Electricity markets modeling considering complex contracts and aggregators

All over the world, the liberalization of electricity markets, which follows different paradigms, has created new challenges for those involved in this sector. In order to respond to these challenges, electric power systems suffered a significant restructuring in its mode of operation and planning. This restructuring resulted in a considerable increase of the electric sector competitiveness. Particularly, the Ancillary Services (AS) market has been target of constant renovations in its operation mode as it is a targeted market for the trading of services, which have as main objective to ensure the operation of electric power systems with appropriate levels of stability, safety, quality, equity and competitiveness. In this way, with the increasing penetration of distributed energy resources including distributed generation, demand response, storage units and electric vehicles, it is essential to develop new smarter and hierarchical methods of operation of electric power systems. As these resources are mostly connected to the distribution network, it is important to consider the introduction of this kind of resources in AS delivery in order to achieve greater reliability and cost efficiency of electrical power systems operation. The main contribution of this work is the design and development of mechanisms and methodologies of AS market and for energy and AS joint market, considering different management entities of transmission and distribution networks. Several models developed in this work consider the most common AS in the liberalized market environment: Regulation Down; Regulation Up; Spinning Reserve and Non-Spinning Reserve. The presented models consider different rules and ways of operation, such as the division of market by network areas, which allows the congestion management of interconnections between areas; or the ancillary service cascading process, which allows the replacement of AS of superior quality by lower quality of AS, ensuring a better economic performance of the market. A major contribution of this work is the development an innovative methodology of market clearing process to be used in the energy and AS joint market, able to ensure viable and feasible solutions in markets, where there are technical constraints in the transmission network involving its division into areas or regions. The proposed method is based on the determination of Bialek topological factors and considers the contribution of the dispatch for all services of increase of generation (energy, Regulation Up, Spinning and Non-Spinning reserves) in network congestion. The use of Bialek factors in each iteration of the proposed methodology allows limiting the bids in the market while ensuring that the solution is feasible in any context of system operation. Another important contribution of this work is the model of the contribution of distributed energy resources in the ancillary services. In this way, a Virtual Power Player (VPP) is considered in order to aggregate, manage and interact with distributed energy resources. The VPP manages all the agents aggregated, being able to supply AS to the system operator, with the main purpose of participation in electricity market. In order to ensure their participation in the AS, the VPP should have a set of contracts with the agents that include a set of diversified and adapted rules to each kind of distributed resource. All methodologies developed and implemented in this work have been integrated into the MASCEM simulator, which is a simulator based on a multi-agent system that allows to study complex operation of electricity markets. In this way, the developed methodologies allow the simulator to cover more operation contexts of the present and future of the electricity market. In this way, this dissertation offers a huge contribution to the AS market simulation, based on models and mechanisms currently used in several real markets, as well as the introduction of innovative methodologies of market clearing process on the energy and AS joint market. This dissertation presents five case studies; each one consists of multiple scenarios. The first case study illustrates the application of AS market simulation considering several bids of market players. The energy and ancillary services joint market simulation is exposed in the second case study. In the third case study it is developed a comparison between the simulation of the joint market methodology, in which the player bids to the ancillary services is considered by network areas and a reference methodology. The fourth case study presents the simulation of joint market methodology based on Bialek topological distribution factors applied to transmission network with 7 buses managed by a TSO. The last case study presents a joint market model simulation which considers the aggregation of small players to a VPP, as well as complex contracts related to these entities. The case study comprises a distribution network with 33 buses managed by VPP, which comprises several kinds of distributed resources, such as photovoltaic, CHP, fuel cells, wind turbines, biomass, small hydro, municipal solid waste, demand response, and storage units.

Discrete fractional order system vibrations

A theory of free vibrations of discrete fractional order (FO) systems with a finite number of degrees of freedom (dof) is developed. A FO system with a finite number of dof is defined by means of three matrices: mass inertia, system rigidity and FO elements. By adopting a matrix formulation, a mathematical description of FO discrete system free vibrations is determined in the form of coupled fractional order differential equations (FODE). The corresponding solutions in analytical form, for the special case of the matrix of FO properties elements, are determined and expressed as a polynomial series along time. For the eigen characteristic numbers, the system eigen main coordinates and the independent eigen FO modes are determined. A generalized function of visoelastic creep FO dissipation of energy and generalized forces of system with no ideal visoelastic creep FO dissipation of energy for generalized coordinates are formulated. Extended Lagrange FODE of second kind, for FO system dynamics, are also introduced. Two examples of FO chain systems are analyzed and the corresponding eigen characteristic numbers determined. It is shown that the oscillatory phenomena of a FO mechanical chain have analogies to electrical FO circuits. A FO electrical resistor is introduced and its constitutive voltage–current is formulated. Also a function of thermal energy FO dissipation of a FO electrical relation is discussed.

Monitorização e Avaliação Dinâmica do Potencial para a Eficiência Energética de Lares de Idosos

Atualmente a situação económica do país é delicada, como tal, a redução dos consumos energéticos é uma mais-valia tanto para os consumidores como para o meio ambiente. A evolução tecnológica nos últimos anos possibilita a realização de soluções para resolver esse problema. A monitorização constante dos consumos de energia elétrica pode fazer com que esta redução seja concretizada. Relativamente ao caso concreto do edificado, o consumo de energia nos edifícios Europeus é muito significativo, quer ao nível das soluções construtivas, dos sistemas e dos equipamentos. Como tal, podem ser tomadas medidas que podem ter um impacto significativo para a redução dos consumos. O presente trabalho passa pelo estudo do potencial para a eficiência energética de três lares de idosos situados no Porto. A auditoria efetuada revelou um enorme potencial de poupança energética, nomeadamente de energia elétrica e gás natural. As medidas a adotar para reduzir os consumos energéticos do edifício passam pela substituição da iluminação existente por uma mais eficiente e de menor potência, a instalação de painéis solares para reduzir o consumo destinado às águas quentes sanitárias (nos dois lares que ainda não possuem este tipo de sistema), a substituição das caldeiras a gás natural por biomassa, a instalação de equipamentos para monitorização de consumos, entre outros. Através da recolha e tratamento de dados com um analisador de energia foi possível verificar que a implementação de uma solução de monitorização de consumos energéticos nos lares poderá permitir baixar os custos da fatura energética.

Impacto da Introdução de Baterias de armazenamento de Energia em Smart Grids

De forma a não comprometer o conforto ou a qualidade de vida, nos dias de hoje, é obrigatório que a energia elétrica esteja presente. Sendo indispensável, torna-se necessário assegurar que a sua distribuição seja feita da forma mais qualitativa possível. Uma resposta rápida e eficaz a possíveis falhas que ocorram na rede, irá garantir a tal qualidade de serviço desejada. Para isso, a automatização dos processos é uma grande evolução e objetivo de concretização do setor elétrico. Neste contexto surge o conceito de Smart Grid, que tem como principal objetivo a combinação entre o setor elétrico e a evolução da tecnologia. A par desta característica, estes tipos de redes vêm também trazer evoluções no âmbito ambiental, pois a produção de energia elétrica é feita, maioritariamente, por fontes de energia renovável. Este projeto incide na análise das vantagens técnicas e económicas da inclusão de equipamentos que detêm capacidades de armazenamento de energia, as Baterias de Armazenamento de Energia (BAE), neste tipo de redes. Para tal, procedeu-se à utilização do método do Despacho Económico, que tem como principal objetivo a determinação dos níveis de produção de todas as unidades geradoras do sistema, satisfazendo a carga, ao mais baixo custo de produção. Com este método, foram criados vários cenários de estudo com vista a validar todo o propósito deste projeto. Nesta dissertação, é também realizado um estudo de viabilidade económica destes equipamentos de armazenamento de energia.

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.

Impact of sensor nodes scaling and velocity on handover mechanisms for healthcare wireless sensor networks with mobility support

Health promotion in hospital environments can be improved using the most recent information and communication technologies. The Internet connectivity to small sensor nodes carried by patients allows remote access to their bio-signals. To promote these features the healthcare wireless sensor networks (HWSN) are used. In these networks mobility support is a key issue in order to keep patients under realtime monitoring even when they move around. To keep sensors connected to the network, they should change their access points of attachment when patients move to a new coverage area along an infirmary. This process, called handover, is responsible for continuous network connectivity to the sensors. This paper presents a detailed performance evaluation study considering three handover mechanisms for healthcare scenarios (Hand4MAC, RSSI-based, and Backbone-based). The study was performed by simulation using several scenarios with different number of sensors and different moving velocities of sensor nodes. The results show that Hand4MAC is the best solution to guarantee almost continuous connectivity to sensor nodes with less energy consumption.

A comparison between thin film solar cells made from co-evaporated CuIn1-xGaxSe2using a one-stage process versus a three-stage process

Until this day, the most efficient Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells have been prepared using a rather complex growth process often referred to as three-stage or multistage. This family of processes is mainly characterized by a first step deposited with only In, Ga and Se flux to form a first layer. Cu is added in a second step until the film becomes slightly Cu-rich, where-after the film is converted to its final Cu-poor composition by a third stage, again with no or very little addition of Cu. In this paper, a comparison between solar cells prepared with the three-stage process and a one-stage/in-line process with the same composition, thickness, and solar cell stack is made. The one-stage process is easier to be used in an industrial scale and do not have Cu-rich transitions. The samples were analyzed using glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, current–voltage-temperature, capacitance-voltage, external quantum efficiency, transmission/reflection, and photoluminescence. It was concluded that in spite of differences in the texturing, morphology and Ga gradient, the electrical performance of the two types of samples is quite similar as demonstrated by the similar J–V behavior, quantum spectral response, and the estimated recombination losses.

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Heat recovery from wastewater: numerical modelling of sewer systems

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

Prospective system analysis of stationary battery systems under the frame of Constructive Technology Assessment

Based on the report for the unit “Project IV” of the PhD programme on Technology Assessment under the supervision of Dr.-Ing. Marcel Weil and Prof. Dr. António Brandão Moniz. The report was presented and discussed at the Doctorate Conference on Technologogy Assessment in July 2013 at the University Nova Lisboa, Caparica campus.

Smart platform towards batteries analysis based on internet-of-things

This paper presents a new approach of pre-defined profiles, based in different voltage and current values, to control the charging and discharging processes of batteries in order to assess their performance. This new approach was implemented in a prototype that was specially developed for such purpose. This prototype is a smart power electronics platform that allows to perform batteries analysis and to control the charging and discharging processes through a web application using pre-defined profiles. This platform was developed aiming to test different batteries technologies. Considering the relevance of the energy storage area based in batteries, especially for the batteries applied to electric mobility systems, this platform allows to perform controlled tests to the batteries, in order to analyze the batteries performance under different scenarios of operation. Besides the results obtained with the batteries, this work also intends to produce results that can contribute to an involvement in the strengthening of the Internet-of-Things.

Dynamic range prediction for an electric vehicle

Electric Vehicles (EVs) have limited energy storage capacity and the maximum autonomy range is strongly dependent of the driver's behaviour. Due to the fact of that batteries cannot be recharged quickly during a journey, it is essential that a precise range prediction is available to the driver of the EV. With this information, it is possible to check if the desirable destination is achievable without a stop to charge the batteries, or even, if to reach the destination it is necessary to perform an optimized driving (e.g., cutting the air-conditioning, among others EV parameters). The outcome of this research work is the development of an Electric Vehicle Assistant (EVA). This is an application for mobile devices that will help users to take efficient decisions about route planning, charging management and energy efficiency. Therefore, it will contribute to foster EVs adoption as a new paradigm in the transportation sector.

Melhoria da eficiência energética em edifícios dos anos 70: implementação de soluções sustentáveis low-tech e low-cost

Dissertação de mestrado em Construção e Reabilitação Sustentáveis

Advances and future challenges in printed batteries

There is an increasing interest in thin and flexible energy storage devices to meet modern society needs for applications such as, radio frequency sensing, interactive packaging and other consumer products. Printed batteries comply these requirements and are an excellent alternative to conventional batteries for many applications. Flexible and micro-batteries are also included in the area of printed batteries whenever fabricated by printing technologies. The main characteristics, advantages, disadvantages, developments, and printing techniques of printed batteries are presented and discussed in this review. The state-of-art takes into account both the research and industrial levels. In the academic one, the research progress of printed batteries is summarized divided in lithium-ion battery (Li-ion), zinc-manganese dioxide (Zn-MnO2), and other battery types with emphasis on the different materials for anode, cathode and separator as well as in the battery design. With respect to the industrial state-of-art, materials, device formulations and manufacturing techniques are presented. Finally, the prospects and challenges of printed batteries are discussed.

Cost optimal strategies for the renovation of residential neighbourhoods towards energy and emissions neutrality – Rainha Dona Leonor case study

Buildings are one of the major consumers of energy in Europe. This makes them an important target when aiming to reduce the energy consumptions and carbon emissions. The majority of the European building stock has already some decades and so it needs renovation in order to keep its functionality. Taking advantage of these interventions, the energy performance of the buildings may also be improved. In Portugal the renovation techniques, both regarding energy efficiency measures as well as measures for the use of renewable energy sources, are normally planned at the building scale. It is important to explore the possibility of having large scale interventions, has it has been done in other countries, namely at neighbourhood scale with district energy system in order to optimize the results in terms of costs and environmental impact.