Produção Fotovoltaica em Autoconsumo e Pequena Produção: Caso de Estudo do ISEP

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular de “Dissertação/Projeto/Estágio”, do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o crescente aumento do consumo energético a nível mundial, e consequente esgotamento dos recursos fósseis, surge a necessidade de procurar soluções alternativas para a produção de energia. As energias renováveis aparecem como uma solução sustentável na produção de eletricidade, pois a sua produção representa um menor custo. Este trabalho tem como principais objetivos o dimensionamento de uma central de produção fotovoltaica para o ISEP nos regimes de exploração em autoconsumo e pequena produção, tendo em conta o atual Decreto-Lei (DL) n.º 153/2014, e também a análise de viabilidade económica dessa mesma instalação. O sistema fotovoltaico usado no dimensionamento em autoconsumo e pequena produção foi realizado com recurso ao software PVsyst. Tendo em conta que os consumos do ISEP são bastante inferiores nos períodos de férias escolares e fins-de-semana, e também por haver uma limitação de área disponível para a colocação dos módulos fotovoltaicos, a melhor opção a adotar será um sistema fotovoltaico de 237 kWp, tanto para autoconsumo como para pequena produção. Outro objetivo é a realização de um estudo de viabilidade económica do sistema fotovoltaico dimensionado. Os resultados obtidos permitem então clarificar qual dos regimes de exploração é mais viável para o ISEP, sendo que esses resultados poderão servir de apoio a uma futura decisão, caso o ISEP decida instalar um sistema deste tipo.

Rede de Calor – Uma Solução a Biomassa para um Complexo de Hóteis

O recurso às energias renováveis é na actualidade um tema que atinge um grau de importância primordial face á crescente preocupação com o meio ambiente e o impacto negativo, que a produção de energia com base em combustíveis fósseis tem. Esta importância aliada a uma tendência cada vez maior para a criação de soluções de produção sustentável de energia, tem obrigado ao desenvolvimento desta vertente do sector energético e ao estudo e consequentemente implementação de soluções integradas que permitam uma economia competitiva. Os hotéis, sendo estabelecimentos comerciais que desenvolvem uma actividade que envolve, na generalidade, um nível de consumo energético considerável para garantir os seus serviços básicos de acomodação e lazer, tornam-se por excelência alvos primordiais no que concerne ao seu elevado potencial de poupança de energia. O ramo da hotelaria, dada a sua especificidade e a natureza dos edifícios que comporta, torna-os em excelentes candidatos para análise e optimização energética, e como tal um alvo de negócio para as empresas de comercialização de poupanças energéticas. As empresas dedicadas aos serviços de energia são conhecidas por ESCO (Energy Service Company ou Energy Savings Company). A sua actividade tem por base apresentar soluções de energia, nomeadamente a implementação de projectos de poupança energética que podem englobar produção, conservação e fornecimento de energia, bem como gestão de risco associada. O objectivo principal é apresentar soluções de optimização e eficiência energética levando á sua implementação em casos reais de exploração em edifícios ou sectores específicos, rentabilizando o investimento e partilhando o lucro dessa rentabilização com os clientes. No caso específico dos hotéis, mais concretamente um complexo de hotéis, como o estudado neste trabalho, esta análise pretende elaborar uma caracterização das necessidades energéticas do sector e apresentar um conjunto de soluções energéticas adequadas à realidade hoteleira. É também objecto de análise, toda a aproximação de um modelo de negócio energético a explorar por uma ESCO. O presente trabalho, realizado no âmbito da parceria entre a Gebio e a Confraria do Bom Jesus, tem por objectivo demonstrar as bases do contracto de performance entre uma empresa ESCO (Gebio – empresa concessionária do projecto) e um complexo de hotéis (constituído pelo Hotel do Lago, Hotel do Parque e Hotel do Templo), com vista a optimizar os consumos energéticos para a produção de energia térmica capaz de corresponder às necessidades do complexo. Foi desenvolvido um estudo completo das necessidades térmicas do complexo, com vista a projectar uma solução integrada de produção de energia térmica, com recurso a uma caldeira de biomassa, para os hotéis. Foi realizado um levantamento extensivo dos consumos e custos energético do complexo, nomeadamente para as águas quentes sanitárias. Desta análise obtiveram-se os custos reais do sistema e com os mesmos foi possível, numa primeira fase, elaborar os diversos projectos, hidráulico, eléctricos e civil, de forma a se definir a solução base e quais os orçamentos previstos para a instalação de um sistema de produção a biomassa, e numa segunda fase foi estudada a viabilidade da assinatura de um contracto de performance entre a ESCO e o complexo de hotéis.

Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Water jet based autonomous surface vehicle for coastal waters operations

This paper presents the design of low cost, small autonomous surface vehicle for missions in the coastal waters and specifically for the challenging surf zone. The main objective of the vehicle design described in this paper is to address both the capability of operation at sea in relative challenging conditions and maintain a very low set of operational requirements (ease of deployment). This vehicle provides a first step towards being able to perform general purpose missions (such as data gathering or patrolling) and to at least in a relatively short distances to be able to be used in rescue operations (with very low handling requirements) such as carrying support to humans on the water. The USV is based on a commercially available fiber glass hull, it uses a directional waterjet powered by an electrical brushless motor for propulsion, thus without any protruding propeller reducing danger in rescue operations. Its small dimensions (1.5 m length) and weight allow versatility and ease of deployment. The vehicle design is described in this paper both from a hardware and software point of view. A characterization of the vehicle in terms of energy consumption and performance is provided both from test tank and operational scenario tests. An example application in search and rescue is also presented and discussed with the integration of this vehicle in the European ICARUS (7th framework) research project addressing the development and integration of robotic tools for large scale search and rescue operations.

Energy-aware Task Allocation onto Unrelated Heterogeneous Multicore Platform for Mixed Criticality Systems

Presented at Work in Progress Session, IEEE Real-Time Systems Symposium (RTSS 2015). 1 to 4, Dec, 2015. San Antonio, U.S.A..

Energy-efficient MAC protocols for WBANs: Opportunities and challenges

Wireless body area networks (WBANs) are expected to play a significant role in smart healthcare systems. One of the most important attributes of WBANs is to increase network lifetime by introducing novel and low-power techniques on the energy-constrained sensor nodes. Medium access control (MAC) protocols play a significant role in determining the energy consumption in WBANs. Existing MAC protocols are unable to accommodate communication requirements in WBANs. There is a need to develop novel, scalable and reliable MAC protocols that must be able to address all these requirements in a reliable manner. In this special issue, we attracted high quality research and review papers on the recent advances in MAC protocols for WBANs.

A eficiência energética nas redes de telecomunicações e tecnologias de informação e comunicação

A presente tese pretende fazer uma abordagem ao crescimento dos consumos de energia elétrica, que se tem verificado, nos últimos anos, no setor das telecomunicações e das tecnologias de informação; devido ao constante crescimento das redes, dos equipamentos a ela ligados e do tráfego que nelas transita. Num contexto de globalização da economia, no qual, as redes de telecomunicações e de energia elétrica são dois dos maiores contribuintes, a presente tese procura encontrar enquadramentos e soluções para um dos maiores desafios que a humanidade enfrenta atualmente, e que em parte, é consequente dessa globalização: encontrar novas fontes e formas de utilização da energia, -particularmente da energia elétrica - para que a humanidade continue a usufruir, de uma forma sustentável, dos benefícios que a mesma proporciona. Na primeira parte, procura-se fazer uma abordagem que utiliza fontes de informação e conhecimento, do mercado global, nomeadamente, entidades reguladoras e normalizadoras, operadores, fornecedores de tecnologias e consumidores, que abrangessem os três maiores mercados mundiais – União Europeia, Estados Unidos da América e Ásia-Pacífico. Considerou-se fundamental fazê-lo, por se tratar de uma dissertação no âmbito de um Mestrado com o selo de garantia EUR-ACE. Ao longo da dissertação analisou-se a temática da eficiência energética nas redes de telecomunicações e das tecnologias de informação e comunicação, um tema cada vez mais pertinente, já que o número de pessoas com ligações à Internet, já supera os 3 mil milhões, e as redes passaram a ser o meio por onde são transmitidos, a cada segundo, terabytes de sinais de voz, dados e vídeo. Procurou-se encontrar as linhas de orientação que estão a ser traçadas, para otimizar os consumos energéticos, de um complexo sistema convergente de redes e serviços, formado por entidades reguladoras e normalizadoras, operadores, fornecedores de tecnologias e consumidores, onde nem sempre as fronteiras estão perfeitamente definidas. Perante a constatação da realidade exposta, analisou-se as políticas energéticas desenvolvidas nos últimos anos, pelos vários players do mercado das telecomunicações, das tecnologias de informação e dos sistemas elétricos de energia bem como algumas métricas e objetivos comumente aceites. viii São analisados os contributos das partes interessadas, para o desenvolvimento de políticas energéticas eficazes, por forma a permitirem uma implementação, que considere o funcionamento dos equipamentos como um todo, e não de uma forma isolada como tradicionalmente o assunto era abordado. As especificidades na forma como funcionam as redes de telecomunicações e respetivos equipamentos, são expostas sobre várias óticas, comprovando-se que a temática da eficiência energética é uma das áreas mais difíceis lidar, de todas as consideradas nas políticas energéticas. Demonstrou-se que muitos dos equipamentos não estão otimizados em termos de gestão de energia, procurou-se evidenciar as consequências dessa realidade, uma vez que os equipamentos referidos, têm a necessidade de estar permanentemente a ser alimentados pela rede de energia elétrica, para garantir as funções para que foram projetados. Da pesquisa efetuada e descrita ao longo da dissertação, constatamos o empenho de toda a comunidade científica, operadores e agências de energia e de telecomunicações, em resolver o problema, já que há a consciencialização de que o ritmo de crescimento da rede e equipamentos terminais, é superior ao registado na melhoria da eficiência energética dos vários componentes e equipamentos terminais. Na segunda parte do relatório da tese, procurou-se testar a aplicabilidade das normas e recomendações dos organismos que tutelam a atividade a nível global - algumas publicadas nos últimos 2 anos - a um caso prático. Um edifício hospitalar de média dimensão. Foi elaborada uma aplicação informática, que suportada numa metodologia padronizada, seja capaz de fazer a avaliação da eficiência energética dos equipamentos serviços de telecomunicações de informação e comunicação em funcionamento do hospital. Por dificuldades de disponibilidade dos responsáveis do edifício, os resultados ficaram aquém do esperado. Conseguiu-se desenhar a aplicação, inventariar-se apenas parte dos equipamentos. Demonstrou-se que, a forma como alguns equipamentos estão a ser utilizados, não cumprem regras de utilização racional e eficiente. Procurou-se sensibilizar alguns dos responsáveis, para a necessidade de alterar comportamentos e prosseguir o processo de inventariação, por forma, a que o trabalho iniciado atinja os objetivos propostos.

Previsão e definição de perfis na gestão dos recursos de energia no âmbito de edifícios auto-sustentáveis

Nos últimos anos o consumo de energia elétrica produzida a partir de fontes renováveis tem aumentado significativamente. Este aumento deve-se ao impacto ambiental que recursos como o petróleo, gás, urânio, carvão, entre outros, têm no meio ambiente e que são notáveis no diaa- dia com as alterações climáticas e o aquecimento global. Por sua vez, estes recursos têm um ciclo de vida limitado e a dada altura tornar-se-ão escassos. A preocupação de uma melhoria contínua na redução dos impactos ambientais levou à criação de Normas para uma gestão mais eficiente e sustentável do consumo de energia nos edifícios. Parte da eletricidade vendida pelas empresas de comercialização é produzida através de fontes renováveis, e com a recente publicação do Decreto de Lei nº 153/2014 de 20 outubro de 2014 que regulamenta o autoconsumo, permitindo que também os consumidores possam produzir a sua própria energia nas suas residências para reduzir os custos com a compra de eletricidade. Neste contexto surgiram os edifícios inteligentes. Por edifícios inteligentes entende-se que são edifícios construídos com materiais que os tornam mais eficientes, possuem iluminação e equipamentos elétricos mais eficientes, e têm sistemas de produção de energia que permitem alimentar o próprio edifício, para um consumo mais sustentado. Os sistemas implementados nos edifícios inteligentes visam a monitorização e gestão da energia consumida e produzida para evitar desperdícios de consumo. O trabalho desenvolvido visa o estudo e a implementação de Redes Neuronais Artificiais (RNA) para prever os consumos de energia elétrica dos edifícios N e I do ISEP/GECAD, bem como a previsão da produção dos seus painéis fotovoltáicos. O estudo feito aos dados de consumo permitiu identificar perfis típicos de consumo ao longo de uma semana e de que forma são influenciados pelo contexto, nomeadamente, com os dias da semana versus fim-de-semana, e com as estações do ano, sendo analisados perfis de consumo de inverno e verão. A produção de energia através de painéis fotovoltaicos foi também analisada para perceber se a produção atual é suficiente para satisfazer as necessidades de consumo dos edifícios. Também foi analisada a possibilidade da produção satisfazer parcialmente as necessidades de consumos específicos, por exemplo, da iluminação dos edifícios, dos seus sistemas de ar condicionado ou dos equipamentos usados.

Eficiência Energética, Gestão de Energia e Integração de Renováveis em Instalações Hospitalares

A presente dissertação é o resultado de um estudo realizado entre Março de 2015 e Março de 2016 centrado no tema Eficiência Energética nos Edifícios, no âmbito da Dissertação do 2º ano do Mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia no Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Atualmente, os edifícios são responsáveis por cerca de 40% do consumo de energia na maioria dos países da europa. Energia consumida, principalmente, no aquecimento, arrefecimento e na alimentação de aparelhos elétricos. Os hospitais, como grandes edifícios, são grandes consumidores de energia e, na maioria dos países europeus, situam-se entre os edifícios públicos menos eficientes. Neste contexto, representam um tipo de edifícios cuja atividade apresenta um potencial de poupança energético importante. O tipo de atividade aí desenvolvida, aliada às especificidades do sector da saúde, faz deste tipo de edifícios um alvo de análise e otimização energética bastante apetecível. O presente trabalho passa pelo estudo do potencial para a eficiência energética de um hospital situado na zona do Porto. Foi, inicialmente, efetuado um levantamento das necessidades energéticas, de modo a identificar os sectores prioritários de atuação. Este estudo conta com a análise dos consumos obtidos através do processo de monitorização, substituição da iluminação existente por uma mais eficiente, a instalação de painéis solares para reduzir o consumo destinado às águas quentes sanitárias, a substituição de caldeira a diesel por caldeira a biomassa, substituição de um chiller por um mais eficiente, entre outros. Os consumos registados no hospital em estudo serão comparados com um plano nacional (Eficiência Energética e Hídrica no Sistema Nacional de Saúde), para, desta forma, se perceber quais os consumos do hospital em estudo, quando comparados com outros hospitais.

Estudo da gasificação do glicerol em reator de leito fixo

As metas da União Europeia para 2020 em termos de biocombustíveis e biolíquidos traduziram-se, na última década, num destaque da indústria de biodiesel em Portugal. Inerente ao processo de produção biodiesel está um subproduto, o glicerol bruto, cujo estudo tem vindo a ser alvo de interesse na comunidade científica. O objetivo principal deste trabalho consistiu no estudo da gasificação do glicerol técnico e do glicerol bruto, usando vapor como agente oxidante. Pretendeu-se avaliar a composição do gás de produção obtido e os parâmetros de gasificação, como a percentagem de conversão de carbono e de hidrogénio, o rendimento de gás seco, a eficiência de gás frio e o poder calorífico do gás produzido. No estudo da gasificação do glicerol técnico avaliou-se o efeito da temperatura na performance do processo, entre 750 – 1000 ºC, e estudou-se ainda o efeito do caudal de alimentação ao reator (3,8 mL/min, 6,5 mL/min e 10,0 mL/min). Para o caudal mais baixo, estudou-se o efeito da razão de mistura glicerol/água (25/75, 40/60, 60/40 e 75/25) e para a razão de mistura 60/40 foi avaliada a influência da adição de ar como agente gasificante. O estudo da gasificação do glicerol bruto foi feito realizando ensaios de gasificação numa gama de temperaturas de 750 ºC a 1000 ºC, para uma razão de mistura glicerol/água (60/40) com o caudal de 3,8 mL/min e usando apenas vapor de água como agente de gasificação. Os ensaios foram realizados num reator de leito fixo de 500 mm de comprimento e 90 mm de diâmetro interno, composto por um leito de alumina com partículas de 5 mm de diâmetro. O aquecimento foi realizado com um forno elétrico de 4 kW. A amostra de gás de produção recolhida foi analisada por cromatografia gasosa com detector de termocondutividade. Os resultados obtidos na gasificação do glicerol técnico, revelaram que a temperatura é uma variável preponderante no desempenho do processo de gasificação. À exceção do poder calorífico superior, para o qual se obteve uma ligeira diminuição de valores com o aumento da temperatura, os valores mais elevados dos parâmetros de gasificação foram obtidos para temperaturas superiores a 900 ºC. Esta temperatura parece ser determinante no modelo cinético de gasificação do glicerol, condicionando a composição do gás de produção obtido. Concluiu-se ainda que, na gama de caudais testada, o caudal de alimentação ao reator não teve influência no processo de gasificação. Os ensaios realizados para avaliar o efeito da razão de mistura permitiram verificar que, o aumento da adição de água à alimentação se traduz na redução do teor de CO e de CH4 e no aumento do teor de H2 e CO2, no gás de produção. Para a razão de mistura 25/75 foram obtidos valores de 1,3 para o rácio H2/CO para temperaturas superiores a 900 ºC. A influência da adição de água tornou-se mais evidente nos ensaios de gasificação realizados a temperaturas superiores a 900 ºC. Verificou-se um aumento da conversão de carbono, do rendimento de gás seco e da eficiência do gás frio e uma ligeira diminuição do poder calorífico e da potência disponível, no gás de produção. Para as razões de misturas 60/40 e 40/60 obtiveram-se resultados, para os parâmetros de gasificação, da mesma ordem de grandeza e com valores intermédios entre os obtidos para as razões de mistura 25/75 e 75/25. Porém, quanto maior o teor de água alimentado maior o consumo de energia associado à vaporização da água. Assim, o aumento do teor de água na mistura só apresentará interesse industrial se o objetivo passar pela produção de hidrogénio. Quanto ao efeito da adição de ar como agente de gasificação, os resultados obtidos dão indicação que se poderão potenciar algumas reações exotérmicas que contribuirão para a redução do consumo energético global do processo. Por outro lado, o gás de produção apresentou um rácio H2/CO interessante do ponto de vista da sua aplicação industrial, superior em 35 % ao verificado para a gasificação efetuada apenas na presença de vapor. À exceção do decréscimo no valor do poder calorífico superior do gás de produção, os restantes parâmetros estudados apresentaram a mesma ordem de grandeza, dos obtidos para o estudo da mesma razão de mistura na ausência de ar. Relativamente ao estudo da gasificação do glicerol bruto, obtiveram-se valores de rácio H2/CO e eficiência de gás frio mais elevados que os valores obtidos para a mesma razão de mistura usando glicerol técnico. Os demais parâmetros de gasificação avaliados mostraram-se semelhantes entre as duas matérias-primas, verificando-se apenas uma ligeira diminuição no valor do poder calorífico superior do gás produzido com glicerol bruto. Os resultados obtidos demonstram a possibilidade de valorização energética do glicerol bruto resultante da produção de biodiesel.

An efficient method for optimal location and sizing of fixed and switched shunt capacitors in large distribution systems

This paper proposes a computationally efficient methodology for the optimal location and sizing of static and switched shunt capacitors in large distribution systems. The problem is formulated as the maximization of the savings produced by the reduction in energy losses and the avoided costs due to investment deferral in the expansion of the network. The proposed method selects the nodes to be compensated, as well as the optimal capacitor ratings and their operational characteristics, i.e. fixed or switched. After an appropriate linearization, the optimization problem was formulated as a large-scale mixed-integer linear problem, suitable for being solved by means of a widespread commercial package. Results of the proposed optimizing method are compared with another recent methodology reported in the literature using two test cases: a 15-bus and a 33-bus distribution network. For the both cases tested, the proposed methodology delivers better solutions indicated by higher loss savings, which are achieved with lower amounts of capacitive compensation. The proposed method has also been applied for compensating to an actual large distribution network served by AES-Venezuela in the metropolitan area of Caracas. A convergence time of about 4 seconds after 22298 iterations demonstrates the ability of the proposed methodology for efficiently handling large-scale compensation problems.

Data mining techniques to support the classification of MV electricity customers

This paper describes a methodology that was developed for the classification of Medium Voltage (MV) electricity customers. Starting from a sample of data bases, resulting from a monitoring campaign, Data Mining (DM) techniques are used in order to discover a set of a MV consumer typical load profile and, therefore, to extract knowledge regarding to the electric energy consumption patterns. In first stage, it was applied several hierarchical clustering algorithms and compared the clustering performance among them using adequacy measures. In second stage, a classification model was developed in order to allow classifying new consumers in one of the obtained clusters that had resulted from the previously process. Finally, the interpretation of the discovered knowledge are presented and discussed.

Genetic algorithm methodology applied to intelligent house control

In recent years the use of several new resources in power systems, such as distributed generation, demand response and more recently electric vehicles, has significantly increased. Power systems aim at lowering operational costs, requiring an adequate energy resources management. In this context, load consumption management plays an important role, being necessary to use optimization strategies to adjust the consumption to the supply profile. These optimization strategies can be integrated in demand response programs. The control of the energy consumption of an intelligent house has the objective of optimizing the load consumption. This paper presents a genetic algorithm approach to manage the consumption of a residential house making use of a SCADA system developed by the authors. Consumption management is done reducing or curtailing loads to keep the power consumption in, or below, a specified energy consumption limit. This limit is determined according to the consumer strategy and taking into account the renewable based micro generation, energy price, supplier solicitations, and consumers’ preferences. The proposed approach is compared with a mixed integer non-linear approach.

Efficient implementation of a dominance protocol for wireless medium access

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Avaliação energética de uma escola

Mestrado em Engenharia Química