A Sustentabilidade dos sistemas energéticos de poligeração

Na secção anterior foram revistas as técnicas para abordar sistemas de poligeração, com destaque para a problemática da interdependência dos produtos energéticos em sistemas de poligeração. Nesta secção, são identificados novos problemas no contexto do desenvolvimento de energia sustentável e são discutidas possíveis técnicas de optimização para lidar com os mesmos.

As crescentes preocupações com impactos ambientais relacionados com a produção de energia e a penetração das FER encorajam o desenvolvimento de redes eléctricas inteligentes (REI). Estas estão munidas de equipamentos com funções avançadas de medição automática, controlo, e ajustamento às cargas energéticas, o que é possível através do uso de informação digital e tecnologia de comunicação moderna. As REI são desenhadas para melhorar a rede eléctrica actual com o objectivo de aumentar a sustentabilidade, caracterizado por eficiência de energia e custos, alta fiabilidade, e protecção do ambiente (Alanne & Saari, 2006).

67

O desenvolvimento de SES promove, por um lado, o desenvolvimento de sistemas energéticos descentralizados (SED), isto é, sistemas onde a energia é consumida num local próximo do centro produtor, na tentativa de reduzir o custo e melhorar a fiabilidade do sistema, através da eliminação de transmissão de electricidade em longas distâncias, característica dos sistemas centralizados. Por outro lado, estes desenvolvimentos encorajam a integração internacional dos mercados de energia, onde o excesso de electricidade de alguns países pode ser exportado para outros de forma a atingir um abastecimento competitivo de electricidade.

Na seguinte secção, os desafios relacionados com a optimização são discutidos ao nível da distribuição e da transmissão.

4.6.1 Micro-redes inteligentes de poligeração

O conceito de SES integra-se no desenvolvimento do conceito de produção descentralizada de energia, que se refere ao consumo de energia próximo do centro produtor. Normalmente, os SED implicam a integração de diversas tecnologias de produção descentralizada de pequena escala. A poligeração e várias tecnologias que utilizam FER, como a energia solar, energia eólica, a hidroelétrica e a biomassa são incluídas nas categorias de tecnologias de distribuição descentralizada.

Os SED são desenvolvidos em contraste com os convencionais sistemas centralizados de energia. Num sistema convencional, os centros produtores estão localizados longe dos consumidores, e são utilizadas redes de transmissão de longas distâncias para os conectar. Num SED, a energia é produzida localmente, e por isso as transmissões de electricidade em longas distâncias são evitadas, reduzindo desta forma as perdas de energia. Os SED promovem o conceito de autossuficiência e reduzem a dependência do abastecimento energético do exterior, permitindo a melhoria da eficiência e da fiabilidade (Rong & Lahdelma, 2016).

Quando tecnologias de poligeração são envolvidas, as REI são normalmente chamadas de micro-redes de poligeração inteligentes. Estas redes podem operar de forma independente ou em conjunto com a rede eléctrica convencional. As micro-redes de poligeração inteligentes podem, por exemplo, integrar sistemas de A&A residencial com ilhas de produção de electricidade, conectados através de uma rede privada. Uma parte da procura de electricidade pode ser satisfeita por um produtor local e a outra parte pela permuta de electricidade através de uma rede privada (Bracco, Delfino, Pampararo, Robba, & Rossi, 2013). Dentro dos SED, a permuta de energia eléctrica pode ser tratada como permuta interna, uma vez que a distância da energia transmitida é normalmente curta, e na maioria dos casos, a permuta não passa pela rede eléctrica normal.

Bracco et al. listou os componentes básicos destes sistemas, incluindo diferentes instalações de produção, instalações de armazenamento, e tecnologias de arrefecimento termicamente activas As instalações geradoras incluem turbinas a gás micro-poli-geradoras, MCI

68

poligeradores, motores Stirling, campos fotovoltaicos e moinhos micro-eólicos. As instalações de armazenamento incluem estações de recarga de veículos, baterias eléctricas, e dispositivos de armazenamento térmico. As tecnologias de arrefecimento termicamente activas incluem refrigeradores de absorção e adsorção.

Existem dois principais desafios para estes sistemas. O primeiro desafio está relacionado com a natureza intermitente (estocástica) dos SED sustentados por tecnologia solar e eólica. A rede de penetração das eólicas precisa de considerar o impacto da natureza estocástica do vento no sistema e assim necessita de manusear um UC estocástico (Tuohy, Meibom, Deny, & O’Malley, 2009). O segundo desafio prende-se com a natureza dinâmica do problema causado pela carga e descarga dos diferentes tipos de instalações de poligeração. O armazenamento térmico tem sido utilizado em sistemas convencionais de poligeração para nivelar as variações térmicas de curto prazo, podendo também ser utilizado como uma componente de EGP. A energia térmica, em especial a energia para arrefecimento, pode ser armazenada durante as horas de vazio e injectada na rede durante as horas de pico (Rong, Lahdelma, & Luh, 2008). Numa micro-rede inteligente de poligeração, o armazenamento térmico constitui um elemento essencial. Além disso, a utilização de tecnologias à base de FER apenas para produção de electricidade pode causar desequilíbrios espaciais e temporais entre a procura e a oferta. Nesta situação, o armazenamento de electricidade é uma das maneiras de lidar com o problema (Bracco, Delfino, Pampararo, Robba, & Rossi, 2015).

Por aqui é possível perceber que as instalações de armazenamento de sistemas de poligeração poderão apresentar diversas configurações.

4.6.2 Integração com sistemas convencionais

Tal como mencionado anteriormente, os SED advogam a autossuficiência, mas não excluem a possibilidade de se conectar a uma rede de transmissão convencional se a permuta de electricidade representar uma melhoria para a eficiência global do sistema. Sob determinadas circunstâncias, é necessário que os SED operem em conjunto com uma rede eléctrica convencional. Por exemplo, a penetração em grande escala de electricidade produzida a partir de energia eólica, poderá causar excesso em alguns países. Então, uma opção viável passa por exportar o excesso de energia produzida para países vizinhos através de uma rede de transmissão de longa distância. Nesta situação, o intercâmbio de energia é benéfico se o custo marginal da produção de electricidade nos outros países for superior.

Em paralelo com o desenvolvimento de SES ocorre a transição para o mercado Europeu de Energia. A UE pretende integrar os mercados nacionais de energia para que as tecnologias de eficiência energética, com especial incidência nas FER, possam ser partilhadas a nível Europeu, e assim contribuam para aumentar a competitividade e segurança no abastecimento de energia eléctrica (Rong & Lahdelma, 2016). Logo, torna-se necessário conectar os SED através de redes

69

de transmissão de electricidade, situação que, neste contexto, contribui para aumentar a sustentabilidade dos SED, uma vez que o custo e a eficiência do sistema são melhorados. Além disso, a quota de energia proveniente de FER transmitida através das redes aumenta, o que se traduz na redução das emissões de GEE. Por fim, é importante mencionar que as REI têm a capacidade de sincronizar a procura com a oferta, factor decisivo na integração de SED com redes eléctricas convencionais (Ahat et al., 2013).

4.6.3 Sistemas de poligeração com unidades de armazenamento de energia

A alta eficiência e rentabilidade das centrais de poligeração pode ser melhorada através da utilização de unidades de armazenamento. O armazenamento de calor torna possível relaxar a restrição da produção de calor a cada hora para satisfazer a procura local. Isto permite reduzir os custos da variável de produção de calor através do armazenamento de calor nas alturas em que a procura é baixa e libertando-o nas alturas em que a procura aumenta. Através do relaxamento entre a produção de calor e trabalho, o armazenamento de calor também permite a produção de mais electricidade para o mercado quando o preço de venda é alto e a redução da produção desta quando o preço é mais baixo.

As técnicas típicas para operar sistemas de poligeração com armazenamento são baseadas em optimizações dinâmicas, programação linear inteira-mista (Capuder & Mancarella, 2014), assim como a técnica de decomposição de Benders e outros métodos numéricos. Por exemplo, o polinómio de Lagrange (lagrangian relaxation method) é aplicável ao tratamento de sistemas de poligeração convencionais com armazenamento no contexto do desenvolvimento de SES (Rong et al., 2008). Recentemente, Ferrari desenvolveu um software que calcula os custos marginais de uma determinada central a cada momento de forma a responder rapidamente a mudanças em tempo real (e.g. variações no preço de mercado). Esta é uma abordagem interativa pioneira no desenvolvimento de ferramentas que permitem afinar o controlo e a optimização da central em tempo real (Ferrari, Pascenti, Sorce, Traverso, & Massardo, 2014).

No caso de ser necessário conectar um SED com uma rede eléctrica convencional, um novo problema emerge da interação entre o sistema de poligeração e a rede de transmissão. Cada SED pode produzir energia térmica para satisfazer a procura local (A&A), enquanto uma parte da procura de electricidade pode ser satisfeita através da produção local e a outra transferida através da rede eléctrica. Apesar de não existir investigação específica a tratar este assunto, é possível desenvolver algoritmos especializados eficientes ao explorar a estrutura combinada de um modelo de poligeração e rede de transmissão, semelhante às abordagens apresentadas na pesquisa anterior (Rong et al., 2006).

Este problema difere do problema da produção e transmissão convencional, onde apenas a central dedicada tem capacidade de produção, e a electricidade apenas pode ser transmitida da central para os utilizadores finais. Neste novo problema, todos os SED têm capacidade variável

70

de produção e de recepção de electricidade. A electricidade deve ser transmitida dos SED com menores custos marginais de produção para SED com maiores custos marginais de produção. O custo marginal da produção de electricidade para cada SED precisa de ser determinado dinamicamente quando a procura de outros produtos energéticos são satisfeitos (Ng & Sy, 2014).