Torre solar: estudo do rendimento e viabilidade de centrais térmicas solares para produção de energia eléctrica de pequena e média dimensão

O aproveitamento da radiação solar representa um recurso energético extremamente benéfico, quer no âmbito energético, quer no ambiental, contribuindo para a redução das emissões de gases nocivos para a atmosfera. Portugal apresenta uma radiação solar total média anual bastante elevada, colocando-se entre um dos países que apresentam melhores potencialidades para o aproveitamento da energia solar. A torre solar consiste numa estufa com uma determinada extensão com uma chaminé no seu centro e o seu funcionamento baseia-se no aquecimento do ar que circula por baixo da estufa, sendo expelido pela chaminé. Nesta tese é abordado o tema da torre solar e os princípios físicos inerentes ao seu funcionamento. Foi estudado e descrito o método de cálculo de diversos parâmetros e resultados associados ao funcionamento da torre solar. Elaborou-se uma folha de cálculo para obtenção dos valores de simulações de torres com diversas dimensões, tecendo-se conclusões quanto aos resultados e às variações dos mesmos, consoante as alterações de dimensão dos elementos que a constituem. Foram descritos os vários elementos que constituem uma torre solar, bem como as suas características e tipologias. Efectuou-se um estudo com aplicação a um caso real, para se tecer algumas conclusões e comentários relativamente à viabilidade de uma torre solar para a situação em causa. Por fim, com base em todo o trabalho desenvolvido e abordado, foi possível tecer-se algumas conclusões quanto à viabilidade das torres solares.

Análise estrutural e previsão do preço da energia eléctrica no MIBEL

Com o passar dos anos tem-se verificado uma reforma ao nível do sector eléctrico em muitas economias do mundo, o que aparenta apontar para um estabelecimento de mercados de energia eléctrica que favorecem o funcionamento competitivo das actividades de produção e comercialização. Foi seguindo esta tendência que surgiu o Mercado Ibérico de Electricidade. O presente trabalho de dissertação tem como propósito realizar uma análise estrutural do preço da energia eléctrica e desenvolver um modelo que permita realizar uma previsão diária, de esse mesmo preço. Numa fase inicial, através de um conjunto de métodos de análise quantitativos, pretende-se estudar o preço da energia eléctrica no Mercado Ibérico de Electricidade. Os métodos usados consistem na análise da correlação, análise de causalidade e análise em componentes principais. Com estes métodos, procura-se identificar quais as variáveis que provocam um maior impacto na definição do preço de mercado de energia eléctrica no Mercado Ibérico de Electricidade e identificar possíveis alterações de carácter estrutural. Numa fase posterior, tem-se como objectivo desenvolver um modelo que permita a previsão diária do preço da energia eléctrica. Existindo diversas técnicas para realizar a previsão do preço, optou-se, no presente trabalho, por usar os modelos função de transferência. Este é um método bastante abordado na realização de previsões do preço da energia eléctrica, a partir do qual se tem alcançado bons resultados (Conejo et al, 2004 e Nogales e Conejo, 2005). Verificou-se que, efectivamente, existiram alterações estruturais no preço da energia eléctrica. Numa fase inicial, este apresentava-se mais dependente com os preços dos combustíveis relacionados com a produção de energia eléctrica e, posteriormente, com os valores de produção de energia eléctrica. Relativamente à previsão, através do método utilizado para a realização da mesma, obtiveram-se bons resultados utilizando os valores de produção em regime especial e os valores de consumo de energia.

Estratégias de comercialização de energia para negociação bilateral em mercados de energia eléctrica multi-agente

As recentes e crescentes modificações no sector eléctrico, tanto nacional como mundial, tornam actualmente os mercados de electricidade um caso de estudo singular e interessante. De facto, o desenvolvimento de ferramentas de análise que permitem avaliar a evolução dos comportamentos que estes mercados adoptam face à dinâmica das suas constantes transformações é, à partida, uma mais valia para as suas principais entidades. Muitas vezes os negociadores deste sector ficam satisfeitos com o resultado final. Contudo, se investigarmos mais minuciosamente, dinheiro e recursos são desperdiçados e potenciais ganhos permanecem por descobrir. Uma negociação automática, que utilize agentes computacionais autónomos, promete um elevado nível de eficiência e acordos de maior qualidade. Muitos modelos de mercado actuais são simulados através de ferramentas computacionais, algumas das quais baseadas em tecnologia multi-agente. Esta dissertação apresenta um simulador que permite ajudar a resolver vários problemas inerentes à contratação bilateral de energia. O simulador envolve dois agentes do mercado de retalho, um comprador e um vendedor de energia eléctrica, e suporta a negociação bilateral multidimensional. Cada agente tem no seu portefólio um conjunto de opções que modelam o seu comportamento individual. A essas opções dá-se o nome de estratégias de negociação. O simulador é composto por estratégias de concessão e imitativas. As estratégias de concessão ditam a velocidade de cedência que cada agente terá, enquanto que as estratégias imitativas têm em conta o comportamento passado do oponente, antes da formulação de uma nova oferta. A validação experimental do simulador foi efectuada através da realização de uma experiência computacional. O método experimental consistiu na experimentação controlada. A experiência teve como principal objectivo validar as estratégias através da verificação, em computador, de um conjunto de hipóteses formuladas através de diversas observações e conclusões da negociação real. Os resultados confirmaram as hipóteses, permitindo concluir que a estratégia de concessão baseada no volume de energia conduz a um melhor benefício para ambos os negociadores, enquanto que a estratégia de concessão baseada na prioridade dos itens conduz à troca de um maior número de propostas negociais.

Negociação bilateral em mercados de energia eléctrica multi-agente com participação activa dos consumidores

Nos últimos anos, o sector elétrico tem sofrido profundas alterações decorrentes do processo de reestruturação. Como consequência, surgiram diferentes estruturas de mercado, tais como em bolsa, contratos bilaterais e mistos, tendo como objectivo o aumento da competitividade. Nos mercados competitivos, os consumidores de electricidade podem escolher livremente os seus fornecedores de energia, em função de possíveis vantagens económicas e da qualidade do serviço. A comercialização de electricidade pode ser realizada em mercados organizados ou através de contratação bilateral entre comercializadores e consumidores. Actualmente, existem várias ferramentas de simulação baseadas em técnicas multiagente que permitem modelar, parcialmente ou na totalidade, os mercados de electricidade, possibilitando simulações de negociação de preços e volumes através de contratos bilaterais, transacções em bolsas de energia, etc. No entanto, estas ferramentas apresentam algumas limitações devido à complexidade dos sistemas elétricos. Neste contexto, esta dissertação tem como principal objectivo desenvolver um simulador de contratos bilaterais em mercados de energia elétrica, baseado na tecnologia multi-agente. O simulador inclui dois tipos de entidades: retalhistas e consumidores de electricidade com diferentes perfis de carga. Além disso, é composto por várias estratégias de negociação, que têm como objectivo maximizar o benefício dos agentes retalhistas e minimizar o custo dos consumidores finais de electricidade. Uma das estratégias, referente ao consumidor, é direccionada para a eficiência no consumo, sendo baseada na conhecida técnica de Participação Activa dos Consumidores (ou Demand Response). O teste do simulador foi efectuado através da resolução de dois casos práticos, baseados em dados do MIBEL. De forma sucinta, os resultados obtidos com as estratégias permitem concluir que os intervenientes no mercado apresentam um comportamento esperado na gestão de preços e volumes de energia, constatando-se que a ferramenta desenvolvida constitui um auxiliar importante à tomada de decisão inerente à negociação bilateral em mercados de electricidade.

O papel da geração hídrica reversível na integração da energia eólica em ambiente de mercado

A geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, tal como as centrais eólicas, apresenta diferente disponibilidade ao longo do tempo. Por esse motivo, a crescente integração da energia eólica no sistema elétrico levanta questões operacionais importantes, tal como o equilíbrio entre a potência da geração e a potência do consumo, podendo em certos períodos, ocorrer fenómenos de excesso de geração. Atualmente, as centrais hídricas reversíveis (CHR) têm sido vistas como uma solução para absorver esse excesso de geração, evitando-se assim, a necessidade de corte da geração eólica. Num contexto de mercado liberalizado, considerando-se que as CHR são tomadoras de preço, nos períodos de baixo consumo e elevada disponibilidade de vento, o baixo preço da energia elétrica dará incentivo para as CHR realizem bombagem, promovendo a integração da energia eólica. No entanto, se uma CHR apresentar poder de mercado, a sua estratégia de maximização do lucro pode levar a um perfil de bombagem e geração diferente, desviando-se do objetivo de maximizar a integração da energia eólica. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo estudar a influência do poder de mercado na operação de uma CHR inserida no mercado diário do mercado ibérico de eletricidade (MIBEL). Para tal, é desenvolvido um modelo de despacho em ambiente de mercado, sendo o poder de mercado da CHR modelado através de uma curva de procura residual inversa com elasticidade variável. Os resultados obtidos evidenciam que o aumento do poder de mercado da CHR corresponde a uma diminuição do nível de energia armazenada e, portanto, a capacidade de integrar energia eólica pode ser consideravelmente reduzida. No entanto, quando a CHR pertence a uma empresa de geração que para além desta, possui também uma central de tecnologia diferente, tal como uma central térmica ou eólica, o seu comportamento pode inverter-se.

Previsão das estratégias competitivas dos produtores de energia eléctrica no MIBEL

O Mercado Ibérico de Electricidade (MIBEL) surge na perspectiva de integração e cooperação dos sectores eléctricos português e espanhol, em resposta ao incentivo da União Europeia (UE) na criação de mercados regionais de electricidade, considerando um posterior alargamento para um mercado europeu de energia. A presente dissertação incide no estudo da previsão horária das estratégias competitivas dos agentes produtores de energia eléctrica no MIBEL, sendo abordado um horizonte de previsão de 5 dias úteis. A variável em estudo trata-se da variação conjectural referente ao próprio MIBEL, a qual estima o grau de competitividade dos agentes do lado da oferta no mercado diário. A metodologia utilizada para previsão passou pela análise de sucessões cronológicas, aplicando modelos ARIMA e modelos de alisamento exponencial. Uma análise breve da previsão do preço horário de energia eléctrica no mercado diário do MIBEL foi também realizada, sendo efectuada a comparação entre a previsão obtida pela análise de sucessões cronológicas e o cálculo do valor de preço previsto com recurso aos dados de variação conjectural previstos. Os resultados alcançados revelam que os modelos estimados que melhor se adequam à previsão horária da variação conjectural referente ao MIBEL, corresponderam maioritariamente ao tipo ARIMA sazonal com sazonalidade diária, seguido de modelos do tipo ARIMA não sazonal. Foi observado ainda, que os modelos seleccionados foram estimados maioritariamente com recurso a uma sucessão cronológica de 5 dias úteis. Por fim, ambas as abordagens utilizadas para realizar a previsão horária do preço de energia eléctrica apresentaram em média, erros médios absolutos para a previsão de 1 e 5 dias úteis iguais entre si.

Desenvolvimento de algoritmos para a determinação da máxima injeção nodal em redes de energia elétrica

A presente dissertação apresenta um conjunto de algoritmos, cujo objetivo é a determinação da capacidade máxima de energia que é possível integrar numa rede de energia elétrica, seja num único nó ou em vários nós simultaneamente. Deste modo, obtém-se uma indicação dos locais mais adequados à nova instalação de geração e quais os reforços de rede necessários, de forma a permitirem a alocação da nova energia. Foram estudados e identificados os fatores que influenciam o valor da capacidade máxima nodal, assim como as suas consequências no funcionamento da rede, em particular o carácter simultâneo associado às referidas injeções nodais. Nesse sentido, são apresentados e desenvolvidos algoritmos que têm em consideração as características técnicas da geração a ligar e as restrições físicas impostas pela rede elétrica existente. Os algoritmos desenvolvidos apresentados baseiam-se em busca gaussiana, tendo sido igualmente implementada uma heurística que tem em consideração a proximidade de outras injeções em nós adjacentes e finalmente, dada a natureza combinatória do problema, propõe-se a aplicação de algoritmos genéticos especificamente adaptados ao problema Conclui-se que os algoritmos genéticos encerram características que lhes permitem ser aplicados em qualquer topologia com resultados superiores a todos os algoritmos desenvolvidos. Os métodos apresentados foram desenvolvidos e implementados usando a linguagem de programação Python, tendo-se desenvolvido ainda um interface visual ao utilizador, baseado em wxPython, onde estão implementadas diversas ferramentas que possibilitam a execução dos algoritmos, a configuração dos seus parâmetros e ainda o acesso à informação resultante dos algoritmos em formato Excel.

Operação e planeamento de redes de energia eléctrica com recurso ao trânsito optimizado de energia

Esta dissertação tem como objectivo explorar as potencialidades de aplicação do trânsito optimizado de energia (Optimal Power Flow - OPF), no contexto da operação e planeamento de redes de energia eléctrica. Para o efeito, são ilustradas diferentes funções objectivo, nomeadamente, a minimização: dos custos de combustível, da potência activa de perdas, da potência reactiva de perdas, do ajuste de carga, do ajuste da reactância das linhas e da inserção das reactâncias shunt e/ou baterias de condensadores. São ainda propostas duas abordagens, que recorrem ao OPF, para efectuar a resolução do problema da compensação do factor de potência, em redes de distribuição de energia eléctrica. Em cada abordagem, são inseridas baterias de condensadores comutáveis na rede, com o objectivo de conduzir a uma redução dos custos de geração de energia eléctrica. Na primeira abordagem, dimensionam-se as baterias de condensadores para o nível de carga mais elevado, enquanto na segunda abordagem proposta, o valor e localização dos condensadores, tem em conta o conjunto dos níveis de carga considerados para o qual se pretende efectuar o dimensionamento. As duas abordagens apresentam resultados distintos para a potência reactiva das baterias de condensadores adicionadas em cada barramento, bem como para a selecção dos escalões, que devem estar em funcionamento em diferentes níveis de carga. De forma a avaliar a qualidade das soluções efectua-se, uma avaliação técnico-económica para diferentes níveis admissíveis de compensação do factor de potência, tendo em conta cenários de carga considerados na óptica do planeamento. É proposta uma metodologia, com o objectivo de obter a solução do problema em função dos seguintes factores: orçamento disponível, nível de perdas considerado satisfatório, VAL e tan das cargas da rede. As abordagens propostas são aplicadas à rede de distribuição de energia eléctrica de São Vicente. São ainda efectuadas sensibilidades em relação à natureza da carga, mediante a variação da sua tan . Verifica-se que os resultados obtidos são robustos e que a segunda abordagem é mais vantajosa.

Viabilidade económica da implementação de um reactor nuclear para a produção de energia eléctrica em Portugal

O presente trabalho tem como objectivo avaliar economicamente e determinar a viabilidade da implementação de um reactor nuclear para produção de energia eléctrica. Faz-se uma abordagem a aspectos da energia nuclear no mundo e em particular a energia nuclear na união europeia, faz-se uma análise sobre a estrutura do sector nuclear em Espanha e o futuro da energia no mundo. É realizada uma análise sobre a energia nuclear em Portugal, são abordados aspectos como o planeamento energético, a localização da central nuclear, os recursos nacionais e internacionais, a inspecção e regulação nuclear e o impacto industrial. Por fim, faz-se uma análise sobre o mix energético português. Faz-se uma descrição do ciclo de combustível, isto é, um estudo a todas as fases pela qual o combustível nuclear passa desde a sua extracção, passando pela produção de energia e processamento dos resíduos. São descritos os principais componentes de uma central nuclear e o seu princípio de funcionamento. São analisados em detalhe os principais componentes de um reactor PWR (Objecto de estudo deste trabalho) e faz-se uma breve descrição de alguns modelos de reactores nucleares. É feita uma breve abordagem aos principais acidentes nucleares que ocorreram, e descrita a escala de ocorrências nucleares e as várias fases de desmantelamento de uma central. São apresentados os principais custos da central nuclear. Também é apresentado um estudo de viabilidade económica analisando três cenários diferentes e é apresentada uma análise de sensibilidade do VAL em função de algumas variáveis que têm grande influência na avaliação económica. São apresentadas as principais conclusões.

O presente e o futuro da tecnologia IGCC na produção de energia

A geração de electricidade com recurso a carvão dispõe, na combinação de tecnologias de gasificação de carvão com turbinas a gás avançadas, de uma solução tecnológica bastante eficiente e flexível, constituindo o que se designa por uma Central de Ciclo Combinado com Gasificação Integrada (IGCC). As Centrais IGCC cumprem os requisitos ambientais com baixas emissões atmosféricas poluentes, para além de terem capacidade para integrar directamente tecnologia de Captura e Sequestro de CO2 (CCS). Para além da geração de electricidade, estas unidades podem ser optimizadas para a co-produção de combustíveis sintéticos, tais como o hidrogénio, gás natural sintético (SNG ou metano), outros produtos combustíveis sintéticos por via do processo Fischer-Tropsch, e ainda outros químicos, tais como amónia, ureia, enxofre elementar e ácido sulfúrico, resultando num aumento considerável do factor de utilização do conversor de energia primária. Finalmente, o dióxido de carbono pode ainda ser separado como subproduto de valor comercial, para ser utilizado, por exemplo, em aplicações de exploração incrementada de petróleo (EOR, Enhanced Oil Recovery). Descreve-se neste trabalho o estado do conhecimento actual relativamente a este tema, com base nas tecnologias existentes, a viabilidade técnica e económica, bem como os desafios futuros a vencer desta tecnologia como alternativa para a produção de energia com recurso a carvão, permitindo minimizar o impacte ambiental.

Avaliação económica de um investimento em geração de energia das ondas e energia solar térmica

O presente trabalho tem como objectivo efectuar a avaliação económica e determinar a viabilidade com e sem os incentivos fiscais de duas tecnologias de conversão de duas fontes distinta e emergentes de energia renovável, o Concentrador Cilindro-parabólico e a Torre Solar para a energia solar termoeléctrica e a Coluna de Água Oscilante e o Pelamis para a energia das ondas. Realiza-se uma curta abordagem à energia Solar e à energia dos Oceanos, e às tecnologias existentes para estes tipos de energia renovável. Apresenta-se um estudo do potencial em Portugal e no Mindo, das tecnologias abordadas neste trabalho. É desenvolvido o modelo de conversão de energia para as centrais solares termoeléctricas e utilizado o modelo de superfície de potência para as centrais de energia das ondas adaptado de António Falcão. As centrais são modeladas por meio de uma folha de cálculo, onde é calculada a energia produzida em Mértola e São Pedro de Moel (energia solar termoeléctrica e das ondas respectivamente) consoante o recurso do local. É feita a avaliação económica para quatro cenários designados como optimista, base, pessimista e base sem aplicação da tarifa bonificada, e é realizada uma análise de sensibilidade do VAL a diversas variáveis. Conclui-se sobre a viabilidade dos vários cenários e sobre possíveis alterações à tarifa binificada en consequência dos resultados obtidos. Segundo os pressupostos deste trabalho concluíu-se que a tarifa bonificada é demasiado elevada para os projectos em energia solar de concentração e demasiado baixa para projectos em energia das ondas.

Prensa electromagnética com recuperação de energia para corte e moldagem de chapas e tubos de AL

Foi desenvolvido um conversor de potência e atuador mecânico para a moldagem e corte, por ação de pressão magnética, de chapas e tubos de Al, com uma energia máxima de descarga de 10kJ. O conversor é composto por duas malhas de descarga em paralelo e duas malhas de recuperação de energia. O circuito é capaz de gerar uma corrente de pico de 50kA com uma taxa de variação máxima de 2kA/s através de um atuador, recuperar até 32% da sua energia inicial e diminuir o tempo de carga dos bancos de condensadores no mesmo valor, reduzindo assim a potência da fonte de alimentação primária Foram construídos vários atuadores de forma a otimizar o processo, considerando as várias funções pretendidas, como a deformação ou corte de chapas e compressão de tubos. O circuito elétrico aproximado desenvolvido em Matlab/Simulink foi validado, considerando apenas o funcionamento da malha primária sem o atuador e a dinâmica associada, sendo capaz de simular as respostas do sistema para várias situações específicas, tornando-se numa ferramenta para otimização do mesmo. Experimentalmente, os resultados obtidos provam ser possível cortar chapas Al de 0,5 e 0,8mm, com apenas 13% da energia total do circuito, e comprimir tubos de Al com 2mm de espessura e 50mm de diâmetro com apenas 2,4kJ. A topologia do circuito e a construção da máquina tiveram em conta vários aspetos que melhoram a proteção de pessoas e equipamentos e devida à sua configuração este é capaz de suportar variações de capacidade nos bancos de condensadores e variações de indutância nas bobinas de recuperação de energia sem se danificar.

Estudo hidráulico em modelo reduzido de descarregadores de cheias: utilização de conchas de rolo na dissipação de energia do escoamento

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Hidráulica

Central de produção de energia eléctrica a partir de energia solar térmica

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Rentabilidade e risco na comercialização agregada de energia elétrica

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica na Área de Especialização de Energia