GAIC: Um sistema inteligente e flexível para simulação e apoio à participação de pequenos e médios consumidores na gestão ativa de cargas no âmbito de smart grids

A liberalização dos mercados de energia e a utilização intensiva de produção distribuída tem vindo a provocar uma alteração no paradigma de operação das redes de distribuição de energia elétrica. A continuidade da fiabilidade das redes de distribuição no contexto destes novos paradigmas requer alterações estruturais e funcionais. O conceito de Smart Grid vem permitir a adaptação das redes de distribuição ao novo contexto. Numa Smart Grid os pequenos e médios consumidores são chamados ao plano ativo das participações. Este processo é conseguido através da aplicação de programas de demand response e da existência de players agregadores. O uso de programas de demand response para alcançar benefícios para a rede encontra-se atualmente a ser estudado no meio científico. Porém, existe a necessidade de estudos que procurem benefícios para os pequenos e médios consumidores. O alcance dos benefícios para os pequenos e médios consumidores não é apenas vantajoso para o consumidor, como também o é para a rede elétrica de distribuição. A participação, dos pequenos e médios consumidores, em programas de demand response acontece significativamente através da redução de consumos energéticos. De modo a evitar os impactos negativos que podem provir dessas reduções, o trabalho aqui proposto faz uso de otimizações que recorrem a técnicas de aprendizagem através da utilização redes neuronais artificiais. Para poder efetuar um melhor enquadramento do trabalho com as Smart Grids, será desenvolvido um sistema multiagente capaz de simular os principais players de uma Smart Grid. O foco deste sistema multiagente será o agente responsável pela simulação do pequeno e médio consumidor. Este agente terá não só que replicar um pequeno e médio consumidor, como terá ainda que possibilitar a integração de cargas reais e virtuais. Como meio de interação com o pequeno e médio consumidor, foi desenvolvida no âmbito desta dissertação um sistema móvel. No final do trabalho obteve-se um sistema multiagente capaz de simular uma Smart Grid e a execução de programas de demand response, sSendo o agente representante do pequeno e médio consumidor capaz de tomar ações e reações de modo a poder responder autonomamente aos programas de demand response lançados na rede. O desenvolvimento do sistema permite: o estudo e análise da integração dos pequenos e médios consumidores nas Smart Grids por meio de programas de demand response; a comparação entre múltiplos algoritmos de otimização; e a integração de métodos de aprendizagem. De modo a demonstrar e viabilizar as capacidades de todo o sistema, a dissertação inclui casos de estudo para as várias vertentes que podem ser exploradas com o sistema desenvolvido.

Constrained Consumption Shifting Management in the Distributed Energy Resources Scheduling Considering Demand Response

Demand response concept has been gaining increasing importance while the success of several recent implementations makes this resource benefits unquestionable. This happens in a power systems operation environment that also considers an intensive use of distributed generation. However, more adequate approaches and models are needed in order to address the small size consumers and producers aggregation, while taking into account these resources goals. The present paper focuses on the demand response programs and distributed generation resources management by a Virtual Power Player that optimally aims to minimize its operation costs taking the consumption shifting constraints into account. The impact of the consumption shifting in the distributed generation resources schedule is also considered. The methodology is applied to three scenarios based on 218 consumers and 4 types of distributed generation, in a time frame of 96 periods.

Analysis of Consumption Data to Detect Commercial Losses Using Performance Evaluation Methods in a Smart Grid

Electric power networks, namely distribution networks, have been suffering several changes during the last years due to changes in the power systems operation, towards the implementation of smart grids. Several approaches to the operation of the resources have been introduced, as the case of demand response, making use of the new capabilities of the smart grids. In the initial levels of the smart grids implementation reduced amounts of data are generated, namely consumption data. The methodology proposed in the present paper makes use of demand response consumers’ performance evaluation methods to determine the expected consumption for a given consumer. Then, potential commercial losses are identified using monthly historic consumption data. Real consumption data is used in the case study to demonstrate the application of the proposed method.

Domestic Consumption Simulation and Management Using a Continuous Consumption Management and Optimization Algorithm

The recent changes concerning the consumers’ active participation in the efficient management of load devices for one’s own interest and for the interest of the network operator, namely in the context of demand response, leads to the need for improved algorithms and tools. A continuous consumption optimization algorithm has been improved in order to better manage the shifted demand. It has been done in a simulation and user-interaction tool capable of being integrated in a multi-agent smart grid simulator already developed, and also capable of integrating several optimization algorithms to manage real and simulated loads. The case study of this paper enhances the advantages of the proposed algorithm and the benefits of using the developed simulation and user interaction tool.

Optimization of Generation and Aggregated Consumption Shifting for Demand Response Programs Definition

The concept of demand response has drawing attention to the active participation in the economic operation of power systems, namely in the context of recent electricity markets and smart grid models and implementations. In these competitive contexts, aggregators are necessary in order to make possible the participation of small size consumers and generation units. The methodology proposed in the present paper aims to address the demand shifting between periods, considering multi-period demand response events. The focus is given to the impact in the subsequent periods. A Virtual Power Player operates the network, aggregating the available resources, and minimizing the operation costs. The illustrative case study included is based on a scenario of 218 consumers including generation sources.

Using Typical Consumption Profiles to Stablish the Consumption Level for Short Time Periods

The current practices in the consumption metering by electricity utilities is currently largely based on monthly consumption reading. The consumption metering device is always calculating the cumulative consumption. Then, it is possible to calculate the difference between the actual and the previous consumption evaluation in order to estimate the monthly consumption. The power systems planning needs in many aspects to handle consumption data obtained for shorter periods, namely in the Demand Response programs planning. The work presented in this paper is based on the application of typical consumption profiles that are previously defined for a certain power system area. Such profiles are then used in order to estimate the 15 minutes consumption for a certain consumer or consumer type.

A Learning Algorithm and System Approach to Address Exceptional Events in Domestic Consumption Management

The integration of the Smart Grid concept into the electric grid brings to the need for an active participation of small and medium players. This active participation can be achieved using decentralized decisions, in which the end consumer can manage loads regarding the Smart Grid needs. The management of loads must handle the users’ preferences, wills and needs. However, the users’ preferences, wills and needs can suffer changes when faced with exceptional events. This paper proposes the integration of exceptional events into the SCADA House Intelligent Management (SHIM) system developed by the authors, to handle machine learning issues in the domestic consumption context. An illustrative application and learning case study is provided in this paper.

Consumption Management of Air Conditioning Devices for the Participation in Demand Response Programs

Demand Response has been taking over the years an extreme importance. There’s a lot of demand response programs, one of them proposed in this paper, using air conditioners that could increase the power quality and decrease the spent money in many ways like: infrastructures and customers energy bill reduction. This paper proposes a method and a study on how air conditioners could integrate demand response programs. The proposed method has been modelled as an energy resources management optimization problem. This paper presents two case studies, the first one with all costumers participating and second one with some of costumers. The results obtained for both case studies have been analyzed.

Quantum-based Particle Swarm Optimization Application to Studies of Aggregated Consumption Shifting and Generation Scheduling in Smart Grids

Demand response programs and models have been developed and implemented for an improved performance of electricity markets, taking full advantage of smart grids. Studying and addressing the consumers’ flexibility and network operation scenarios makes possible to design improved demand response models and programs. The methodology proposed in the present paper aims to address the definition of demand response programs that consider the demand shifting between periods, regarding the occurrence of multi-period demand response events. The optimization model focuses on minimizing the network and resources operation costs for a Virtual Power Player. Quantum Particle Swarm Optimization has been used in order to obtain the solutions for the optimization model that is applied to a large set of operation scenarios. The implemented case study illustrates the use of the proposed methodology to support the decisions of the Virtual Power Player in what concerns the duration of each demand response event.

Contextual and Environmental Awareness Laboratory for Energy Consumption Management

The recent changes on power systems paradigm requires the active participation of small and medium players in energy management. With an electricity price fluctuation these players must manage the consumption. Lowering costs and ensuring adequate user comfort levels. Demand response can improve the power system management and bring benefits for the small and medium players. The work presented in this paper, which is developed aiming the smart grid context, can also be used in the current power system paradigm. The proposed system is the combination of several fields of research, namely multi-agent systems and artificial neural networks. This system is physically implemented in our laboratories and it is used daily by researchers. The physical implementation gives the system an improvement in the proof of concept, distancing itself from the conventional systems. This paper presents a case study illustrating the simulation of real-time pricing in a laboratory.

Estudo comparativo da utilização do biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados e do gasóleo numa frota industrial

A definição de teores mínimos de incorporação de biocombustíveis, constitui objeto de discussão entre grupos pro-desenvolvimento e ambientalistas. Esses últimos argumentam que as consequências da utilização desta fonte energética ainda são desconhecidas. Além disso, alegam que a produção de biocombustíveis é, em parte, responsável pelo aumento no preço dos alimentos, encoraja a conversão de florestas em monoculturas e conduz à exploração de trabalhadores em países em desenvolvimento (PEDs). Para responder à dependência energética dos combustíveis de origem fóssil, e ajudar a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, sobretudo no sector dos transportes, o biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados têm sido apontado como uma “solução verde” capaz de minimizar o problema das alterações climáticas e valorizar um resíduo, e simultaneamente conferir ao setor energético um pouco mais de independência. De forma a desmistificar e clarificar um pouco estas premissas, a presente dissertação pretende fazer um estudo de avaliação do impacto da utilização do biodiesel, nomeadamente no que diz respeito às emissões gasosas. Posteriormente realizou-se, tomando como referência uma pequena frota industrial existente, uma análise comparativa dos consumos e emissões dos principais poluentes decorrentes da utilização do biodiesel em diferentes percentagens de incorporação no gasóleo, comparativamente ao gasóleo puro. O trabalho culmina com uma abordagem técnica sobre o comportamento de um veículo equipado com um motor de ignição por compressão, utilizando como biocombustível o biodiesel.

Modelação de um Sistema de AVAC, em Software LabVIEW

Na União Europeia, a energia utilizada nos edifícios é responsável por uma grande parte do consumo total, cerca de 40%, de toda a energia produzida, contribuindo em grande escala para as emissões de gases de efeito de estufa, como o CO2. [ADENE, 2014]. A minimização deste consumo, durante o período de ciclo de vida de um edifício, é um grande desafio associado ao ambiente e à economia. Na atualidade assistimos, cada vez mais, ao emergir de novas tecnologias. Faz parte dessa realidade, o crescimento e o desenvolvimento das UTA’s, que surgem como resposta do ser humano pela busca de otimização da sua zona de conforto, da qualidade de ar interior e da eficiência energética. Assim, para que não se sacrifique o conforto térmico, há que conciliar a qualidade de ar interior com a energia dispensada para climatizar os espaços. Para ajudar à minimização de CO2 em conjunto com uma eficiência energética e conforto térmico, traduzindo-se numa melhor qualidade de ar no interior de espaços climatizados, surge o objetivo de implementar uma aplicação através do software LabVIEW para prever uma experiência real. Como solução, recorreu-se a modelos matemáticos que traduzissem os vários balanços térmicos, balanços de massa e de CO2. As principais conclusões deste trabalho foram: validação do comportamento do modelo matemático da temperatura; validação do comportamento do modelo matemático de CO2; humidade relativa com 25% de registos válidos.

Aplicação de variadores de velocidade em sistemas de climatização

Por um lado vivemos numa sociedade cujos padrões de conforto são cada vez mais exigentes, por outro encontramo-nos numa era pautada por um certo declínio económico, social e também ambiental. Não se assumindo uma estratégia que limite ou diminua essas condições de conforto resta-nos atuar de forma a que os recursos utilizados para garantir esse mesmo conforto sejam utilizados da melhor forma possível. O setor dos edifícios é responsável por uma grande parcela de consumo de energia na sociedade atual, sendo que os sistemas de climatização que dele fazem parte, apresentam.se na maioria dos casos como os grandes consumidores de energia. Nesse sentido têm sido feitos esforços enormes no sentido de encontrar soluções que garantam a eficiência energética destes sistemas. O Variador Eletrónico de Velocidade apresenta-se como uma das soluções amplamente difundidas, na vertente do controle de processos e economia de energia. A sua aplicação em sistema de climatização é mais um desses casos. Nesse sentido, numa primeira parte é feito o estudo das características e funcionamento dos Variadores de Velocidade, Sistemas de Climatização e sua aplicação conjunta. Em seguida é realizada uma aplicação informática que pretende demonstrar a economia de energia garantida por aplicação de um Variador de Velocidade.

Contributo da manutenção técnica de edifícios para a sustentabilidade

A manutenção, durante vários anos, traduziu-se num conceito paliativo de instalações e equipamentos, o que se veio a revelar como uma atitude negligente perante o Homem e o Ambiente. As preocupações ambientais estão na ordem do dia e têm sido muitas as vozes que se têm levantado para que o consumo de energia seja mais equilibrado e para que as emissões de CO2 diminuam de forma a preservar o Planeta. De acordo com a resolução do Conselho Europeu, em 2007 (1), foi apresentado um pacote de propostas que visam a sustentabilidade e estimulam a Eficiência Energética (EE), com o objectivo de reduzir os consumos energéticos dos edifícios, quer estes sejam novos ou reabilitados. Segundo a Direcção Geral de Energia e Geologia os edifícios são responsáveis por 60% dos consumos de energia eléctrica, consumo esse que pode ser reduzido em mais de 50%, através de medidas de EE, traduzindo-se numa redução de 400 milhões de toneladas de CO2 por ano. (2) Para além de medidas de EE, também as práticas de manutenção preventiva podem contribuir para a diminuição dos consumos energéticos e de emissões de CO2. Segundo o Institute for Building Efficiency práticas de manutenção preventiva em equipamentos de Aquecimento Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) reduzem os consumos energéticos de 10 a 20% e, em contrapartida, a negligência na execução da manutenção pode aumentar os consumos energéticos de 30 a 60%. (3) Uma outra análise de valores a ter em conta, é a Intensidade Energética (IE). Leia-se IE como sendo o valor global da energia consumida num país a dividir pelo seu produto interno bruto. A contribuição do sector dos serviços para a IE nacional era de 17% no ano de 2005. (4) Se a estes dados acrescentarmos que 70% dessa energia é consumida por equipamentos AVAC (5) e que práticas de manutenção reduzem esses valores entre 10 a 20%, pode concluir-se que a redução de custos energéticos associada à manutenção preventiva é efectiva e significativa. Apresentando um cenário ideal e hipotético, se ao contributo do sector dos serviços, para a IE nacional, se isolar o valor referente a equipamentos de AVAC, obtem-se uma IE de aproximadamente 12%. Se adicionalmente se considerar uma taxa de redução, relativa à execução da manutenção, entre 10 e 20%, Portugal obteria uma IE, relativamente aos consumos energéticos em edificios de serviços, não de 17% mas sim entre 14,6% e 15,8%. Neste trabalho pretende-se comprovar que um plano de actividades de manutenção equilibrado, monitorizado, e gerido de forma eficaz e funcional, é uma ferramenta fundamental no cumprimento de objectivos e metas europeias traçadas, que se reúnem num objectivo comum de preservação do planeta. A adopção deste tipo de medidas contribuirá para a racionalização dos consumos energéticos e para o aumento da vida útil dos equipamentos, bem como para a melhoria do desempenho económico e financeiro das organizações, tal como se poderá ler mais à frente neste trabalho. Será também analisado um caso prático, verificando a eficácia das medidas tomadas durante as intervenções preventivas de manutenção, sendo que para isso será estudado o comportamento de um equipamento, antes e após a realização de tarefas de manutenção preventiva. Tentar-se-á, junto de gestores de edifícios, recolher a opinião que têm sobre a importância da manutenção. Ao longo de toda a pesquisa foi possível consolidar a hipótese formulada inicialmente no que concerne ao contributo da manutenção para a sustentabilidade, quer através da revisão da literatura, quer nos testes efectuados a equipamentos. Foi possível confirmar que um plano de manutenção ajustado, monitorizado e cumprido é uma ferramenta na diminuição dos consumos energéticos, aumento da vida útil de equipamentos e por sua vez na diminuição de emissões de CO2. Verificou-se também que o controlo de poluentes e ventilação adequada dos edifícios são uma ferramenta essencial para a qualidade do ar interior, parâmetros facilmente controlados nas actividades de manutenção. O contributo das opiniões recolhidas entre os gestores de edifícios, para este estudo, foi também bastante importante, uma vez que todos eles reconhecem o papel importante da manutenção, mas nem todos estão sensibilizados para o seu papel na sustentabilidade do planeta. Nesta dissertação é deixado um alerta: o crescimento da população mundial e a consequente utilização de recursos naturais que são finitos, não sendo controlado de uma forma sustentada, pode resultar na destruição de um planeta único. O papel negativo do Homem nas alterações climáticas é inequívoco e é necessário melhorar a sua relação com o Ambiente. Cada ser humano está inserido na sua comunidade e dentro dela tem a sua função, cabe a cada um exercer esta responsabilidade nas suas actividades do dia-a-dia.

Eficiência energética e energias renováveis em edifícios

As preocupações com a escassez dos recursos fósseis, o aumento gradual e acentuado dos seus preços e problemas ambientais, cada vez mais há uma preocupação em relação à eficiência energética e as energias renováveis, sendo estes os dois pilares para se encaminhar para uma política energética sustentável. Sobretudo nos edifícios que são responsáveis por grande parte do consumo de energia mundial. Cabo Verde tem um elevado grau de desperdício energético e de consumo de energia elétrica, torna-se imprescindível ressaltar a importância da análise de Eficiência Energética nas Edificações. Contudo, em Cabo Verde, relativamente à vertente da eficiência energética nos edifícios, não existe ainda uma legislação que de alguma forma condicione o consumo de energia e os impactos ambientais associados aos edifícios. De igual forma, as construções com características bioclimáticas ou incorporando sistemas passivos ainda não são prática corrente, pois não existe nenhuma regulamentação que garante que o projetista aquando a conceção de um edifício aplique estratégias de construção bioclimática ou integração das energias renováveis, fazendo o uso do potencial dos recursos renováveis existente no país. Assim, o conforto dos ocupantes dos edifícios e a diminuição das necessidades de consumo não estão presentes de uma forma satisfatória na construção de edifícios em Cabo Verde. Neste contexto, a presente dissertação tem como intuito, recolher e estruturar informação relativa a temática da eficiência energética e energias renováveis nos edifícios de forma a promover a eficiência energética nos edifícios e apoiar o desenvolvimento das energias renováveis em Cabo Verde, contribuindo para a mudança de mentalidade. Assim este estudo pretende refletir sobre a importância da construção sustentável, a Certificação Energética, sistemas e procedimentos para garantir, no mínimo, igual conforto dos ocupantes e simultaneamente a redução do consumo de energia nos edifícios, mudança de comportamentos e escolhas com menor consumo energético. São ainda apresentados as possibilidades de integração das energias renováveis nos edifícios. Assim decidiu-se analisar a implementação de um sistema de microgeração fotovoltaico, para aumentar a eficiência energética de edifícios de acordo com a legislação vigente em Cabo Verde. Nestes termos, é dimensionado um sistema para atender cerca de 70% do consumo anual de energia elétrica do edifício, com consumo de 3869 kWh/ano. Com a realização deste estudo, pretende-se incentivar a implementação de unidades de microprodução fotovoltaica para a produção de energia elétrica em edifícios, bem como aproximar o cidadão comum das soluções técnicas/económicas no campo do aproveitamento das energias renováveis para a produção de energia elétrica.