Autoconsumo fotovoltaico, um elemento de eficiência energética. Caso de estudo: ISEP

Mestrado em Energias Sustentáveis

Avaliação da gestão da segurança do processo na central de ciclo combinado da Tapada do Outeiro e propostas de melhoria

A Gestão da Segurança do Processo consiste na implementação de procedimentos para controlar os perigos resultantes de fabrico, manuseamento e utilização de substâncias perigosas e da utilização de sistemas sob pressão em instalações industriais, pelo que se torna numa ferramenta de Gestão muito importante na indústria. Pela pesquisa realizada, a Gestão da Segurança do Processo é um tema pouco desenvolvido no nosso país, embora esteja diretamente relacionada com a Diretivas Seveso. Como colaborador da Central de Ciclo Combinado da Tapada do Outeiro, propus-me a avaliar a Gestão da Segurança do Processo na Central. A Direção da Central apoiou o tema, reservando a confidencialidade do trabalho final devido a assuntos sensíveis do negócio. Como resultado final do Projeto temos a avaliação da Gestão da Segurança do Processo na Central de Ciclo Combinado da Tapada do Outeiro, permitindo à gestão da Central identificar oportunidades para melhorar a efetividade do cumprimento deste objetivo.

Estudo e Coordenação das Principais Protecções Eléctricas de Geradores e Transformadores de uma Central de Cogeração

O Sector eléctrico possui uma grande importância nas sociedades modernas. Dados os elevados custos de produção de energia e o grande impacto que esta tem na nossa economia e na sociedade, em geral, a utilização mais eficiente da energia é um factor fulcral. Com a evolução da electrónica e consequente aumento das capacidades dos computadores, as protecções eléctricas são cada vez mais eficazes e com índices de fiabilidade mais elevados, algo muito importante em instalações de elevado custo de investimento e manutenção. No entanto, o seu bom funcionamento está dependente do correcto dimensionamento das protecções e de uma análise técnica capaz de prever necessidades futuras. Após uma breve introdução no capítulo 1 é efectuado no capítulo 2 um breve estudo de protecções eléctricas e o seu estado de arte. Nos Capítulos 3 e 4 é efectuado o dimensionamento e estudo da selectividade das protecções de grupo de Alternador e Transformador escolhidos para a nova central de cogeração da refinaria de Matosinhos da Galp. No presente estudo foram apenas consideradas as protecções típicas de alternador e apenas a protecção diferencial do transformador. Todas as protecções foram dimensionadas com base no tutorial de protecções de geradores do IEE e com informação referente ao manual de instruções do relé G60 da GE industrial systems, o DTP-B da GE multilin e o ELIN Power Plant Automation. No Capítulo 5 é demonstrada a importância da análise Safety Instruments Systems (SIS), o seu modo de aplicação e necessidade de implementação em locais industriais como o caso em estudo. Por último, é efectuado um pequeno estudo económico onde é efectuada a comparação dos custos dos diversos equipamentos, protecções e manutenções efectuadas.

Modelos de previsão de produção para centrais mini-hídricas

O constante crescimento dos produtores em regime especial aliado à descentralização dos pontos injetores na rede, tem permitido uma redução da importação de energia mas também tem acarretado maiores problemas para a gestão da rede. Estes problemas estão relacionados com o facto da produção estar dependente das condições climatéricas, como é o caso dos produtores eólicos, hídricos e solares. A previsão da energia produzida em função da previsão das condições climatéricas tem sido alvo de atenção por parte da comunidade empresarial do setor, pelo facto de existir modelos razoáveis para a previsão das condições climatéricas a curto prazo, e até a longo prazo. Este trabalho trata, em concreto, do problema da previsão de produção em centrais mini-hídricas, apresentando duas propostas para essa previsão. Em ambas as propostas efetua-se inicialmente a previsão do caudal que chega à central, sendo esta depois convertida em potência que é injetada na rede. Para a previsão do caudal utilizaram-se dois métodos estatísticos: o método Holt-Winters e os modelos ARMAX. Os dois modelos de previsão propostos consideram um horizonte temporal de uma semana, com discretização horária, para uma central no norte de Portugal, designadamente a central de Penide. O trabalho também contempla um pequeno estudo da bibliografia existente tanto para a previsão da produção como de afluências de centrais hidroelétricas. Aborda, ainda, conceitos relacionados com as mini-hídricas e apresenta uma caraterização do parque de centrais mini-hídricas em Portugal.

Auditoria energética às unidades de cogeração e central térmica

A tese de mestrado teve como objetivo o estudo e análise do funcionamento das centrais de cogeração e térmica da fábrica da Unicer em Leça do Balio, com o intuito de melhorar a sua eficiência, propondo alterações processuais. O trabalho realizado consistiu no reconhecimento das instalações, seguido da formulação e resolução dos balanços de energia globais. Com o acompanhamento diário do funcionamento foi possível propor melhorias sem custos que se revelaram muito benéficas, registando-se um aumento nas recuperações térmicas e por consequência no Rendimento Elétrico Equivalente (R.E.E.), na eficiência da instalação da cogeração e da central térmica. Na cogeração registou-se um aumento de 36,2% na potência recuperada em água quente, aproximadamente 600 kW, sendo já superior à prevista pelo projeto. Na caldeira recuperativa registou-se um ligeiro aumento de 4,0% na potência recuperada. Deste modo o rendimento térmico da central aumentou 6,4%, atingindo os 40,8% e superando os 40,4% projetados. O rendimento global final foi de 83,1% o que representa um aumento de 6,3%. O R.E.E. em Maio de 2014 foi de 76,3%, superior ao valor em Junho de 2013 em 8,7%. Tendo como referência o valor alvo de 70,5% para o R.E.E. apontado no início do estágio, nos últimos 8 meses o seu valor tem sido sempre superior e em crescimento. Existe ainda a possibilidade de aproveitar a energia térmica de baixa temperatura que está a ser dissipada numa torre de arrefecimento, no mínimo 40 kW, num investimento com um período de retorno de investimento máximo de 8,1 meses. Na central térmica registou-se um aumento do rendimento para a mesma quantidade de energia produzida na central, pois esta é a principal variável do processo. Em 2014 a produção de energia apresentou um valor inferior a 2013, 6,9%, e a eficiência registou um acréscimo de 2,0%. A incorporação de biogás na alimentação de combustível à caldeira bifuel não pareceu comprometer significativamente a eficiência da central térmica, pelo que a sua utilização é benéfica. Com o aumento das recuperações térmicas na central de cogeração foram estimadas poupanças de gás natural equivalentes a 3,3 GWh, o que significa 120.680€ economizados nos últimos 11 meses do trabalho. É esperado uma poupança de 18.000€ mensais com a melhoria do funcionamento obtida nas duas centrais.

Valorização energética do biogás de um aterro de resíduos sólidos urbanos

Actualmente, a sociedade depara-se com um enorme desafio: a gestão dos resíduos sólidos urbanos. A sua produção tem vindo a aumentar devido à intensificação das actividades humanas nas últimas décadas. A criação de um sistema de gestão dos resíduos é fundamental para definir prioridades nas acções e metas para que haja uma prevenção na produção de resíduos. Os resíduos sólidos urbanos quando dispostos de forma inadequada podem provocar graves impactos ambientais, tendo sido neste trabalho demonstrado que através de uma gestão eficiente destes é possível aproveitar o potencial energético do biogás e consequentemente diminuir o consumo de combustíveis fósseis reduzindo o impacto ambiental. Os aterros sanitários devem funcionar como a ultima etapa do sistema de tratamento dos resíduos sólidos urbanos e são uma alternativa a ter em conta se forem tomadas todas as medidas necessárias. Estima-se que os aterros sejam responsáveis pela produção de 6-20% do metano existente e que contribuam com 3-4% da produção anual de gases efeito de estufa provenientes de actividades antropogénicas1. É, portanto, fundamental proceder a uma impermeabilização do solo e à criação de condições para recolha do biogás produzido durante a decomposição dos resíduos. Foi estimada a produção de biogás, de acordo com o modelo “LandGEM”, no entanto comparando esta produção com a produção medida pelo explorador, constatou-se uma diferença significativa que pode ser justificada pelo: modo de funcionamento do aterro (longos períodos de paragem); desvio dos resíduos rapidamente biodegradáveis para valorização; a existência de uma percentagem superior ao normal de oxigénio no biogás; a utilização de escórias e cinzas, e a correspondente redução da humidade devido ao compactamento exercido sobre os resíduos durante a sua deposição. Visto tratar-se de um estudo de viabilidade económica da valorização do biogás, foram propostos três cenários para a valorização do biogás. O 1º cenário contempla a instalação de um sistema gerador de energia para comercialização junto da Rede Eléctrica Nacional. O 2º Cenário contempla a instalação de um sistema alternativo de alimentação à caldeira da central de valorização energética de forma a substituir o combustível utilizado actualmente. E o 3º Cenário vem de encontro com os resultados observados actualmente onde se verifica uma reduzida produção/recolha de biogás no aterro. Assim é proposto um sistema gerador de energia que garanta o auto-consumo da exploração do aterro (26 MWh/ano). Qualquer um dos cenários apresenta uma VAL negativa o que leva a concluir que não são viáveis. No entanto, através da análise de sensibilidade, verificamos que estes são claramente afectados por factores como o benefício e o investimento anual, concluindo-se que com alterações nos factores de cálculo, como por exemplo, um aumento no consumo de combustível auxiliar da caldeira (2º cenário), ou com um aumento da factura eléctrica (3º cenário), ou com o aumento do tempo de retorno do investimento inicial(1º cenário), os projectos podem-se tornar viáveis. Por fim importa referir que independentemente da valorização é fundamental continuar a eliminar a máxima quantidade de metano produzida para tentar diminuir o impacto que este tem sobre o ambiente.

Maximização da valorização energética em aterros sanitários recorrendo a equipamentos baseados no Ciclo Orgânico de Rankine (ORC)

Atualmente, os aterros sanitários representam uma solução para a gestão e tratamento dos resíduos sólidos urbanos. Da deposição, ocorrem duas formas de emissões ao longo do tempo, a produção de biogás e de lixiviados, que resultam sobretudo da decomposição da matéria orgânica. Um dos principais constituintes do biogás é o metano, o qual tem elevado poder calorífico. O presente trabalho aborda, a maximização da valorização energética em aterros sanitários, recorrendo a equipamentos baseados no Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) para a produção de eletricidade. É apresentado como caso de estudo a central de valorização energética da Suldouro, em Sermonde, que produz eletricidade a partir do biogás resultante da decomposição da matéria orgânica depositada em aterro. O biogás é utilizado como combustível para os motogeradores utilizados para o seu aproveitamento energético, sendo que apenas cerca de 40% do potencial energético contido no biogás é transformado em eletricidade, registando-se perdas sobretudo nas emissões dos gases de exaustão e na água de arrefecimento dos motores. Para avaliação do potencial da recuperação energética dos gases de escape é avaliado o desempenho termodinâmico do ciclo ORC. Para tal foi desenvolvida uma ferramenta em MATLAB utilizando como modelo a configuração do ORC com recuperador de calor. O cálculo das propriedades termodinâmicas dos fluidos foi obtido através da criação de uma sub-rotina que chama o programa CoolProp. Este programa restitui propriedades como a entalpia, entropia, pressões e temperaturas em cada ponto do ciclo, permitindo assim ao utilizador otimizar o tempo na obtenção de resultados. A avaliação económica é fundamental na tomada de decisões por parte do investidor e dos financiadores do projeto. É então apresentada a análise económica e efetuada uma análise de sensibilidade, onde foram efetuadas variações nos vetores mais importantes de forma a poder avaliar-se o impacto em termos da sua rentabilidade. A ferramenta desenvolvida permite obter de forma prática, os três indicadores económicos extremamente influentes no que se refere à tomada de decisão. A utilização dos sistemas ORC e os seus benefícios não se esgotam na maximização dos aproveitamentos da valorização energética em aterros sanitários. Também a recuperação de calor para a produção de energia elétrica pode ter um impacto importante em muitos setores intensivos de energia, contribuindo significativamente para a redução do consumo e aumentando a eficiência de todo o processo de produção.

Modelling the Contribution of 40K, 232Th and 226Ra to Radiation Dose and Risk from Airborne Discharges of Coal-Fired Power Plants

Coal contains trace elements and naturally occurring radionuclides such as 40K, 232Th, 238U. When coal is burned, minerals, including most of the radionuclides, do not burn and concentrate in the ash several times in comparison with their content in coal. Usually, a small fraction of the fly ash produced (2-5%) is released into the atmosphere. The activities released depend on many factors (concentration in coal, ash content and inorganic matter of the coal, combustion temperature, ratio between bottom and fly ash, filtering system). Therefore, marked differences should be expected between the by-products produced and the amount of activity discharged (per unit of energy produced) from different coal-fired power plants. In fact, the effects of these releases on the environment due to ground deposition have been received some attention but the results from these studies are not unanimous and cannot be understood as a generic conclusion for all coal-fired power plants. In this study, the dispersion modelling of natural radionuclides was carried out to assess the impact of continuous atmospheric releases from a selected coal plant. The natural radioactivity of the coal and the fly ash were measured and the dispersion was modelled by a Gaussian plume estimating the activity concentration at different heights up to a distance of 20 km in several wind directions. External and internal doses (inhalation and ingestion) and the resulting risk were calculated for the population living within 20 km from the coal plant. In average, the effective dose is lower than the ICRP’s limit and the risk is lower than the U.S. EPA’s limit. Therefore, in this situation, the considered exposure does not pose any risk. However, when considering the dispersion in the prevailing wind direction, these values are significant due to an increase of 232Th and 226Ra concentrations in 75% and 44%, respectively.

Simulação da Central de Cogeração da Refinaria de Matosinhos (Petrogal)

Mestrado em Engenharia Química – Ramo Optimização Energética na Indústria Química

A Multiple Criteria Utility-based Approa h for the Unit Commitment with Wind Power and Pumped Storage Hydro

The integration of wind power in eletricity generation brings new challenges to unit commitment due to the random nature of wind speed. For this particular optimisation problem, wind uncertainty has been handled in practice by means of conservative stochastic scenario-based optimisation models, or through additional operating reserve settings. However, generation companies may have different attitudes towards operating costs, load curtailment, or waste of wind energy, when considering the risk caused by wind power variability. Therefore, alternative and possibly more adequate approaches should be explored. This work is divided in two main parts. Firstly we survey the main formulations presented in the literature for the integration of wind power in the unit commitment problem (UCP) and present an alternative model for the wind-thermal unit commitment. We make use of the utility theory concepts to develop a multi-criteria stochastic model. The objectives considered are the minimisation of costs, load curtailment and waste of wind energy. Those are represented by individual utility functions and aggregated in a single additive utility function. This last function is adequately linearised leading to a mixed-integer linear program (MILP) model that can be tackled by general-purpose solvers in order to find the most preferred solution. In the second part we discuss the integration of pumped-storage hydro (PSH) units in the UCP with large wind penetration. Those units can provide extra flexibility by using wind energy to pump and store water in the form of potential energy that can be generated after during peak load periods. PSH units are added to the first model, yielding a MILP model with wind-hydro-thermal coordination. Results showed that the proposed methodology is able to reflect the risk profiles of decision makers for both models. By including PSH units, the results are significantly improved.

Análise da viabilidade económica da implementação de uma central de micro-cogeração no setor da agropecuária

O crescente aumento do consumo energético das sociedades desenvolvidas e emergentes, motivado pelo progresso económico e social, tem induzido a procura de alternativas focalizadas nas energias renováveis, que possam contribuir para assegurar o fornecimento de energia sem agravar o consumo de combustíveis fósseis e a emissão de gases com efeito de estufa. Nesse sentido, a produção de energia eléctrica a partir do gás metano resultante da estabilização anaeróbia de efluentes tem vindo a ser estudada e praticada desde finais do século XIX, tendo assumido maior expressão a partir dos anos 70 do século XX, na sequência das primeiras crises petrolíferas. As instalações agropecuárias reúnem dois fatores chave para o sucesso do aproveitamento energético do biogás produzido no tratamento dos efluentes: por um lado, produzem matéria-prima com potencial energético – dejeto animal com um potencial enorme de criação de biogás quando procedido de tratamento anaeróbio - e, por outro, necessitam de energia eléctrica para o funcionamento dos equipamentos electromecânicos e de calor para a manutenção das instalações. A valorização energética do biogás produzido na estabilização anaeróbia dos efluentes agro-pecuários, para além de permitir obter um retorno financeiro, que contribui para o equilíbrio dos custos de investimento e de exploração, contribui igualmente para a redução das emissões de gases com efeito de estufa, como o dióxido de carbono e o metano, e para a segurança de abastecimento energético à instalação, na medida em que assegura a alimentação de energia eléctrica em caso de falha no fornecimento pela rede nacional. A presente dissertação apresenta um contributo para estudos a desenvolver por proprietários de agropecuárias, cooperativas regionais do setor da agropecuária, empresas de projecto e estudantes de Engenharia, constituído por uma compilação da informação mais relevante associada à estabilização anaeróbia de efluentes e à valorização energética do biogás produzido. Com base em informação referente ao número real de animais existentes em Portugal, este trabalho pretende fazer ver a essas entidades que o aproveitamento energético do biogás é viável e útil para o país. Com a criação de uma aplicação informática de análise económica de investimento, provar que o investimento em pequenas propriedades, com apenas 80 cabeças normais, pode obter um retorno financeiro razoável, com um prazo de recuperação do investimento bastante baixo, aproveitando um recurso que caso contrário será desperdiçado e poluirá o ambiente.