os fluxos de caixa relacionados com a rede.
A geração de energia eólica e solar é modelada utilizando curvas de desempenho calibradas das turbinas e dados PVGIS, respetivamente, com uma capacidade fotovoltaica de 120 kWp. O sistema também incorpora uma pequena central hidroelétrica de 250 kW e um forno de secagem de madeira que utiliza o excedente de energia eólica.
Este estudo realiza uma análise comparativa entre o HY4RES, um modelo de simulação orientado para a investigação, e o HOMER Pro, uma ferramenta de otimização disponível comercialmente, em vários cenários de energia híbrida em dois locais de aquicultura.
Para configurações ligadas à rede no local principal (caso base, Cenários 1, 2 e 6), ambos os modelos demonstram forte concordância em termos de equilíbrio energético e desempenho geral. No Cenário 1, observa-se uma procura de energia de pico superior a 1000 kW em ambos os modelos, atribuída à carga do forno de biomassa. O Cenário 2 revela uma melhoria de 3,1% na autossuficiência com a integração da geração fotovoltaica, conforme relatado pela HY4RES. No Cenário 3 fora da rede, o HY4RES fornece uma carga anual adicional de 96 634 kWh em comparação com o HOMER Pro. No entanto, o HOMER Pro indica um défice de eletricidade 3,6% maior, principalmente devido às perdas do sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS). O Cenário 4 produz resultados de geração comparáveis, com o HY4RES a permitir 6% mais capacidade de secagem de madeira através da inclusão de energia fotovoltaica. O Cenário 5, que apresenta um BESS em grande escala, destaca uma procura não satisfeita de 4,7% no HY4RES, enquanto o HOMER Pro satisfaz com sucesso toda a carga. No Cenário 6, ambos os modelos apresentam perfis de carga semelhantes; no entanto, o HY4RES reporta uma taxa de autossuficiência 1,3% inferior à do Cenário 1. No local secundário, os resultados financeiros estão estreitamente alinhados.
Por exemplo, no caso base, o HY4RES projeta um fluxo de caixa de 54 154 euros, enquanto o Homer Pro estima 55 532 euros. O Cenário 1 apresenta resultados financeiros quase idênticos e o Cenário 2 destaca as capacidades superiores de modelação do BESS do HOMER Pro durante períodos de produção hidroelétrica reduzida.
Em conclusão, o HY4RES demonstra um desempenho robusto em todos os cenários. Quando fornecido com parâmetros de entrada harmonizados, os seus resultados de simulação são consistentes com os do HOMER Pro, validando assim a sua fiabilidade para a gestão de energia híbrida em aplicações de aquicultura.
A utilização de água recuperada é crucial para prevenir a poluição causada pela descarga de águas residuais e mitigar o défice hídrico enfrentado por distritos de irrigação ou outros utilizadores de água não potável. Portanto, a estratégia de descarga zero representa um desafio significativo para as cidades costeiras afetadas pela poluição marinha causada por efluentes. Em regiões como o arco mediterrânico, as áreas agrícolas localizadas perto dessas cidades estão cada vez mais expostas à redução das alocações de água ou ao aumento das demandas de irrigação devido aos impactos das alterações climáticas.
Para enfrentar este duplo desafio, propõe-se um sistema circular através da implementação de tecnologias de tratamento híbridas que permitem o descarte zero de águas residuais no mar. Esta abordagem e a contribuiria com até 30 hm³ de água recuperada anualmente para irrigação, cobrindo aproximadamente 27.000 hectares de terras agrícolas na província de Alicante.
O sistema proposto integra técnicas avançadas, como a osmose reversa, para garantir a qualidade da água de irrigação, ao mesmo tempo que considera estratégias de mistura parcial para otimizar o uso de recursos. Além disso, zonas húmidas construídas são incorporadas para regular e tratar os fluxos rejeitados produzidos por esses processos, minimizando o seu impacto ambiental.
Proposta de metodologia para implementar a estratégia de descarga zero: (I) balanço hídrico, (II) definição de Água Mista, (III) fornecimento de energia do sistema híbrido, e (IV) estratégia de descarga zero. Fonte: Elaboração própria dos autores.
Essa estratégia combinada aumenta a eficiência da reutilização da água, fortalece a resiliência agrícola e fornece um modelo sustentável para a gestão dos recursos hídricos nas regiões costeiras do Mediterrâneo.
A crescente descentralização dos sistemas energéticos exige estruturas robustas para avaliar a viabilidade técnica e económica de configurações híbridas renováveis à escala comunitária. Este estudo apresenta uma metodologia integrada que combina indicadores-chave de desempenho (KPI), análise de sensibilidade e tomada de decisão multicritério para avaliar sistemas híbridos em Castanheira de Pera, uma pequena comunidade no centro de Portugal.
Foram simuladas catorze configurações (C1–C14) que integram energia hidrelétrica, energia solar fotovoltaica, energia eólica e armazenamento em baterias utilizando o HOMER Pro 3.16.2, o PVsyst 8.0.16, o Python 3.14.0 e o Excel, tanto em condições hidrológicas húmidas como secas. Um modelo de armazenamento hidráulico controlado por comporta foi aplicado para otimizar a operação de armazenamento de curto prazo, aumentando a geração de energia no verão em 52-88% sem infraestrutura adicional. Entre todas as configurações, a C8 alcançou o maior valor presente líquido (≈153 700 euros) e uma forte taxa interna de retorno (TIR), mantendo um custo nivelado de eletricidade (LCOE) estável de cerca de 0,042 euros/kWh.
Diagrama de fluxo da metodologia. Fonte: Elaboração própria dos autores.
Os cenários de decisão comparativos destacam prioridades distintas das partes interessadas: os sistemas intensivos em armazenamento (C14, C11) maximizam a segurança energética, enquanto os híbridos de média escala (C8, C7) oferecem um desempenho económico superior. No geral, os resultados confirmam que a hibridização melhora significativamente a autonomia e a resiliência energética da comunidade. Trabalhos futuros devem ampliar essa estrutura para incluir indicadores ambientais e sociais, permitindo uma avaliação técnico-socioeconómica mais abrangente dos sistemas híbridos renováveis.
Estudo de caso de aquicultura com as interconexões complexas de fonte/demanda (mostrando as ligações amarelas e laranjas de forma optimizada). Fonte: Elaboração própria dos autores.
Foi criada uma ferramenta de avaliação técnico-económica-ambiental adaptada a um estudo de caso do setor pesqueiro. O setor pesqueiro, combinado com duas componentes renováveis (eólica e hídrica), foi analisado e foram realizadas análises de sensibilidade para integrar outras energias renováveis num modelo de otimização especificamente desenvolvido (ou seja, HY4RES-AHS).
O modelo utilizou um método evolutivo e resultou nas seguintes conclusões: O Cenário 2 destaca-se financeiramente, com a maior TIR (42%), o retorno mais rápido (4 anos) e o menor investimento (14 500 euros), embora sofra de elevadas perdas de energia (27,4%) devido a uma alimentação limitada da rede (120 kW). O Cenário 4 é o mais sustentável, com a SSR (97,8%) e a SCR (63,4%) mais elevadas e as emissões da rede mais baixas (12,83 t CO2 eq.), apoiado por 600 kW de energia fotovoltaica e uma forte utilização de biomassa, mas tem o NPV mais baixo (2241 euros) e o retorno mais longo (25 anos).
O cenário 3 oferece o melhor equilíbrio geral, alcançando o maior NPV (741 293 euros), uma sólida IRR (20%), baixas perdas de energia (2,8%) e uma forte SSR (94%). Os cenários 5 e 7 proíbem a alimentação da rede, resultando nas maiores perdas de energia (46,7% e 48,4%) e pouca sustentabilidade. O cenário 6 é financeiramente forte (VPL de 602 280 euros), mas carece de biomassa e biogás, reduzindo a resiliência e a autonomia do sistema.
Em resumo, o Cenário 2 é economicamente eficiente, o Cenário 4 leva à sustentabilidade e o Cenário 3 apresenta um desempenho equilibrado.
Esta pesquisa avalia os Sistemas de Armazenamento de Energia em Baterias (BESS) e os Recipientes de Ar Comprimido (CAV) como soluções complementares para aumentar a resiliência, flexibilidade e sustentabilidade das microrredes.
Unidades BESS que variam de 5 a 400 kWh foram modeladas usando uma rede neural autorregressiva não linear com entradas exógenas (NARX), alcançando alta precisão de previsão SOC com R² > 0,98 e MSE tão baixo quanto 0,13 kWh². Baterias maiores (400-800 kWh) reduziram efetivamente as compras da rede e redistribuíram o excedente de energia, melhorando a eficiência do sistema. Os CAVs foram testados no modo de armazenamento por bombeamento, alcançando 33,9–57,1% de eficiência sob condições de 0,5–2 bar e alta pressão, oferecendo armazenamento de longa duração e baixa degradação.
Representação esquemática de um sistema de micro-rede híbrida integrando múltiplas fontes de energia em CA e CC. Fonte: Elaboração própria dos autores.
O armazenamento CAV induzido por golpe de aríete demonstrou captura de pressão confiável quando o número de Reynolds ≤ 75.000 e a relação de fração de volume (VFR) > 11%, com um protótipo atingindo 6.142 kW e 170 kWh a 50% do volume de ar. Os CAVs provaram ser modulares, escaláveis e ambientalmente robustos, adequados tanto para a gestão de energia quanto de água.
Os sistemas híbridos que combinam BESS e CAVs oferecem vantagens estratégicas no equilíbrio da intermitência renovável. A aprendizagem automática e a modelação hidráulica suportam o controlo inteligente e o despacho adaptativo. Juntas, estas tecnologias permitem micro-redes preparadas para o futuro, alinhadas com os objetivos de sustentabilidade e estabilidade da rede.
Vista de drone do sistema híbrido de energias renováveis HY4RES na quinta Las Catalinas, Andaluzia, Espanha, destacando o reservatório e os painéis solares. Fonte: Projeto HY4RES.
Esta tese explora o armazenamento de energia hidrelétrica bombeada (PHS) e sua integração em soluções híbridas de energia (HES). Apresenta resultados experimentais e de simulação relativos ao desempenho do processo de armazenamento por bombeamento.
Um novo modelo algorítmico, HY4RES, foi projetado para simular e otimizar soluções híbridas de energia, integrando PHS, no Excel-Solver ou Python, em aplicações do nexo água-energia.
Os métodos de otimização explorados são mono e multi-objetivos com variáveis de decisão flexíveis para avaliar soluções para os sistemas HES. O modelo foi implementado para estudos de caso em grande e pequena escala.
O primeiro, um sistema de irrigação, analisa diferentes métodos de otimização para três cenários que combinam fontes renováveis e sistemas de armazenamento. A escala das necessidades de água para irrigação ditou em grande parte a flexibilidade dos resultados do sistema e a sua fiabilidade ao longo da estação. A comparação com uma análise paralela no software comercial HOMER evidencia a importância de projetar modelos que avaliem as demandas de energia e água.
O segundo estudo de caso, baseado numa pequena comunidade energética, explora o desempenho do modelo para uma demanda de carga flutuante, tanto em cenários autônomos quanto conectados à rede. Como o perfil de carga é maior nos meses de inverno, quando a energia solar é mínima, o cenário conectado à rede com energia eólica é o mais atraente economicamente, com apenas 8,3% de dependência da rede, enquanto o cenário autônomo de energia solar, eólica e PHS se destaca como uma solução fora da rede confiável e sustentável. O modelo HY4RES provou a sua capacidade de análise técnica e económica de soluções híbridas no âmbito do nexo água-energia.
Os sistemas híbridos de energia renovável pontuam com maior autossuficiência, reduzindo ao mesmo tempo a pressão sobre a rede. Este projeto centra-se num estudo de caso de aquicultura na Irlanda, que faz parte do projeto HY4RES. O sistema inclui uma carga flexível, bem como uma pequena central hidroelétrica e uma turbina eólica. Coloca-se a questão de como melhorar o sistema economicamente, mas também em termos de redução de emissões.
Para validar a abordagem de simulação do modelo HY4RES, o seu desempenho é comparado com o do HOMER Pro.
Em seguida, é desenvolvido o HY4RES V2, uma ferramenta de avaliação técnico-económica baseada no Excel, adaptada a este estudo de caso. É realizada uma otimização dos diferentes locais, bem como uma análise de sensibilidade com o HY4RES V2.
Site piloto de aquicultura HY4RES, sediado na Island Seafoods em Killybegs, Irlanda. Fonte: Projeto HY4RES.
Os resultados mostram um bom alinhamento dos dois modelos — HY4RES e HOMER Pro — para cenários ligados à rede. A otimização do local principal pelo HY4RES V2 com o método evolutivo resulta num valor atual líquido (VAL) de 957,85 AC e um período de retorno de 23,22 anos com um sistema fotovoltaico de 8 kWp. A análise de sensibilidade mostra um forte impacto de um aumento de 10% no custo de investimento fotovoltaico, levando a um VAL negativo de −396 AC. A análise de sensibilidade restante leva a valores positivos de NPV. O local secundário e o local combinado estão bem equilibrados e não permitem otimização. Otimizar a autossuficiência para 99% leva a uma redução de emissões de 77% para o local combinado, mas também a um NPV negativo de −4.562.928 AC.
Utilizando os cenários ótimos, em termos de VAN, torna-se evidente que o local combinado tem melhores resultados em termos de redução de emissões e maior independência da rede, enquanto os locais separados são economicamente preferíveis.
Sistema híbrido de energias renováveis instalado no Porto de Avilés, Espanha, mostrando as turbinas hidrocinéticas e a unidade em contentor. Fonte: Projeto HY4RES.
Esta tese investiga a implementação de um módulo híbrido de energia renovável no Porto de Avilés, concebido para suprir as necessidades energéticas de infraestruturas portuárias selecionadas através da integração de fontes solares, eólicas e hidrocinéticas.
O projeto original do sistema inclui uma solução de armazenamento com bomba-turbina, enquanto simulações adicionais foram realizadas utilizando armazenamento em baterias para ampliar a análise.
Para avaliar o desempenho em condições variáveis, foi desenvolvida uma ferramenta de gestão e otimização energética baseada em Excel, permitindo a avaliação de quatro cenários operacionais e seis configurações.
Foram realizados dois estudos de caso: o primeiro examinou um único módulo híbrido a gerir a procura total, comparando o armazenamento com bomba-turbina e com bateria para identificar a opção mais eficaz; o segundo explorou a implantação de vários módulos híbridos a operar em paralelo, cada um com um perfil de procura individual, com uma comparação entre estratégias de armazenamento centralizadas e distribuídas.
Os resultados mostram que, devido aos consumos de energia relativamente baixos e à capacidade de geração limitada do sistema, o único módulo híbrido com baterias como solução de armazenamento foi a configuração mais viável, alcançando uma cobertura energética de 89,90%. Além disso, a análise financeira demonstrou um resultado positivo, com uma taxa interna de retorno de 10,88%, confirmando a viabilidade do módulo tanto do ponto de vista técnico como económico. Estas conclusões destacam o potencial dos sistemas híbridos renováveis de pequena escala, apoiados pelo armazenamento em baterias, para contribuir significativamente para a descarbonização das operações portuárias e para o avanço do desenvolvimento de infraestruturas sustentáveis.
Este estudo realiza uma avaliação técnico-económica de pré-viabilidade de um sistema híbrido de energia renovável no Moinho do Salto, localizado no rio Sousa, em Portugal.
Centra-se na otimização da integração da micro-produção hidrolétrica com tecnologias complementares de energia solar fotovoltaica, eólica e armazenamento em baterias para satisfazer a procura de energia em cinco cenários de consumo diferentes, incluindo residências, um restaurante e uma igreja.
Através da aplicação de métodos de análise de dados e avaliação financeira, tais como LCOE e NPV, o projeto visa identificar as configurações de sistema mais eficientes e economicamente viáveis que maximizam a autossuficiência e minimizam as perdas de energia.
Edifício do moinho antigo em Senhora do Salto, Portugal (Moinho do Salto). Fonte: Projeto HY4RES.
Além das métricas técnicas e económicas, o estudo também inclui uma análise das emissões de CO₂ para avaliar os benefícios ambientais de cada cenário.
Esta investigação reflete uma abordagem multidisciplinar que visa fornecer soluções sustentáveis e inovadoras que equilibram desempenho técnico, viabilidade económica e impacto na comunidade, fornecendo informações valiosas para a implementação descentralizada de energia renovável em ambientes rurais.
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