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O trabalho de investigação avançou significativamente neste primeiro ano do projeto, em resultado das contribuições dos parceiros do HY4RES. Descubra abaixo os desenvolvimentos científicos efetuados sob a contribuição e supervisão da Professora Helena M. Ramos, membro do Instituto Superior Técnico de Lisboa.
Este trabalho de investigação centrou-se nos vários aspetos do desenvolvimento do modelo HY4RES de sistemas híbridos de energia renovável, tais como a comparação de métodos, a otimização de soluções de energia híbrida e a análise de estudos de caso.
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Esta investigação desenvolveu sistemas híbridos inteligentes integrados de energias renováveis para pequenas comunidades energéticas e aplicou-os a um sistema real para alcançar a autossuficiência energética e promover a produção sustentável de energia descentralizada. Compara configurações autónomas e ligadas à rede utilizando um modelo matemático otimizado desenvolvido e uma otimização baseada em dados, com análise económica de várias combinações de energias renováveis (PV, eólica, PHS*, BESS** e rede) para procurar a solução ótima.
Foram desenvolvidos quatro casos: dois autónomos (SA1: PV + Eólica + PHS*, SA2: PV + Eólica + PHS* + BESS**) e dois ligados à rede (GC1: PV + PHS* + Rede, GC2: Eólica + PHS* + Rede).
A GC2 é a mais económica, com um cash-flow estável (-123,2 euros por ano), baixos custos de CO2 (367,2 euros) e 91,7% de independência da rede, necessitando de 125 kW de potência instalada.
Embora as opções GC tivessem investimentos iniciais mais baixos (entre 157 000 e 205 000 €), as configurações SA proporcionaram custos nivelados de energia mais baixos (LCOE***), variando entre 0,039 e 0,044 €/kWh. A integração do armazenamento de energia hidroelétrica por bombagem aumenta a independência energética, suportando picos de carga até dois dias com uma capacidade de armazenamento de 2,17 MWh
Esta proposta introduz uma metodologia inovadora que aborda as crescentes necessidades de irrigação resultantes das alterações climáticas e do crescimento urbano. As zonas tradicionalmente com escassez de água enfrentam agora graves défices hídricos, enquanto os volumes de águas residuais das estações de tratamento, frequentemente descarregados no mar, contribuem para a poluição.
A estratégia do sistema híbrido proposto redistribui de forma inovadora 33 hm3 de água anualmente para as comunidades agrícolas, empregando uma abordagem de descarga zero para evitar a poluição marinha. Avaliada do ponto de vista energético, ambiental e social, esta metodologia apresenta uma notável relação custo-benefício superior a 12, demonstrando a sua viabilidade. Ela apresenta indicadores técnicos de otimização da distribuição da água e componentes regulamentares, aplicados eficazmente em 28 424 ha de terras agrícolas.
Esta estratégia satisfaz 24,1 % das necessidades de irrigação nestas regiões, salvaguardando simultaneamente as zonas costeiras da degradação. Fundamentalmente, integra 11,3 GWh de energia renovável por ano, sublinhando a sua sustentabilidade e reforçando a sua replicabilidade noutras regiões com carências hídricas.
Esta investigação tenta colmatar a lacuna entre os fundamentos teóricos dos sistemas híbridos de energia renovável e a sua implementação prática a diferentes escalas através de um novo Modelo Conceptual de Energia Híbrida (COHYBEM). O principal objetivo foi desenvolver um modelo multivariável para permitir uma nova análise técnico-económica completa e abrangente do desempenho de possíveis sistemas híbridos de energia renovável a diferentes escalas.
O objetivo é avaliar a influência de parâmetros críticos através da alteração de parâmetros-chave no modelo desenvolvido e identificar os seus impactos. Abrange a análise de big data, a simulação e a otimização de soluções energéticas híbridas, combinando fontes de energia eólica, solar e hidroelétrica com a tecnologia de armazenamento de energia por bombagem hidroelétrica.
A investigação também denotou a frente de Pareto com o aumento da potência instalada, para a eficiência máxima e a procura total satisfeita por Eólica + PVSolar e por Hidroelétrica converge para uma percentagem mais elevada, enquanto um desperdício mínimo por Eólica + PVSolar também está a progredir para escalas crescentes. Em termos de custos de investimento para os 243 casos de estudo analisados, estes variam entre 45 k € de valor atualizado (VAL) entre 18 e 600 k de escala analisada.
Esta investigação apresenta uma abordagem multicritério para a melhor solução híbrida de abastecimento de água de um sistema hidroelétrico de acumulação por bombagem (PSH), utilizando o método do Gradiente Reduzido Generalizado (GRG) no Solver, com o processo de otimização a considerar fatores-chave, tais como o Valor Atual Líquido (VAL), o número de dispositivos de conversão de energia, a produção de energia renovável, a disponibilidade de fontes, as capacidades dos reservatórios, as restrições topográficas e as tarifas de energia.
A metodologia combina uma revisão da literatura, desenvolvimento metodológico e aplicações de aprendizagem automática para sistemas híbridos água-energia. Os resultados indicam que as soluções exclusivamente solares são insuficientes em cenários de elevado potencial hidroelétrico, ao passo que a integração de turbinas eólicas aumenta significativamente a produção de energia e a rentabilidade, gerando energia excedentária para venda à rede. A calendarização das vendas de energia e a incorporação do armazenamento em baterias também têm impacto no VAL, que pode ultrapassar os 180 milhões de euros. A energia eólica contribui para uma rentabilidade contínua e para a otimização do desempenho do sistema, nomeadamente em regiões isoladas. O sistema PSH pode gerir 130.000 m3 de água por dia, armazenando 25 MWh de energia e reduzindo as emissões de CO2 em mais de 18.000 toneladas por ano.
Estes resultados sublinham a importância das energias renováveis, como a energia eólica, e de uma gestão operacional eficaz. Aumenta a viabilidade económica e a sustentabilidade ambiental dos sistemas híbridos água-energia.
Foi efetuada uma revisão exaustiva da literatura sobre os efeitos da oscilação da superfície livre em canais abertos, destacando os riscos da ocorrência de ondas de pico positivas e negativas que podem levar ao galgamento. Foram desenvolvidas análises experimentais centradas na instabilidade do escoamento devido a constrições, bloqueios de comportas e arranque e paragem de centrais hidroelétricas.
Uma câmara de carga na extremidade a jusante de um túnel ou canal proporciona as condições adequadas para a admissão da conduta forçada e regula a variação temporária do fluxo das turbinas. Em testes com um caudal de 60 a 100 m³/h, foram analisados os efeitos de variações graduais e rápidas do caudal no perfil da superfície livre. A energia específica e o momento total são utilizados na caracterização matemática dos limites ao longo do perfil da superfície livre da água. Uma paragem súbita da turbina ou o fecho repentino de uma comporta ou válvula pode causar perfuração hidráulica e galgamento do muro da infraestrutura. Ao mesmo tempo, um controlador PID, se devidamente programado, pode reduzir a inundação entre 20 e 40%. A altura da inundação é limitada a 0,8 m a partir de uma amplitude inicial de 2 m, com um tempo de dissipação da onda entre 25 e 5 segundos, dependendo das condições do caudal e dos parâmetros das características do PID.
Esta investigação explora a relação entre a capacidade de armazenamento de energia hidropneumática e a eficiência e flexibilidade dos sistemas híbridos de energia em soluções água-energia. É introduzida uma nova metodologia, que inclui modelos matemáticos, recolha de dados experimentais e simulações hidráulicas utilizando modelos CFD 1D e 2D para modelação hidropneumática.
Foi obtida uma eficiência de armazenamento de energia prometida de cerca de 30-50% numa pequena escala de laboratório. A otimização de sistemas híbridos através dos algoritmos Solver e Python com várias funções objetivo permite escolhas de conceção ótimas adaptadas a necessidades específicas, como o abastecimento de água potável, a irrigação ou os processos industriais.
As embarcações hidropneumáticas surgem como uma solução de armazenamento eficaz, combinando armazenamento por bombagem e energia hidroelétrica num único circuito. Quando integrados com fontes renováveis, como a energia solar (PV) e eólica, oferecem um sistema de gestão de energia flexível e duradouro, aplicável em diferentes sectores de água-energia para apoiar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável. Um estudo de caso com uma alocação de água de 4,8 milhões de metros cúbicos por ano, produzindo 1000 MWh de energia hidroelétrica e 13500 MWh de energia solar, alcançou 100 % de fiabilidade da água e um fluxo de caixa de 2,5 milhões de euros em 25 anos.
Uma nova metodologia, denominada Modelos HY4RES, inclui soluções energéticas híbridas (HESs) baseadas na disponibilidade de fontes renováveis, para 24 h de alocação de água, usando o WaterGEMS 10.0 e o PVGIS 5.2 como cálculos auxiliares.
O projeto de otimização foi realizado utilizando o Solver, com programação não linear/evolutiva GRG, e Python, com o algoritmo genético de ordenação não dominada (NSGA-II). O estudo envolve a implementação de algoritmos complexos multi-objetivo e multi-variáveis com diferentes fontes renováveis, como a energia solar fotovoltaica, a energia hidráulica por bombagem (PHS), a energia eólica, a energia ligada à rede ou a energia das baterias, e também análises de sensibilidade e comparações de modelos de otimização.
Alocações de água mais elevadas dependiam muito da energia da rede, especialmente à noite, quando a energia solar não estava disponível. Para um estudo de caso de necessidades de água de irrigação de 800 e 1000 m3/ha, a rede não é necessária, mas para 3000 e 6000 m3/ha, a energia da rede aumenta significativamente, atingindo 5 e 14 GWh anualmente, respetivamente. Quando a energia eólica também é integrada, durante a noite, permite reduzir a utilização de energia da rede em 60% para 3000 m3/ha de alocação de água, produzindo um cash-flow positivo ao longo da vida (EUR 284.781). Se a rede for substituída por baterias, não existe um backup robusto e é difícil satisfazer as elevadas necessidades de água e energia. Economicamente, PV + vento + PHS (Pumped Hydropower Storage) + energia da rede é a solução mais atrativa, reduzindo a dependência de fontes auxiliares e beneficiando das vendas à rede.
Foi desenvolvida uma nova metodologia para sistemas híbridos de energia (HESs), nomeadamente o modelo HY4RES, adaptado ao sector da água, abrangendo funções objetivo de energia híbrida e suporte de rede ou bateria, utilizando algoritmos de otimização em Solver, MATLAB e Python, com métodos evolutivos. O HOMER é utilizado para microredes híbridas e permite a comparação com o HY4RES, o novo modelo desenvolvido. Ambos os modelos demonstraram flexibilidade na otimização de soluções híbridas renováveis.
Este estudo analisou um sistema de irrigação para 3000 m3/ha (sem energias renováveis (caso base) e o sistema proposto – com energia solar fotovoltaica e armazenamento de energia hidroelétrica por bombagem para maximizar o fluxo de caixa ao longo de 25 anos).
Caso 1- 3000 m3/ha apresentou benefícios devido ao facto de a energia fotovoltaica fornecer ~87% da energia, reduzindo a dependência da rede para ~13%. O armazenamento de energia hidroelétrica por bombagem (PHS) carrega o excesso de energia solar, assegurando a irrigação durante 24 horas. As análises de sensibilidade para o Caso 2-1000 e para o Caso 3-6000 m3/ha evidenciaram as vantagens e limitações da gestão água-energia e da otimização do sistema. O Caso 2 foi o mais económico devido às menores necessidades de água-energia com vendas de energia notáveis (~73,4%) e sem necessidade da rede. O caso 3 levou a um aumento dos custos operacionais, dependendo fortemente da energia da rede (61%), com a energia fotovoltaica a fornecer apenas 39%. O PHS (Pumped Hydropower Storage) reduziu significativamente os custos operacionais e aumentou a flexibilidade do sistema ao vender o excesso de energia à rede.
As infraestruturas de água do mundo sofrem de ineficiências, como o elevado consumo de energia e as perdas de água devido a práticas de gestão inadequadas e a uma fraca regulação da pressão, o que leva a perdas frequentes de água e energia. Esta situação sobrecarrega os recursos hídricos e energéticos vitais, especialmente face ao agravamento dos desafios das alterações climáticas e do crescimento demográfico.
É apresentado um novo método que integra centrais micro-hídricas, com bombas como turbinas (PATs), na rede de água da cidade do Funchal. Análises de sensibilidade avaliaram a resposta da microrede a variações no custo dos componentes energéticos, mostrando resultados favoráveis com valor atual líquido (VAL) positivo. A energia solar fotovoltaica e as micro-turbinas eólicas instaladas exclusivamente nos locais PRV selecionados dentro da rede hidroelétrica do Funchal geram um total de 153 e 55 MWh/ano, respetivamente, complementando os 406 MWh/ano gerados pelas PATs. É de notar que as PATs têm consistentemente o custo mais baixo da eletricidade (LCOE***), confirmando a sua viabilidade económica e eficiência em diferentes cenários, mesmo depois de contabilizar as reduções nas fontes de energia alternativas e nos custos da infraestrutura da rede.
*PHS: Armazenamento de energia hidroelétrica por bombagem
**BESS: Sistemas de armazenamento de energia por bateria
***LCOE: Levelized Cost Of Energy (Custo Nivelado da Energia) – Uma métrica para medir o custo médio da produção de eletricidade durante o tempo de vida de um ativo energético
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