Eficiência energética, aplicação em edifícios de serviços: o caso do hospital do ICUF

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Avaliação do potencial eólico para geração de energia eléctrica

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

Multi-agent management system for electric vehicle charging

This paper proposes an implementation, based on a multi-agent system, of a management system for automated negotiation of electricity allocation for charging electric vehicles (EVs) and simulates its performance. The widespread existence of charging infrastructures capable of autonomous operation is recognised as a major driver towards the mass adoption of EVs by mobility consumers. Eventually, conflicting requirements from both power grid and EV owners require automated middleman aggregator agents to intermediate all operations, for example, bidding and negotiation, between these parts. Multi-agent systems are designed to provide distributed, modular, coordinated and collaborative management systems; therefore, they seem suitable to address the management of such complex charging infrastructures. Our solution consists in the implementation of virtual agents to be integrated into the management software of a charging infrastructure. We start by modelling the multi-agent architecture using a federated, hierarchical layers setup and as well as the agents' behaviours and interactions. Each of these layers comprises several components, for example, data bases, decision-making and auction mechanisms. The implementation of multi-agent platform and auctions rules, and of models for battery dynamics, is also addressed. Four scenarios were predefined to assess the management system performance under real usage conditions, considering different types of profiles for EVs owners', different infrastructure configurations and usage and different loads on the utility grid (where real data from the concession holder of the Portuguese electricity transmission grid is used). Simulations carried with the four scenarios validate the performance of the modelled system while complying with all the requirements. Although all of these have been performed for one charging station alone, a multi-agent design may in the future be used for the higher level problem of distributing energy among charging stations. Copyright (c) 2014 John Wiley & Sons, Ltd.

Estudo e análise das centrais híbridas de energias renováveis

Com o aumento do preço da eletricidade e o fim dos combustíveis fósseis, associados à necessidade de Portugal reduzir a sua dependência energética do exterior, provoca a necessidade urgente de apostar nas energias renováveis. Perante este cenário, e assumindo que o custo da fatura energética, é para as empresas portuguesas um fator cada vez mais determinante para serem competitivas, devido aos aumentos consecutivos da energia nos últimos anos, bem como, a subida do imposto de valor acrescentado (IVA) de 6% para 23%. Outro aspeto importante é a eficiência energética como instrumento para reduzir os consumos de eletricidade. Com estas duas medidas: utilização de energias renováveis e o aumento da eficiência energética, são extremamente importantes para a redução da produção dos gases de efeito estufa (GEE). Consequentemente, as empresas terão de investir na produção da própria energia a partir de fontes renováveis, de modo a proporcionar um desenvolvimento sustentável, associado à redução da fatura energética. Esta dissertação propõe o dimensionamento de um sistema híbrido composto por tecnologia fotovoltaica e eólica, com e sem armazenamento de energia em baterias, adequado para reduzir uma parte dos consumos de uma empresa enquadrada no sector dos plásticos. O dimensionamento deste sistema, foi efetuado com recurso à caracterização dos consumos da empresa através da recolha de dados e leituras no local da instalação. Paralelamente, foi efetuada uma pesquisa em diversos fabricantes, de modo a identificar qual o sistema mais indicado a adotar, considerando painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, inversores e baterias. Com base nos dados recolhidos na empresa e referentes ao potencial eólico e solar para o distrito do Porto, em conjunto com as características técnicas dos equipamentos selecionados, foi delineado o sistema híbrido utilizando para o efeito um software de simulação e otimização de sistemas híbridos, denominado Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable (HOMER). São apresentadas várias simulações para as diversas configurações escolhidas e estudos comparativos entre si, com o objetivo de reduzir o consumo de eletricidade da rede. Adicionalmente, foram realizadas duas configurações apenas com tecnologia fotovoltaica, de modo a efetuar uma análise comparativa entre um sistema híbrido e outro apenas com uma fonte renovável. Os resultados apresentados focaram-se no desempenho diário, mensal e anual, bem como, a produção individual de cada tecnologia evidenciada. Por último, procedeu-se ao estudo da viabilidade técnico-económica das configurações.

Strategic Bidding for Electricity Markets Negotiation Using Support Vector Machines

Energy systems worldwide are complex and challenging environments. Multi-agent based simulation platforms are increasing at a high rate, as they show to be a good option to study many issues related to these systems, as well as the involved players at act in this domain. In this scope the authors’ research group has developed a multi-agent system: MASCEM (Multi- Agent System for Competitive Electricity Markets), which simulates the electricity markets environment. MASCEM is integrated with ALBidS (Adaptive Learning Strategic Bidding System) that works as a decision support system for market players. The ALBidS system allows MASCEM market negotiating players to take the best possible advantages from the market context. This paper presents the application of a Support Vector Machines (SVM) based approach to provide decision support to electricity market players. This strategy is tested and validated by being included in ALBidS and then compared with the application of an Artificial Neural Network, originating promising results. The proposed approach is tested and validated using real electricity markets data from MIBEL - Iberian market operator.

Particle Swarm Optimization of Electricity Market Negotiating Players Portfolio

Energy systems worldwide are complex and challenging environments. Multi-agent based simulation platforms are increasing at a high rate, as they show to be a good option to study many issues related to these systems, as well as the involved players at act in this domain. In this scope the authors’ research group has developed a multi-agent system: MASCEM (Multi- Agent System for Competitive Electricity Markets), which performs realistic simulations of the electricity markets. MASCEM is integrated with ALBidS (Adaptive Learning Strategic Bidding System) that works as a decision support system for market players. The ALBidS system allows MASCEM market negotiating players to take the best possible advantages from each market context. However, it is still necessary to adequately optimize the players’ portfolio investment. For this purpose, this paper proposes a market portfolio optimization method, based on particle swarm optimization, which provides the best investment profile for a market player, considering different market opportunities (bilateral negotiation, market sessions, and operation in different markets) and the negotiation context such as the peak and off-peak periods of the day, the type of day (business day, weekend, holiday, etc.) and most important, the renewable based distributed generation forecast. The proposed approach is tested and validated using real electricity markets data from the Iberian operator – MIBEL.

Electricity Markets Portfolio Optimization using a Particle Swarm Approach

Energy systems worldwide are complex and challenging environments. Multi-agent based simulation platforms are increasing at a high rate, as they show to be a good option to study many issues related to these systems, as well as the involved players at act in this domain. In this scope the authors’ research group has developed a multi-agent system: MASCEM (Multi-Agent System for Competitive Electricity Markets), which simulates the electricity markets. MASCEM is integrated with ALBidS (Adaptive Learning Strategic Bidding System) that works as a decision support system for market players. The ALBidS system allows MASCEM market negotiating players to take the best possible advantages from the market context. However, it is still necessary to adequately optimize the player’s portfolio investment. For this purpose, this paper proposes a market portfolio optimization method, based on particle swarm optimization, which provides the best investment profile for a market player, considering the different markets the player is acting on in each moment, and depending on different contexts of negotiation, such as the peak and offpeak periods of the day, and the type of day (business day, weekend, holiday, etc.). The proposed approach is tested and validated using real electricity markets data from the Iberian operator – OMIE.

Demand Response Design and Use Based on Network Locational Marginal Prices

Power systems have been experiencing huge changes mainly due to the substantial increase of distributed generation (DG) and the operation in competitive environments. Virtual Power Players (VPP) can aggregate several players, namely a diversity of energy resources, including distributed generation (DG) based on several technologies, electric storage systems (ESS) and demand response (DR). Energy resources management gains an increasing relevance in this competitive context. This makes the DR use more interesting and flexible, giving place to a wide range of new opportunities. This paper proposes a methodology to support VPPs in the DR programs’ management, considering all the existing energy resources (generation and storage units) and the distribution network. The proposed method is based on locational marginal prices (LMP) values. The evaluation of the impact of using DR specific programs in the LMP values supports the manager decision concerning the DR use. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated in this paper using a 33-bus network with intensive use of DG.

Auditorias energéticas – definição de um plano de ação para edifícios de serviços

O setor dos edifícios representa perto de 40% do consumo de energia final na Europa e cerca de 30% no caso de Portugal [1]. Para fazer face a esta situação foi elaborada e aprovada uma Diretiva Europeia Relativa ao Desempenho Energético dos Edifícios, que foi transposta a nível nacional através de um pacote legislativo assente em três pilares, nomeadamente o Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior (SCE), o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) e o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE). Atuando ao nível da eficiência energética o consumo de energia nos edifícios pode diminuir para metade, para tal é necessário proceder-se à execução de auditorias energéticas para poder determinar as soluções mais adequadas de forma a reduzir os desperdícios e custos associados ao consumo de energia. Nesta dissertação desenvolveu-se uma metodologia para a realização de auditorias energéticas em edifícios que assenta essencialmente em cinco etapas, nomeadamente: o planeamento, a análise do estado atual, o planeamento estratégico, a elaboração de relatório e a implementação de medidas com acompanhamento de resultados. A aplicação desta metodologia constitui uma grande ajuda na realização de auditorias energéticas conferindo uma maior qualidade à sua execução. De forma a validar a metodologia efetuada foi realizado o estudo de três casos práticos relativos a três agências bancárias (denominadas de A, B e C), em que duas delas pertencem a um projeto de eficiência energética que engloba 50 agências e uma outra que pertence a um outro projeto de apenas 3 agências. A metodologia segue a mesma lógica para as três agências, no entanto, em termos de validação, a última instalação baseia-se nos consumos dos dados monitorizados em contínuo.

Eficiência energética na iluminação pública

O presente trabalho aborda a temática da eficiência energética em sistemas de iluminação pública. A principal motivação prende-se com o peso significativo que a parcela energética destes sistemas ocupa na economia mundial. O uso eficiente de energia é uma crescente preocupação devido à diminuição de recursos, às consequências climáticas cada vez mais marcadas e ao elevado custo da energia, representando ainda um papel fundamental ao nível económico e de competitividade. A Iluminação Pública (IP) representa um peso importante nas despesas correntes dos municípios. É assim importante encontrar uma solução que permita manter níveis de segurança e conforto necessários às populações e que proporcione uma redução substancial do peso da IP nas despesas municipais. Neste sentido, este trabalho propõe-se estudar esta problemática, apresentando uma sistematização de soluções eficientes, quer a nível de lâmpadas e luminárias como também ao nível de tecnologias que auxiliem e complementem a eficiência de uma instalação de iluminação pública. A dissertação está dividida em duas partes. A primeira parte sistematiza os consumos verificados em Portugal, a vários níveis (consumo de energia elétrica, evolução do consumo energético de iluminação pública, etc.) abordando as políticas de eficiência energética, e são descritos alguns procedimentos que possibilitam a poupança energética na iluminação pública, aliada a instalações eficientes. A segunda parte da dissertação contempla o estudo de um caso prático cujo objetivo é propor soluções técnicas que permitam melhorar a eficiência energética na iluminação pública de Esposende, face à situação atual do concelho. Serão propostas várias soluções, tais como luminárias LED, balastros electrónicos reguláveis, lâmpadas de menor consumo e até mesmo o uso da telegestão.

Influência das energias renováveis na certificação energética de uma habitação de acordo com o regulamento do desempenho energético dos edifícios de habitação

A presente dissertação tem como objetivo principal o estudo da importância que os sistemas de energias renováveis têm na obtenção da classe de eficiência energética em edifícios de habitação. Analisou-se assim, qual dos sistemas apresentados na legislação é mais vantajoso na relação entre a classe energética e o investimento necessário a efetuar. Como caso de estudo, utilizou-se um edifício de habitação em fase de projeto situada em ambiente urbano, a uma distância muito curta da costa marítima, no distrito do Porto. A primeira etapa da dissertação passou pela caracterização do edifício, determinando as suas necessidades nominais anuais de energia para aquecimento, para arrefecimento, para preparação de águas quentes sanitárias e por fim, as necessidades nominais de energia primária. Com isto, obteve-se a classe de eficiência energética da habitação sem a utilização de qualquer tipo de sistema de aproveitamento de energia renovável. Após esta obtenção, verificou-se que o edifício em análise já possuía uma classe muito eficiente, classe A, superior à classe mínima exigida pelo regulamento, B-. A desvantagem do edifício já possuir esta classe é que a implementação de sistemas de energia não iriam alterar drasticamente a classe, e por isso, não se iria conseguir retirar uma dedução correta de qual o melhor para promover a eficiência energética. De seguida, procedeu-se ao estudo dos sistemas de energia renovável, apresentando sistemas adequados para a habitação e calculando-se as novas classes de eficiência energética, com a utilização de cada sistema. Consecutivamente, começou-se a retirar ilações dos sistemas mais eficientes, ou seja, os sistemas que tem como função aquecer a moradia ou a função de preparar águas quentes sanitárias, pois, iriam mitigar necessidades nominais de energia, enquanto os sistemas de produção de energia elétrica apenas iriam contribuir para uma melhoria energética. Outra desvantagem verificada foi que, devido ao local onde a habitação se situa, não seria possível efetuar uma análise a todos os sistemas de aproveitamento de energia renovável. iv Por fim, efetuou-se uma análise dos investimentos necessários para a implementação dos sistemas de energias renováveis face às diminuições percentuais do rácio de eficiência energética. Posto isto, obteve-se os melhores sistemas a implementar na moradia, no ponto de vista de melhorar a classe de eficiência energética, seria uma caldeira a pellets com função de aquecimento e produção de águas quentes sanitárias, enquanto que, do ponto de vista financeiro obteve-se o sistema de aquecimento e produção de águas quentes sanitárias através de um recuperador de calor a lenha, que em ambos os casos a classe de eficiência energética passou de A para A+.

Sistemas geotérmicos de baixa entalpia estudos de caracterização térmica

A crescente atenção revelada pelas sociedades nos últimos anos, no que respeita à sustentabilidade energética do planeta, tornou-se o principal impulsionador para o desenvolvimento de formas de exploração de energia que contribuem para a redução dos gases com efeito de estufa. A energia geotérmica de baixa entalpia (Shallow Geothermal Energy–SGE) é um dos tipos de energia verde utilizados para aquecimento e arrefecimento de edifícios. Nas últimas décadas, tem vindo a demonstrar uma elevada eficácia energética e aplicabilidade em diversos países em todo o mundo. Aos sistemas convencionais de exploração abertos e fechados, seguiram-se os sistemas com estruturas de fundações termoactivas. A Suíça e Áustria foram os países pioneiros onde se iniciou a exploração utilizando este tipo de estruturas, primeiro com recurso a lajes de fundo e depois, em 1984, através de estacas. A utilização generalizada de fundações de forma bi-funcional poderá resultar numa compensação sustentável dos seus custos de implementação. No entanto, é necessário conhecer de forma sólida o comportamento geotécnico dos solos face à imposição das diferentes acções térmicas provocadas pelos Sistemas Geotérmicos de Baixa Entalpia. A eficácia dos Ground Energy Systems (GES) está directamente associada à capacidade que os solos apresentam para fornecer ou dissipar calor. O desempenho dos GES e a sua eficiência está ainda por avaliar relativamente às condições existentes em Portugal. As propriedades térmicas dos solos são um desses aspectos, sendo da maior relevância na avaliação do seu desempenho. Nesta dissertação são abordados os diferentes mecanismos de transferência de calor nos solos bem como propriedades térmicas necessárias para a sua caracterização. Apresenta-se também um caso prático, para o qual foi realizada caracterização térmica e posterior modelação numérica de uma estrutura termoactiva, determinando-se os campos de temperaturas máximos e mínimos e os fluxos térmicos provocados pelo seu funcionamento.

Control in distribution networks with demand side management

The way in which electricity networks operate is going through a period of significant change. Renewable generation technologies are having a growing presence and increasing penetrations of generation that are being connected at distribution level. Unfortunately, a renewable energy source is most of the time intermittent and needs to be forecasted. Current trends in Smart grids foresee the accommodation of a variety of distributed generation sources including intermittent renewable sources. It is also expected that smart grids will include demand management resources, widespread communications and control technologies required to use demand response are needed to help the maintenance in supply-demand balance in electricity systems. Consequently, smart household appliances with controllable loads will be likely a common presence in our homes. Thus, new control techniques are requested to manage the loads and achieve all the potential energy present in intermittent energy sources. This thesis is focused on the development of a demand side management control method in a distributed network, aiming the creation of greater flexibility in demand and better ease the integration of renewable technologies. In particular, this work presents a novel multi-agent model-based predictive control method to manage distributed energy systems from the demand side, in presence of limited energy sources with fluctuating output and with energy storage in house-hold or car batteries. Specifically, here is presented a solution for thermal comfort which manages a limited shared energy resource via a demand side management perspective, using an integrated approach which also involves a power price auction and an appliance loads allocation scheme. The control is applied individually to a set of Thermal Control Areas, demand units, where the objective is to minimize the energy usage and not exceed the limited and shared energy resource, while simultaneously indoor temperatures are maintained within a comfort frame. Thermal Control Areas are overall thermodynamically connected in the distributed environment and also coupled by energy related constraints. The energy split is performed based on a fixed sequential order established from a previous completed auction wherein the bids are made by each Thermal Control Area, acting as demand side management agents, based on the daily energy price. The developed solutions are explained with algorithms and are applied to different scenarios, being the results explanatory of the benefits of the proposed approaches.

Sistemas solares e arquitetura: uma relação holística

Dissertação de mestrado integrado em Arquitectura

Rentabilidade económica de medidas de melhoria do desempenho energético e de produção - utilização de energias renováveis

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil