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AGALHÃESDissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de
MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL —ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES
Orientador: Professora Maria Helena Póvoas Corvacho
Coorientador: Doutor Fernando Pedro Fernandes Pereira
Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446
Editado por
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias
4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 [email protected] http://www.fe.up.pt
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2019/2020 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2020.
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Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor.
À minha família
AGRADECIMENTOS
O desenvolvimento desta dissertação em condições de confinamento tornou-se ainda mais desafiante. E o apoio das pessoas que tive ao meu lado foi crucial. Por isso, sinto-me grata. Não só pela motivação que me deram ao longo deste período, mas em todo o meu percurso académico. A vocês, agradeço.
À minha orientadora e professora, Helena Corvacho, pela ajuda, conselhos, conhecimentos e disponibilidade que me deu ao longo deste semestre, mesmo tendo em conta as dificuldades da orientação à distância. E ao meu coorientador, Pedro Pereira, por, desde o primeiro dia, se mostrar disponível para ajudar no que fosse preciso.
À Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, e todos os envolvidos.
Ao Hugo, pela paciência, apoio, carinho e, acima de tudo, por depositar em mim uma confiança enorme. A motivação que me deste foi essencial. E nada disto teria sido possível sem ti.
Ao Henrique, Zé, Corticeiro e Diogo. Tornaram estes seis anos nos melhores que eu poderia ter tido. Obrigada pela vossa amizade e por nunca me deixarem desistir. Sem dúvida alguma, a FEUP proporcionou-me amigos para a vida.
À Rita, Cassandra, Mariana e Leninha. Por serem as primeiras a apoiar-me e aplaudir-me, em todas as etapas da minha vida. A vossa amizade foi e será sempre imprescindível. Até sermos velhinhas.
Aos meus avós, José e Olinda, por terem sido os meus primeiros professores e por se mostrarem tão orgulhosos de mim, mesmo nas mais pequenas conquistas.
Aos meus tios, Celso, Mimi, Paulo, Mafalda, Susana, Róri e Nocas. Obrigada pela vossa motivação. São como segundos pais para mim e deposito em cada um de vocês um enorme carinho e admiração.
Aos meus primos, Ana, Du, Sara, João, Raulzinho, Vasco, Zé Maria e Afonso. Porque, para além de família, são os melhores amigos que eu poderia ter. Que a nossa enorme cumplicidade nunca acabe.
Aos meus irmãos, Nuno e Sofia. Sei que as minhas adversidades são também as vossas e que vamos sempre fazer tudo uns pelos outros. Para sempre.
Aos meus pais, que são e serão sempre o mais forte pilar na minha vida. Obrigada pelo vosso apoio incondicional em todas as etapas e em particular neste percurso académico. A vocês e aos meus irmãos, agradeço-vos por tudo.
RESUMO
As entidades europeias e nacionais, nos últimos anos, têm vindo a estabelecer compromissos com vista à diminuição de gases com efeito de estufa, redução do consumo energético por parte dos edifícios, integração de energias renováveis no sistema elétrico de energia e ampliação da competitividade e sustentabilidade no domínio energético. Um dos objetivos, a longo do prazo, destes órgãos baseia-se na transformação do edificado do parque imobiliário em edifícios nZEB.
Neste sentido, pretende-se com esta dissertação uma análise ao desempenho energético dos edifícios nZEB, tendo em conta o comportamento dos ocupantes e o seu impacto.
Inicialmente, desenvolve-se um estado da arte onde se destacam várias matérias relativas ao conceito nZEB e sua legislação europeia e nacional, à produção e armazenamento de energia, evidenciando a produção in situ e armazenamento de energia em baterias, e ao comportamento dos ocupantes e respetivo impacto energético.
Nesta perspetiva, recorreu-se, então, à utilização da ferramenta de simulação DesignBuilder para um estudo do comportamento energético e térmico de um protótipo nZEB, equipado com painéis solares fotovoltaicos e bateria associada.
Segue-se a apresentação dos resultados obtidos. Numa primeira parte, é validada a utilização deste programa de simulação através da modelação de perfis de ocupação já existentes e correspondente comparação dos valores das temperaturas reais coletadas e das temperaturas simuladas. A segunda parte consiste no desenvolvimento de seis novos cenários de ocupação habitacionais e na exposição dos resultados obtidos para cada um dos mesmos, associados à temperatura interior e consumo energético, para um período de simulação de um ano.
A discussão destes resultados incluiu uma comparação do comportamento térmico e das necessidades energéticas de cada um dos cenários. Finalmente, foi avaliada a influência da bateria de armazenamento no desempenho energético do edifício, fazendo-se variar a sua capacidade.
Em suma, este trabalho permite analisar o impacto de diferentes perfis de ocupação no balanço energético de um protótipo nZEB e facilita a compreensão dos fatores que mais influenciam o mesmo.
PALAVRAS-CHAVE: nZEB, consumo energético, comportamento dos ocupantes, baterias, energias renováveis
ABSTRACT
The European and national entities, in the last few years, have been establishing commitments with a view to the diminution of the greenhouse gases, reduction in the electric consumption by the buildings, integration of renewable energy in the electric system and ampliation of the competitiveness and sustainability in the energetic domain. One of the goals, in long term, of these entities is based on the transformation of the buildings integrated in the housing stock in nZEB buildings.
In this sense, it is intended with this dissertation a review of the energetic performance of nZEB buildings, taking in account the behavior of the occupants and their impact.
Initially it is developed a state of the art where it stands out several subjects relative to the nZEB concept and its European and national legislation, to the production and energy storage, evidencing the in situ production and the energy storage in batteries, and to the behavior of the occupants and their energetic impact.
In this perspective, we appealed to the use of the DesignBuilder simulation for a study of the energetic and thermal behavior of a nZEB prototype, equipped with photovoltaic solar panels and an associated battery.
The presentation of the obtained results is followed. Firstly, it is validated the utilization of this simulation software through the modulation of existing occupation profiles and corresponding comparison of the values of real temperatures collected and the simulated temperatures. The second part consists on the development of six new scenarios of habitational occupation and in the exposition of the obtained results, for a simulation period of one year, associated to the interior temperature and the energetic consumption for each of them.
The discussion of these results included a comparison of the thermal behavior and the energetic necessities for each of the scenarios. Finally, it was evaluated the influence of the storage battery on the energetic performance of the building, varying its capacity.
In short, this work allows the analysis of the impact of different occupation profiles on the energetic balance of a nZEB prototype and facilitates the understanding of the factors that most influences it.
ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ...iii ABSTRACT ... v
1
INTRODUÇÃO ... 1
MOTIVAÇÃO ... 1 OBJETIVOS ... 2ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURA DO TEXTO ... 2
2
E
STADO DA
A
RTE
... 3
EDIFÍCIOS NZEB ... 3
2.1.1.ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO ... 3
2.1.2.DEFINIÇÃO REGULAMENTAR EM PORTUGAL ... 5
PRODUÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ... 6
2.2.1.PRODUÇÃO RENOVÁVEL IN SITU ... 6
2.2.2.CONCEITO DE BATERIAS ... 9
2.2.3.TIPOS DE BATERIAS ... 10
2.2.4.DIMENSIONAMENTO DE BATERIAS ... 12
2.2.5.BATERIAS DE SEGUNDA VIDA ... 15
2.2.6.ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO ... 17
COMPORTAMENTO DOS OCUPANTES ... 19
2.3.1.CONCEITO ... 19
2.3.2.MODELAÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS OCUPANTES ... 20
2.3.3.IMPACTO DO COMPORTAMENTO DOS OCUPANTES NO CONSUMO ENERGÉTICO . 24
3
M
ETODOLOGIA
... 27
DESCRIÇÃO DO CASO DE ESTUDO ... 27
3.1.1.GEOMETRIA DO EDIFÍCIO ... 28
3.1.2.PAINÉIS DA PAREDE ... 30
3.1.3.PAVIMENTO E COBERTURA ... 33
3.1.4.JANELAS ... 34
3.1.5.DISPOSITIVOS DE VENTILAÇÃO ... 37
3.1.7.PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS ... 39 3.1.8.BATERIAS ... 40 3.1.9.PISO RADIANTE ... 40 3.1.10.CLIMATIZAÇÃO... 41 3.1.11.SENSORES ... 41 3.1.12.DOMÓTICA ... 45
SIMULAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO E ENERGÉTICO ... 47
3.2.1.GEOMETRIA ... 47
3.2.2.PAINÉIS DA ENVOLVENTE ... 48
3.2.3.JANELAS E SOMBREAMENTO ... 48
3.2.4.VENTILAÇÃO... 49
3.2.5.PAINÉIS SOLARES FOTOVOLTAICOS ... 49
3.2.6.BATERIAS ... 50
4
RESULTADOS ... 51
VALIDAÇÃO DO MODELO DO PROTÓTIPO ... 51
4.1.1.PERFIL LIVRE ... 53
4.1.2.PERFIL ATIVO ... 54
4.1.3.PERFIL PASSIVO ... 55
CENÁRIOS DE OCUPAÇÃO ... 56
4.2.1.PRIMEIRO CENÁRIO DE OCUPAÇÃO ... 57
4.2.1.1. Temperaturas ... 57
4.2.1.2. Consumo Energético ... 59
4.2.2.SEGUNDO CENÁRIO DE OCUPAÇÃO ... 60
4.2.2.1. Temperaturas ... 60
4.2.2.2. Consumo Energético ... 62
4.2.3.TERCEIRO CENÁRIO DE OCUPAÇÃO ... 64
4.2.3.1. Temperaturas ... 64
4.2.3.2. Consumo Energético ... 66
4.2.4.QUARTO CENÁRIO DE OCUPAÇÃO ... 67
4.2.4.1. Temperaturas ... 67
4.2.4.2. Consumo Energético ... 69
4.2.5.QUINTO CENÁRIO DE OCUPAÇÃO ... 71
4.2.5.2. Consumo Energético ... 73
4.2.6.SEXTO CENÁRIO DE OCUPAÇÃO ... 74
4.2.6.1. Temperaturas ... 74
4.2.6.2. Consumo Energético ... 76
5
DISCUSSÃO GERAL DOS RESULTADOS ... 78
VALIDAÇÃO DO MODELO DO PROTÓTIPO ... 78
CENÁRIOS DE OCUPAÇÃO ... 78 5.2.1.TEMPERATURAS ... 78 5.2.2.CONSUMO ENERGÉTICO ... 79
6
CONCLUSÕES ... 87
CONCLUSÕES FINAIS ... 87 DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 89 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 90ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Evolução da Produção Elétrica em Portugal Continental (APREN 2020). ... 7
Figura 2 - Resumo dos prós e contras das técnicas de dimensionamento do sistema de armazenamento de energia com baterias (Yang et al. 2018). ... 12
Figura 3 - Estudos de dimensionamento do sistema de armazenamento de energia com baterias em sistemas de energia renovável distribuída. ... 13
Figura 4 - SoC da bateria por tipo de ocupação (Pereira e Ramos 2019)... 15
Figura 5 – Valor médio de SoC em 24h por perfil de ocupação (Pereira e Ramos 2019). ... 16
Figura 6 - Estado de carga da bateria, considerando um mês com chuva e um mês sem chuva (Pereira e Ramos 2019). ... 16
Figura 7 - Fatores e subfatores que influenciam o comportamento energético dos ocupantes. Adaptado de (Delzendeh et al. 2017). ... 19
Figura 8 - Comparação de revisões de literatura sobre presença e ações dos ocupantes desde 2015 (Carlucci et al. 2020) ... 21
Figura 9 - Tipos de atividades dos ocupantes que afetam o consumo de energia nos edifícios. Adaptado de (Delzendeh et al. 2017). ... 25
Figura 10 – Média e intervalos de confiança de 95% para o consumo de energia (LOG) em MJ / ano por perfil de utilizador (Guerra Santin 2011). ... 26
Figura 11 – Fotografia do protótipo localizado na FEUP. ... 27
Figura 12 – Planta do protótipo em estudo. ... 28
Figura 13 – Fotografias da sala+cozinha. ... 28
Figura 14 – Fotografias da casa de banho. ... 29
Figura 15 – Fotografia do quarto. ... 29
Figura 16 – Vista em corte vertical do painel das paredes exteriores. ... 30
Figura 17 – Vista em corte vertical do painel das paredes interiores. ... 30
Figura 18 – Primeiro esquema de ligação das paredes exteriores. ... 31
Figura 19 – Segundo esquema de ligação das paredes exteriores. ... 31
Figura 20 – Primeiro esquema de ligação das paredes interiores. ... 31
Figura 21 – Segundo esquema de ligação das paredes interiores. ... 32
Figura 22 – Vista em corte transversal do painel da cobertura. ... 33
Figura 23 – Vista em corte transversal da solução construtiva do pavimento ... 33
Figura 24 – Figuras ilustrativas da porta principal da entrada, da janela da cozinha e da porta secundária da cozinha e do quarto, respetivamente. ... 35
Figura 25 – Figuras ilustrativas da porta do corredor e da janela da casa de banho, respetivamente. 35 Figura 26 - Fotografia das janelas do quarto e da sala de estar. ... 36
Figura 28 – Sistema de ventilação mecânica instalado no protótipo. ... 38
Figura 29 - Bomba de calor sanitária utilizada no protótipo. ... 38
Figura 30 – Painéis fotovoltaicos do protótipo. ... 39
Figura 31 – Fotografias da bateria instalada no protótipo. ... 40
Figura 32 – Filme de aquecimento instalado no protótipo. ... 40
Figura 33 – Aparelho de ar condicionado instalado no protótipo. ... 41
Figura 34 – Localização dos sensores do sistema de monitorização do protótipo. ... 41
Figura 35 – Sensor de temperatura, humidade relativa e teor de CO2. ... 42
Figura 36 – Sensor de humidade relativa exterior. ... 43
Figura 37 – Sensor de luminosidade, crepúsculo e temperatura exterior. ... 44
Figura 38 – Estação meteorológica. ... 45
Figura 39 – Fotografia do painel de controlo instalado no protótipo. ... 46
Figura 40 – Página principal do controlo remoto do protótipo. ... 46
Figura 41 – Vistas isométricas do protótipo em estudo. ... 47
Figura 42 – Imagem da ferramenta de conversão de dados climáticos do EnergyPlus... 51
Figura 43 – Exemplo de perfil personalizado, inserido num “7/12 schedule”, no programa DesignBuilder. ... 52
Figura 44 – Gráfico de comparação de temperaturas do perfil livre. ... 53
Figura 45 – Gráfico de comparação de temperaturas do perfil ativo. ... 54
Figura 46 – Gráfico de comparação de temperaturas do perfil passivo. ... 55
Figura 47 – Gráfico de temperaturas médias diárias para o primeiro cenário de ocupação. ... 57
Figura 48 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de inverno, no primeiro cenário de ocupação ... 58
Figura 49 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de verão, no primeiro cenário de ocupação. ... 58
Figura 50 – Gráfico do consumo energético mensal do primeiro cenário de ocupação... 59
Figura 51 – Gráfico do consumo energético diário total, para o primeiro cenário de ocupação. ... 60
Figura 52 – Gráfico de temperaturas médias diárias para o segundo cenário de ocupação. ... 61
Figura 53 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de inverno no segundo cenário de ocupação. ... 61
Figura 54 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de verão no segundo cenário de ocupação. ... 62
Figura 55 – Gráfico do consumo energético mensal do segundo cenário de ocupação. ... 63
Figura 56 - Gráfico do consumo energético total diário para o segundo cenário de ocupação. ... 63
Figura 58 - Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de inverno no terceiro
cenário de ocupação. ... 65
Figura 59 - Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de verão no terceiro cenário de ocupação. ... 65
Figura 60 - Gráfico do consumo energético mensal para o terceiro cenário de ocupação. ... 66
Figura 61 - Gráfico do consumo energético total diário para o terceiro cenário de ocupação. ... 67
Figura 62 – Gráfico de temperaturas médias diárias para o quarto cenário de ocupação. ... 68
Figura 63 - Gráfico da temperatura interior com valores horários da semana de inverno no quarto cenário de ocupação. ... 68
Figura 64 – Gráfico da temperatura interior com valores horários da semana de verão no quarto cenário de ocupação. ... 69
Figura 65 – Gráfico do consumo energético mensal do quarto cenário de ocupação. ... 70
Figura 66 - Gráfico do consumo energético total diário para o quarto cenário de ocupação. ... 70
Figura 67 - Gráfico das temperaturas médias diárias para o quinto cenário de ocupação. ... 71
Figura 68 - Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de inverno no quinto cenário de ocupação. ... 72
Figura 69 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de verão no quinto cenário de ocupação. ... 72
Figura 70 – Gráfico dos consumos energéticos mensais por tipo, para o quinto cenário de ocupação. ... 73
Figura 71 - Gráfico do consumo total diário para o quinto cenário de ocupação. ... 74
Figura 72 - Gráfico das temperaturas médias diárias para o sexto cenário de ocupação. ... 75
Figura 73 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de inverno no sexto cenário de ocupação. ... 75
Figura 74 – Gráfico da temperatura interior com valores horários para a semana de verão no sexto cenário de ocupação. ... 76
Figura 75 – Gráfico do consumo energético mensal do sexto cenário de ocupação. ... 77
Figura 76 - Gráfico do consumo energético total diário para o sexto cenário de ocupação. ... 77
Figura 77 – Gráfico boxplot relativo às temperaturas horárias ao longo de um ano, para cada cenário. ... 79
Figura 78 – Comparação do consumo total anual dos diferentes cenários. ... 80
Figura 79 – Gráfico relativo às necessidades energéticas de cada cenário de ocupação, por tipo de consumo. ... 80
Figura 80 – Gráfico relativo às necessidades energéticas anuais dos equipamentos, por cenário de ocupação. ... 81
Figura 81 – Gráfico relativo às necessidades energéticas do aquecimento, por cenário de ocupação. ... 82
Figura 82 – Gráfico relativo às necessidades energéticas do arrefecimento, por cenário de ocupação. ... 82 Figura 83 – Gráfico relativo às necessidades energéticas do aquecimento das águas quentes sanitárias, por cenário de ocupação. ... 83 Figura 84 – Gráfico de dispersão relativo ao consumo anual e o número de ocupantes. ... 84 Figura 85 – Gráfico relativo às fontes de energia para o consumo e ao excedente de energia produzida, com uma bateria de 6 kWh. ... 85 Figura 86 – Gráfico relativo às fontes de energia para o consumo e ao excedente de energia produzida, com uma bateria de 12 kWh. ... 86
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Aplicação das exigências para edifícios de necessidades quase nulas de energia em função da data de início do processo de licenciamento ou autorização de edificação (Portaria_n.º98/2019
2019). ... 6
Tabela 2 – Lista de vantagens e desvantagens da instalação de painéis solares fotovoltaicos. ... 8
Tabela 3 – Lista de vantagens e desvantagens da aplicação de baterias de iões de lítio. ... 11
Tabela 4 – Caraterísticas do painel SIP. ... 32
Tabela 5 – Caraterísticas dos envidraçados do protótipo. ... 34
Tabela 6 – Caraterísticas do sistema de ventilação mecânica do protótipo. ... 37
Tabela 7 –Caraterísticas elétricas de STC (Standard Test Conditions): E= 1000W/m2; Tc=25ºC; AM=1,5. ... 39
Tabela 8 – Caraterísticas das soluções construtivas da envolvente. ... 48
Tabela 9 – Caraterísticas dos envidraçados. ... 48
Tabela 10 - Caraterísticas dos painéis solares fotovoltaicos simulados... 49
SÍMBOLOS,ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS
Nic – Necessidades energéticas nominais de energia útil para aquecimento [kWh/m2 .ano]
Ni – Valor máximo das necessidades energéticas nominais de energia útil para aquecimento [kWh/m2 .ano]
Ntc – Necessidades energéticas nominais de energia primária [kWhEP/m².ano]
Nt – Valor máximo das necessidades energéticas nominais de energia primária [kWh/m2 .ano] Pmáx – Potência nominal máxima (W)
Voc – Voltagem de curto-circuito (V) Isc – Corrente de curto-circuito (A) Vmp – Tensão na potência nominal (V) Imp – Corrente com potência nominal (A)
U – Coeficiente de transmissão térmica superficial [W/m2ºK] NOCT – Normal Operating Cell Temperature
TVoc – Coeficiente de temperatura da voltagem de curto-circuito [%/ºC] TIsc – Coeficiente de temperatura da corrente de curto-circuito [%/ºC]
AQS – Águas Quentes Sanitárias
AVAC – Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado BESS – Battery Energy Storage System
BIM – Building Information Modelling CAD – Computer Aided Design CO2 – Dióxido de Carbono CoP – Coefficient of Performance
DGEG – Direção Geral de Energia e Geologia EPS – Poliestireno Expandido
ESS – Energy Storage System
FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto HETUS – Harmonised European Time-Use Surveys
LSF – Light Steel Frame
nZEB - nearyly Zero Energy Building OSB – Oriented Strand Board
RECS – Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços REH – Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação
RESP – Rede Elétrica de Serviço Público
SCE – Sistema de Certificação Energética dos Edifícios SIP – Structural Insulated Panels
SoC – State of Charge
SRI – Smart Readiness Indicator TUS – Time-Use Surveys
UPAC – Unidade de Produção para Autoconsumo UPP – Unidade de Pequena Produção
1
INTRODUÇÃO
MOTIVAÇÃO
Atualmente, as alterações climáticas representam uma urgência mundial, com consequências transversais no âmbito económico, social e ambiental, suscitando a preocupação e o desenvolvimento de medidas ambivalentes que intensifiquem o combate à presente crise global.
Estima-se que cerca de um terço da energia primária total a nível mundial seja consumida pelos edifícios (Paone e Bacher 2018). O aumento deste consumo ao longo do tempo pode ser justificado pelo incremento dos índices sociais associados à qualidade de vida.
Como tal, as entidades europeias e nacionais têm vindo a desenvolver políticas com vista a um novo paradigma energético com o intuito de reduzir as necessidades de energia e incentivar a integração de energias renováveis no sistema elétrico, trabalhando em prol da diminuição dos gases poluentes e da agilização da transformação dos edifícios do parque imobiliário em edifícios nZEB.
Neste contexto, os sistemas de energia renovável têm sido uma opção cada vez mais recorrente para a produção energética in situ. Dado o elevado potencial das fontes renováveis em Portugal, o autoconsumo apresenta-se como uma modalidade progressivamente mais apelativa. No entanto, a intermitência inerente à produção energética através de sistemas de energia renovável leva a excedentes de energia e à necessidade de recorrer à rede elétrica. A associação de baterias recarregáveis no sistema de captação de energia é uma solução desenvolvida para resolver este problema e aumentar a autossuficiência dos edifícios.
Posto isto, a eficiência energética dos edifícios tem-se revelado um objeto de estudo cada vez mais pertinente, resultando no surgimento das mais diversas propostas de solução. No entanto, nos estudos relativos à poupança de energia, o impacto do comportamento dos ocupantes não é relevantemente contemplado, principalmente num contexto residencial. A forma como cada agregado familiar se comporta influencia de forma diferente o consumo energético dos edifícios residenciais. Este comportamento representa ainda uma fonte de incerteza na previsão do consumo energético, principalmente pela sua natureza estocástica e complexa, o que salienta a importância de um estudo aprofundado sobre o assunto. A sua detalhada modelação e posterior simulação possibilitam uma diminuição da discrepância entre o consumo previsto e o consumo real, proporcionando assim uma perceção mais realista da eficiência energética do edifício.
OBJETIVOS
O objetivo final deste trabalho foi o de avaliar a influência do comportamento dos ocupantes nas necessidades de energia de um protótipo nZEB, de forma a refletir sobre as implicações dessa influência no dimensionamento dos sistemas de aproveitamento de energias renováveis e de armazenamento de energia. Assim, para o atingir, foram desenvolvidas várias etapas intermédias, sendo elas:
• Levantamento e análise dos estudos existentes relativos a edifícios nZEB, à produção e armazenamento de energia e ao comportamento dos ocupantes, bem como da legislação em vigor neste domínio;
• Caracterização de um protótipo nZEB, objeto de estudo, e respetivo modelo;
• Utilização do programa DesignBuilder:
− Validação do modelo do protótipo utilizado com base em dados reais, medidos no protótipo;
− Desenvolvimento de cenários de ocupação e análise da sua influência no desempenho térmico e energético do protótipo em estudo;
− Comparação dos resultados obtidos para cada cenário de ocupação simulado;
• Reflexão sobre o impacto de diferentes perfis de ocupação no contexto nZEB.
ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURA DO TEXTO
Esta dissertação de mestrado é constituída por 6 capítulos. No primeiro capítulo, são apresentados a introdução e os objetivos do trabalho, bem como um breve enquadramento ao tema. No segundo capítulo, é apresentado um estado da arte relativo a edifícios nZEB, à produção e armazenamento de energia, com especial destaque para as baterias, e ao comportamento energético dos ocupantes em edifícios habitacionais. O terceiro capítulo destina-se à descrição detalhada do caso de estudo e à exposição dos dados de entrada definidos para o programa de simulação DesignBuilder. No quarto capítulo, são apresentados os resultados relativos à simulação de perfis já existentes para a validação da utilização do programa DesignBuilder assim como os resultados associados a seis cenários de ocupação desenvolvidos, com destaque para as temperaturas interiores e o consumo de eletricidade de cada cenário. O quinto capítulo destina-se à discussão e comparação dos resultados obtidos. Finalmente, no sexto capítulo, são descritas as principais conclusões desta dissertação e possíveis desenvolvimentos futuros associados à matéria abordada.
2
E
STADO DA
A
RTE
EDIFÍCIOS NZEB
2.1.1. ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO
Atendendo ao compromisso definido no Protocolo de Quioto da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre as Alterações Climáticas, foi publicada a Diretiva 2002/91/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 16 de dezembro de 2002, relativa ao desempenho energético dos edifícios. Este compromisso recomendava uma diminuição das emissões de gases com efeito de estufa e uma redução da dependência energética externa da União Europeia.
A Diretiva 2010/31/EU, do Parlamento Europeu e do Conselho de 19 de maio de 2010, surgiu então da necessidade de reformulação da Diretiva 2002/91/CE, reforçando a necessidade de melhoria do desempenho energético dos edifícios. É, então, introduzido o conceito de “edifícios nZEB”.
Segundo o artigo nº 2 da Diretiva nº 2010/31/EU, os edifícios de necessidades quase nulas de energia, conhecidos como edifícios nZEB (nearly Zero Energy Buildings), caraterizam-se por apresentarem um muito elevado desempenho energético, cujas necessidades de energia quase nulas deverão ser satisfeitas em grande medida por energia proveniente de fontes renováveis, incluindo energia produzida no local ou nas proximidades (EPBD 2010).
Este mesmo artigo define “desempenho energético de um edifício” como a energia calculada para satisfazer a necessidade de energia do edifício, conforme a sua utilização, incluindo a energia utilizada para o aquecimento, o arrefecimento, a ventilação, a preparação de água quente e a iluminação (EPBD 2010).
Apesar de ser estabelecida uma definição para edifícios com necessidades de energia quase nulas nesta Diretiva, este conceito apresenta uma certa subjetividade, visto que cabe aos Estados-Membros definir os requisitos mínimos para o desempenho energético dos edifícios e dos elementos construtivos. Isto porque o desempenho energético depende das caraterísticas térmicas e de outros fatores como as instalações de aquecimento e ar condicionado, a aplicação de energia proveniente de fontes renováveis, os sistemas de aquecimento e arrefecimento passivo, os sombreamentos, a qualidade do ar interior, a luz natural adequada e a conceção dos próprios edifícios. Sendo assim, este poderá variar a nível nacional e regional e deverá ser calculado com base numa metodologia própria (EPBD 2010).
Esta Diretiva dita ainda, no artigo nº 9, que os Estados-Membros têm que assegurar que todos os novos edifícios tenham necessidades quase nulas de energia após dia 31 de dezembro de 2020, e que os novos edifícios públicos sejam edifícios com necessidades quase nulas de energia, após o dia 31 de dezembro de 2018. Para além disto, o edificado existente que sofra importantes reabilitações/intervenções deve apresentar requisitos mínimos de desempenho energético, tendo em vista, no futuro, um balanço energético nulo ou quase nulo, priorizando-se soluções passivas (EPBD 2010).
Em 2018, foi publicada a nova Diretiva 2018/844/EU, que apresenta as alterações à Diretiva 2010/31/EU, sobre o desempenho energético dos edifícios, e à Diretiva 2012/27/EU, relativa à eficiência energética. Estas alterações vieram reforçar e simplificar certas disposições apresentadas na Diretiva de 2010. A sua principal finalidade é agilizar a transformação rentável dos edifícios existentes.
Esta nova Diretiva reforça, então, as medidas que foram já apresentadas aos Estados-Membros na Diretiva de 2010, com especial destaque nos edifícios com necessidades quase nulas de energia. Um dos seus objetivos é, então, promover a descarbonização e a eficiência energética do parque imobiliário nacional, a longo prazo, até 2050, incluindo edifícios residenciais e não residenciais, públicos e privados, através da transformação dos mesmos em edifícios com necessidades quase nulas de energia. É também reforçada a relevância das tecnologias de informação inteligentes, sendo que uma das principais novidades desta Diretiva é o indicador de aptidão (Smart Readiness Indicator – SRI), cujos objetivos são a adaptação do funcionamento do edifício às necessidades dos ocupantes e à rede e a melhoria da eficiência energética e do desempenho global do edifício, através da automatização e do controlo nos edifícios (EPBD 2018).
Em Portugal, foi publicado, em 2013, o Decreto-Lei nº 118/2013, de 20 de agosto, sendo assegurada a transposição para a ordem jurídica interna da Diretiva 2010/31/EU, assim como a revisão da legislação nacional relativa ao Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), em vigor desde 2006 (DGEG). Este engloba, num só diploma, o Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e o Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS), passando a existir uma separação clara de regras e metodologias dos dois tipos de edifícios (Decreto-Lei_n.º118/2013 2013). Ainda em 2013, foi publicado um conjunto de Portarias e Despachos associado ao diploma em questão que esclarecem o método de aplicação desta legislação de eficiência energética dos edifícios.
Segundo a (DGEG), os principais objetivos do Decreto-Lei nº118/2013 são:
• “assegurar a aplicação regulamentar no que respeita às condições de eficiência energética e à utilização de sistemas de energias renováveis de acordo com as exigências e disposições contidas no REH e no RECS;
• certificar o desempenho energético nos edifícios;
• identificar as medidas corretivas ou de melhoria de desempenho energético aplicáveis aos edifícios e principais tipos de sistemas técnicos dos edifícios, ficando assim, igualmente sujeitos a padrões mínimos de eficiência energética, os sistemas de climatização, de preparação de água quente sanitária, de iluminação, de aproveitamento de energias renováveis de gestão de energia.”
Surge, então, neste novo diploma, o conceito de edifícios com necessidades quase nulas de energia, o qual passará a constituir uma obrigatoriedade, tal como se constata na Diretiva 2010/31/EU, como se pode ler: “Devem ter necessidades quase nulas de energia os edifícios novos licenciados após 31 de dezembro de 2020, ou após 31 de dezembro de 2018 no caso de edifícios novos na propriedade de uma entidade pública e ocupados por uma entidade pública.” (Decreto-Lei_n.º118/2013 2013).
Segundo o artigo nº 16 do Decreto-Lei nº 118/2013, um edifício com necessidades quase nulas de energia é dotado de:
“a) Componente eficiente compatível com o limite mais exigente dos níveis de viabilidade económica que venham a ser obtidos com a aplicação da metodologia de custo ótimo, diferenciada para edifícios novos e edifícios existentes e para diferentes tipologias, definida na portaria a que se refere o número anterior; e de
b) Formas de captação local de energias renováveis que cubram grande parte do remanescente das necessidades energéticas previstas, de acordo com os modelos do REH e do RECS, de acordo com as seguintes formas de captação:
i) Preferencialmente, no próprio edifício ou na parcela de terreno onde está construído;
ii) Em complemento, em infraestruturas de uso comum tão próximas do local quanto possível, quando não seja possível suprir as necessidades de energia renovável com recurso à captação local prevista especificamente para o efeito.” (Decreto-Lei_n.º118/2013 2013).
2.1.2. DEFINIÇÃO REGULAMENTAR EM PORTUGAL
A publicação da Portaria nº 98/2019, de 2 de abril, ocorre pela necessidade de alteração da Portaria nº 349-B/2013, de 29 de novembro, e pela importância da pormenorização do conceito de edifícios nZEB, conforme as novas exigências regulamentares do REH.
Pode-se, então, ler nesta nova Portaria, sobre “os edifícios com necessidades quase nulas de energia, conhecidos por nZEB, caracterizados por apresentarem um desempenho energético muito elevado, e terem as suas necessidades de energia quase nulas ou muito pequenas, cobertas em grande medida por energia proveniente de fontes renováveis, seja produzida no local ou nas proximidades.” (Portaria_n.º98/2019 2019).
São destacados, nesta Portaria, o artigo n.º 9 da Diretiva 2010/31/EU, que faz referência à obrigatoriedade descrita no capítulo anterior, e o artigo n.º 16 do Decreto-Lei n.º 118/2013, que refere um conjunto de disposições associadas aos edifícios nZEB (Portaria_n.º98/2019 2019).
É acrescentado, no anexo da nova Portaria nº98/2019, de 2 de abril, o ponto 6. relativo a edifícios de habitação de necessidades quase nulas. O ponto 6.1., referente às necessidades energéticas, dita que o valor das necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento (Nic) para edifícios de
habitação de necessidades quase nulas de energia deve ser inferior ou igual a 75% do seu valor máximo (Portaria_n.º98/2019 2019).
≤ 0,75 ×
Quanto ao valor das necessidades energéticas nominais de energia primária (Ntc) para edifícios de
habitação de necessidades quase nulas de energia, este deve ser inferior ou igual a 50% do seu valor máximo (Portaria_n.º98/2019 2019).
≤ 0,50 ×
Para além disto, o ponto 6.2. relativo ao aproveitamento de fontes de energia renovável indica que 50% das necessidades anuais de energia primária dos edifícios de habitação de necessidades energéticas quase nulas devem ser supridas pelos sistemas para aproveitamento de fontes de energia renovável (Portaria_n.º98/2019 2019).
É ainda apresentada uma tabela com as exigências para edifícios de necessidades quase nulas de energia em função da data de início do processo de licenciamento ou autorização de edificação.
PRODUÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA
2.2.1.PRODUÇÃO RENOVÁVEL IN SITU
Para satisfazer a enorme necessidade global de energia elétrica, a maioria da produção de eletricidade é realizada em grandes unidades centralizadas. Para além de serem mais vantajosas em termos de economia de escala, facilitam as transmissões de eletricidade em longas distâncias. No entanto, atualmente existe uma grande preocupação global e um crescente incentivo à integração das energias renováveis no sistema elétrico de energia, com vista à melhoria do desempenho energético e à diminuição de gases com efeito de estufa e emissões poluentes, libertados pelas grandes indústrias de produção. De facto, como mencionado anteriormente, existe hoje em dia a obrigatoriedade de construir ou transformar os edifícios existentes em edifícios nZEB. Posto isto, a produção distribuída apresenta um especial interesse. Uma fonte de produção distribuída é uma fonte de geração de energia elétrica em pequena escala localizada próxima do local de consumo, sendo que pode existir ligação à rede ou funcionar independente da mesma (Viral e Khatod 2012).
Tabela 1 - Aplicação das exigências para edifícios de necessidades quase nulas de energia em função da data de início do processo de licenciamento ou autorização de edificação (Portaria_n.º98/2019 2019).
É preciso ter em conta que a dimensão das unidades de produção e a localização das mesmas ditam os possíveis benefícios que se podem alcançar com a produção distribuída. Em Portugal, beneficia-se de um grande potencial para o uso de energias renováveis. Consegue-se obter o aproveitamento energético da água, da luz solar, das ondas e do vento graças à extensa frente marítima, que beneficia dos ventos atlânticos, à densa rede hidrográfica, e à elevada exposição solar. E, de facto, as energias renováveis têm tido um papel cada vez mais importante na produção de eletricidade em Portugal (Figura 1).
A produção distribuída é, então, vantajosa na medida em que é realizada próxima do ponto de consumo, ou seja, há uma redução de perdas de energia e de custos relacionados com o transporte e a distribuição. Para além disso, a dimensão destas unidades facilita a sua instalação e o seu correto posicionamento. O desenvolvimento tecnológico tem provocado uma diminuição nos custos destas unidades, ao contrário dos custos de transporte e distribuição de eletricidade, e tem proporcionado uma vasta gama de novas opções. Este tipo de produção oferece também uma maior segurança no fornecimento de energia e, como é evidente, uma redução das emissões de gases com efeito de estufa (Viral e Khatod 2012).
Tendo em conta o desenvolvimento deste trabalho, é importante destacar a modalidade de produção em regime de autoconsumo. Este pode-se descrever como a fração da totalidade da produção de energia utilizada para consumo próprio do proprietário da Unidade de Produção para Autoconsumo (UPAC). Dentro das opções de sistemas de energia renovável a aplicar em regime de autoconsumo, nomeadamente para consumidores domésticos, as tecnologias mais frequentemente utilizadas são as microturbinas eólicas e os painéis fotovoltaicos.
A função das turbinas eólicas é transformar a energia cinética do vento em energia mecânica e posteriormente em energia elétrica. Com o desenvolvimento tecnológico, vão surgindo globalmente várias opções de microturbinas eólicas para utilização doméstica. Como dito anteriormente, Portugal é
Figura 1 - Evolução da Produção Elétrica em Portugal Continental (APREN 2020).
privilegiado no que toca às condições de aproveitamento do vento. No entanto, estas apresentam ainda diversas limitações. Em primeiro lugar, estas turbinas dependem unicamente do vento, o qual é bastante imprevisível e incontrolável. Em segundo lugar, o ruído que estas provocam é ainda um problema a ultrapassar. Por fim, a turbina suporta apenas um limite de velocidade, sendo que a dado instante tem que parar de modo a evitar o sobreaquecimento. Contudo, as microturbinas eólicas têm a vantagem de ter uma produtividade mais elevada quando comparadas com os painéis fotovoltaicos, e o investimento é também menos dispendioso.
Os painéis solares fotovoltaicos têm como função converter a energia solar em energia elétrica, através das células fotovoltaicas, formadas por materiais semicondutores. Sendo que Portugal apresenta uma elevada taxa de insolação, existe um crescente interesse na aplicação destes dispositivos. Esta tecnologia pertence ainda a um mercado com pouca experiência, mas com bastante potencial. Assim sendo, uma maior concorrência leva a uma maior competitividade nos investimentos iniciais e, consequentemente, a uma redução de custos. De seguida, é apresentada a Tabela 2 que refere as vantagens e desvantagens deste tipo de instalação (Adefarati e Bansal 2019; Sampaio e González 2017):
Tabela 2 – Lista de vantagens e desvantagens da instalação de painéis solares fotovoltaicos.
Vantagens Desvantagens
• Pequeno impacto na paisagem urbana;
• Facilidade de instalação dos painéis;
• Pouca necessidade de manutenção;
• Vida útil superior a 20 anos;
• Redução de emissões de gases com efeito de estufa;
• Diminuição da dependência energética nacional;
• Aumento da segurança e fiabilidade do fornecimento de energia;
• Redução das perdas de energia;
• Redução da fatura de eletricidade;
• Aumento da consciencialização do consumidor sobre os impactos ambientais;
• Possibilidade de instalação como sistema híbrido (com turbina eólica, por exemplo).
• Reduzido rendimento das células fotovoltaicas em comparação com o rendimento dos dispositivos de produção de energia através de combustíveis fósseis;
• Elevado custo de instalação;
• Produção de energia limitada ao horário de exposição solar (instalação inexequível em determinados zonas onde a disponibilidade solar é bastante reduzida);
• Pouca eficiência nos períodos de inverno;
• Frequente necessidade de sistema de armazenamento de energia solar para utilizar nos períodos noturnos, aumentando assim o seu custo;
No passado, o propósito dos sistemas fotovoltaicos era essencialmente alimentar a rede elétrica com a eletricidade gerada, existindo uma remuneração com tarifas feed-in. Hoje em dia, com o aumento da
diferença entre tarifas de alimentação fotovoltaica e preços da eletricidade da rede, o uso da eletricidade gerada por energia fotovoltaica para fins domésticos está-se a tornar mais atraente do que alimentar a rede (Weniger, Tjaden e Quaschning 2014). Num esquema de tarifas feed-in, um valor fixo por unidade de eletricidade renovável é pago ao produtor da energia renovável, independentemente do valor de mercado. Esta tarifa atua como um incentivo para compensar os custos mais altos das fontes renováveis em comparação à produção de energia convencional (Behrens et al. 2016). As tarifas feed-in para os sistemas solares de pequena escala foram recentemente reduzidas, passando a ser baseadas no valor do mercado ibérico, sendo esse um valor médio de 0.09€/kWh. Já o preço final de eletricidade para o consumidor é aproximadamente 0.16€/kWh, o que incentiva a aposta no autoconsumo (Pereira e Ramos 2019; Weniger, Tjaden e Quaschning 2014; Rodrigues et al. 2017).
É também importante referir que a combinação de sistemas fotovoltaicos com baterias de armazenamento é uma ótima solução para aumentar a autossuficiência dos edifícios residenciais, uma vez que há uma redução significativa da necessidade de energia da rede elétrica. Durante o dia, é armazenada energia em excesso, sendo esta posteriormente utilizada durante a noite, período durante o qual não é possível adquirir energia (Weniger, Tjaden e Quaschning 2014). No entanto, a associação de uma bateria ao sistema fotovoltaico provoca um incremento considerável no custo da sua instalação.
2.2.2. CONCEITO DE BATERIAS
No setor da construção, como referido no capítulo anterior, existe cada vez mais o incentivo à redução do consumo de energia e à produção de energia a partir de fontes de energia renováveis. Com o surgimento de tarifas que beneficiam o autoconsumo e penalizam a injeção de energia na rede elétrica, torna-se necessário encontrar soluções económicas viáveis de modo a alcançar uma compatibilidade entre a produção e o consumo de energia elétrica (Cusenza et al. 2019).
A intermitência dos sistemas de energia renováveis representa um problema na medida em que se torna difícil o fornecimento de energia no horário desejado. Desenvolveram-se, então, soluções para conseguir equilibrar o fornecimento de energia captada pelo sistema de energia renovável e reduzir a pressão na rede, tais como sistemas de armazenamento de energia, aumentando assim a confiabilidade do fornecimento de eletricidade (Cusenza et al. 2019).
Os sistemas de armazenamento de energia (Energy Storage Systems – ESS) são o conjunto de tecnologias usadas para armazenar várias formas de energia. Dos vários tipos disponíveis, destacam-se os sistemas de armazenamento de energia com baterias (Battery Energy Storage System - BESS) pelas suas vantagens evidentes, tais como resposta rápida e controlabilidade. Além disso, este tipo de sistema possui uma ampla extensão de aplicações, que vão desde o melhoramento da qualidade de energia em curto prazo até à gestão de energia a longo prazo, além de aprimoramento da confiabilidade, fornecimento ininterrupto de energia e adiamento da atualização da transmissão (Yang et al. 2018). Um sistema de armazenamento de energia com baterias (BESS) consiste, então, num dispositivo que utiliza baterias eletroquímicas recarregáveis para armazenar energia. Para um melhor entendimento deste tipo de sistemas de armazenamento, é importante clarificar o conceito das baterias utilizadas. As baterias eletroquímicas são dispositivos que proporcionam a produção de eletricidade através da energia que as reações químicas ocorrentes no seu interior libertam.
Podem-se dividir as baterias eletroquímicas em dois grupos: primárias e secundárias. As primeiras caraterizam-se por não serem recarregáveis, ao contrário das segundas, que podem ser recarregadas (Sumathi, Kumar e Surekha 2015).
As tecnologias de bateria para dispositivos de armazenamento de energia podem ser diferenciadas com base na densidade de energia, eficiência de carga e descarga, vida útil e respeito ao ambiente. A densidade de energia é definida como a quantidade de energia que pode ser armazenada num único sistema por unidade de volume ou por unidade de peso. A eficiência de carga e descarga é uma escala de desempenho que pode ser usada para avaliar a eficiência da bateria. A vida útil de uma bateria é também um fator muito importante no desempenho destes dispositivos, sendo que tem um grande impacto na análise da eficiência económica. Para além disso, é cada vez mais importante a questão ecológica, ou até que ponto os dispositivos respeitam ao meio ambiente (AsianDevelopmentBank 2018). Segundo (Sai, Kumar e Paneerselvam 2015), as principais funções da bateria num sistema fotovoltaico são:
1. Capacidade e autonomia de armazenamento de energia: armazenar energia elétrica quando é produzida pelo painel fotovoltaico e fornecer energia a cargas elétricas, conforme necessário ou sob demanda;
2. Estabilização de tensão e corrente: para fornecer energia a cargas elétricas em tensões e correntes estáveis, suprimindo os fenómenos transitórios que possam ocorrer no sistema fotovoltaico;
3. Correntes de pico de suprimento: para fornecer correntes de pico ou de pico de operação alto a cargas ou aparelhos elétricos.
Atualmente, em comparação com os combustíveis fósseis, as baterias possuem ainda uma baixa capacidade de armazenamento (Viswanathan 2017).
2.2.3. TIPOS DE BATERIAS
Existem vários tipos de baterias, sendo que as mais comuns para aplicação no campo do armazenamento de energia são as seguintes:
• Baterias de chumbo-ácido
• Baterias de hidreto metálico de níquel
• Baterias de níquel-cádmio
• Baterias de iões-lítio
As baterias de chumbo-ácido são o tipo de bateria mais antigo e, também, o dispositivo eletroquímico recarregável mais utilizado para aplicações de armazenamento em pequena e média escala. Estas são consideradas versáteis e confiáveis. Outra vantagem é o seu baixo custo económico, quando em comparação com outras baterias. A sua eficiência ronda os 65-80% e a sua vida útil é curta, variando de 500 a 1000 ciclos. Este tipo de bateria exige uma manutenção regular, possui uma densidade energética baixa e tem um baixo desempenho em temperaturas frias. Para além disso, estas baterias podem emitir
gases explosivos (Beaudin et al. 2010). As baterias de chumbo-ácido são aplicadas principalmente como baterias de motores (Viswanathan 2017).
As baterias de níquel-cádmio têm uma vida útil de 2000 a 2500 ciclos e uma densidade de energia mais alta do que as baterias de chumbo-ácido e apresentam baixos requisitos de manutenção (Luo et al. 2015). A fim de evitar o “efeito de memória”, estas baterias devem ser totalmente descarregadas antes do seguinte ciclo de carregamento, reduzindo assim a sua capacidade. Para além disso, tendo em conta que o cádmio é um elemento químico considerado tóxico, vários países têm vindo a limitar o seu uso (Beaudin et al. 2010). Podem ser aplicadas em calculadoras, câmaras digitais, pagers, computadores portáteis, gravadores, lanternas, dispositivos médicos (como por exemplo, desfibriladores) e veículos elétricos, além de aplicações espaciais (Viswanathan 2017).
As baterias de hidreto metálico de níquel são semelhantes às anteriores, sendo que neste caso o elemento cádmio é substituído por uma liga de absorção de hidrogénio. Apresentam uma capacidade moderada e uma densidade de energia relativamente alta. Uma vantagem destas baterias é que os elementos tóxicos chumbo e cádmio não fazem parte da sua composição, ao contrário das primeiras. Além disso, estas possuem um “efeito memória” bastante reduzido (Luo et al. 2015). São usualmente aplicadas em telemóveis, câmaras de vídeo, iluminação de emergência, ferramentas elétricas, computadores portáteis e veículos elétricos (Viswanathan 2017).
Tendo em conta o desenvolvimento do trabalho, o foco será nas baterias de iões de lítio. Estas baterias constituem um sistema de armazenamento de energia com várias aplicações tais como em telemóveis, em computadores portáteis, em carros híbridos e elétricos (Gören, M. Costa e Lanceros-Méndez 2018) e, mais recentemente, em sistemas de armazenamento de energia. As baterias de iões de lítio apresentam a maior densidade de energia e não necessitam de memória nem ciclo programado para prolongar a sua vida. De seguida, é apresentada a Tabela 3 com as vantagens e desvantagens da aplicação de baterias de iões de lítio (Beaudin et al. 2010; Luo et al. 2015; Viswanathan 2017):
Tabela 3 – Lista de vantagens e desvantagens da aplicação de baterias de iões de lítio.
Vantagens Desvantagens
• Elevada densidade de energia;
• Alta eficiência (acima de 95%);
• Ciclo longo e vida útil prolongada;
• Baixa taxa de auto-descarga;
• Baixa manutenção;
• Sem “efeito de memória”;
• Pequena dimensão e peso;
• Carregamento rápido;
• Variedade de tipos disponíveis.
• Elevado custo inicial;
• Riscos de segurança associados a aumentos de temperatura quando sobrecarregadas ou com curto-circuito interno;
• Impossibilidade de carga rápida a temperaturas negativas;
• Sujeito a envelhecimento, mesmo que não esteja em uso.
2.2.4.DIMENSIONAMENTO DE BATERIAS
Apesar da maturidade e confiabilidade de certas tecnologias de armazenamento com baterias, as questões económicas representam ainda uma grande barreira para a implementação destes sistemas de armazenamento como uma solução convencional, o que torna a otimização do seu dimensionamento crucial. (Yang et al. 2018) realizaram uma revisão da literatura e concluíram que os critérios para o dimensionamento dos sistemas de armazenamento de energia com baterias, com o objetivo de otimizar o mesmo, podem-se dividir em três critérios: indicadores financeiros, indicadores técnicos e indicadores híbridos. Os indicadores financeiros são mais utilizados para sistemas de pequena escala, enquanto os indicadores híbridos são frequentemente aplicados em sistemas renováveis de maior escala. São, também, mencionadas várias técnicas para o dimensionamento dos BESS, cada uma com a sua complexidade e com os seus pontos fortes e fracos. Os métodos mais comuns, sendo que podem ser aplicados a cada um dos indicadores anteriormente referidos, são:
• Métodos probabilísticos;
• Métodos analíticos;
• Métodos diretos baseados em pesquisa;
• Métodos híbridos.
É apresentada, de seguida, uma tabela que resume as implementações, vantagens e desvantagens das técnicas de dimensionamento mencionadas (Figura 2).
Figura 2 - Resumo dos prós e contras das técnicas de dimensionamento do sistema de armazenamento de energia com baterias (Yang et al. 2018).
(Yang et al. 2018) organizaram também uma tabela que resume uma seleção de estudos relativos ao dimensionamento de baterias associados às aplicações em sistemas de energia renovável distribuída (Figura 3).
De acordo com a revisão efetuada por (Yang et al. 2018), as baterias com tamanho variando de aproximadamente 10 kWh a 50 MWh podem ser usadas em sistemas de energia renovável distribuída para uma variedade de propósitos. É razoável instalar cerca de 10 kWh de capacidade da bateria para alimentar uma pequena carga residencial com baixa penetração renovável. No entanto, noutros casos, será necessário um sistema de armazenamento maior para dar suporte ao sistema.
Com a análise dos resultados de diversos estudos relativos ao dimensionamento de sistemas de armazenamento de energia com baterias, verifica-se que a sua comparação pode representar um desafio. Isto porque os resultados são expressos em diferentes unidades, tais como, por exemplo, horas do pico de carga, valor unitário multiplicado pela duração desejada da regulação de tensão, percentagem de energia renovável classificada e, mais frequentemente, pela capacidade de energia e/ou capacidade de potência. (Yang et al. 2018).
Outra questão a ter em conta é a variabilidade significativa dos resultados de dimensionamento dos diferentes estudos. Esta inconstância pode ser justificada pelo facto da capacidade de energia e de potência do sistema de baterias estar altamente relacionada com a escala de aplicação. Ou seja, é necessária uma capacidade de energia muito maior para, por exemplo, uma rede de distribuição regional do que para um sistema de aplicação doméstica. Os resultados dependem também das funções previstas para a bateria no sistema renovável. Por último, as caraterísticas da bateria, incluindo o tipo de bateria, o custo e outras restrições operacionais, podem representar um outro motivo que afeta os resultados do dimensionamento (Yang et al. 2018).
(Khatib, Ibrahim e Mohamed 2016) propõem uma revisão sobre informações importantes que são necessárias ter em consideração ao projetar e implementar sistemas fotovoltaicos independentes, incluindo diversas configurações e metodologias de dimensionamento dos painéis fotovoltaicos e das Figura 3 - Estudos de dimensionamento do sistema de armazenamento de energia com baterias em sistemas
baterias de armazenamento. Segundo (Khatib, Ibrahim e Mohamed 2016), a seleção dos critérios de avaliação para o dimensionamento do sistema fotovoltaico independente é crucial para a sua otimização, sendo que os parâmetros destacados são os parâmetros técnicos, os parâmetros económicos e os parâmetros sociais e políticos. Estes são usados para avaliar e estimar a disponibilidade e a viabilidade de um sistema fotovoltaico independente, que pode ajudar os projetistas no desenvolvimento de um sistema adequado para uma determinada aplicação.
De acordo com (Khatib, Ibrahim e Mohamed 2016), o primeiro passo a tomar na determinação do tamanho ideal de um sistema fotovoltaico é, geralmente, definir uma área específica para o mesmo, e posteriormente são obtidos dados meteorológicos, como radiação solar e temperatura ambiente. A capacidade dos componentes do sistema fotovoltaico, como painéis fotovoltaicos, bateria de armazenamento e tamanho do inversor, é então calculada. De notar que, para o dimensionamento de um sistema fotovoltaico independente, é preciso ter em conta a energia, em kWh/ano, necessária para atender à procura de carga, a energia, em kWh/ano, gerada pelo sistema fotovoltaico, a carga, em Ah, dos bancos de baterias, a área que o sistema ocupará e o custo do sistema. São, então, mencionados os seguintes métodos de dimensionamento:
• Métodos intuitivos;
• Métodos numéricos;
• Métodos analíticos;
• Ferramentas informáticas;
• Métodos de inteligência artificial;
• Métodos híbridos.
Constatou-se que a maioria dos estudos sobre o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos independentes é realizada com base em métodos numéricos. As ferramentas de software desenvolvidas por vários fabricantes são também amplamente utilizadas no campo prático, dada a simplicidade da sua utilização. No entanto, alguns dos métodos de inteligência artificial, como rede neural artificial e algoritmo genético, são usados para melhorar a aplicabilidade dos métodos de otimização de dimensionamento. Estes métodos têm a capacidade de realizar uma pesquisa completa num período de tempo mais curto em comparação com outros métodos e podem ser ajustados para convergir para a solução ideal, mas por vezes tornam-se ineficientes devido a algumas dificuldades, como o grande número de entradas. A utilização do método de dimensionamento híbrido, que se trata de uma combinação de dois ou mais métodos, pode representar uma boa escolha na medida em que evita a limitação dos métodos de dimensionamento existentes e utiliza as variáveis de impacto positivo desses mesmos métodos, com o objetivo de encontrar a solução ideal.
(Rodrigues et al. 2017) realizaram uma análise da viabilidade económica de sistemas fotovoltaicos de diferentes tamanhos em Portugal, considerando o regime de autoconsumo com banco de baterias como opção. Concluíram então, com base nos resultados do estudo, que os sistemas fotovoltaicos com bancos de baterias não são tão rentáveis quanto os sistemas fotovoltaicos independentes no regime de autoconsumo português, devido principalmente ao custo elevado do banco de baterias. Em geral, verificou-se que os resultados do continente são melhores do que nas ilhas para os sistemas fotovoltaicos de 1kW e 3kW. Ainda que o custo de investimento inicial seja maior, as ilhas apresentam melhores resultados para o sistema fotovoltaico de 5kW. Pode-se, então, constatar que o investimento em sistemas fotovoltaicos é altamente condicionado por fatores económicos externos. Caso o custo inicial dos sistemas fotovoltaicos continue a diminuir e, simultaneamente, os preços da eletricidade aumentarem, a situação poderá ser diferente.
2.2.5.BATERIAS DE SEGUNDA VIDA
A atenção recentemente direcionada para os sistemas de armazenamento de energia com baterias representa uma oportunidade para a reutilização de baterias retiradas dos veículos elétricos e consequentemente a redução dos custos iniciais deste tipo de equipamento.
Tendo em conta que as baterias de veículos elétricos garantem cerca de 80% da sua capacidade de energia inicial aquando da sua reforma, estas poderão, então, ser reutilizadas como constituintes de um sistema de armazenamento de energia, essencialmente quando empregues no setor residencial. E o facto de existirem cada vez mais veículos elétricos em circulação é uma mais valia, visto que cresce igualmente o número de baterias que estarão disponíveis nos próximos anos.
(Pereira e Ramos 2019) estudaram o impacto do comportamento energético dos ocupantes no estado de carga (State of Charge - SoC) das baterias integradas no sistema de armazenamento de energia, que é um parâmetro importante utilizado para descrever a sua capacidade restante, sendo que o seu caso de estudo foi um edifício nZEB modular com energia fotovoltaica no local e baterias de iões de lítio de segunda vida. Foram propostos quatro perfis de ocupação:
1. perfil livre (ativo e passivo); 2. perfil sem ocupação;
3. perfil de comportamento ativo (ativação exclusiva de sistemas AVAC); 4. perfil de comportamento passivo (uso exclusivo de janelas e portas).
Concluíram então que o SoC varia consideravelmente, dependendo do tipo de ocupação e do consumo de energia associado. Os perfis livre, passivo e sem ocupação levaram a perfis de SoC semelhantes, enquanto que o perfil ativo levou a estados da bateria muito mais baixos (Figura 4).
Figura 4 - SoC da bateria por tipo de ocupação (Pereira e Ramos 2019). E st ad o de c ar ga d a ba te ria ( % ) Ocup. Tipo 1 Ocup.
A análise de SoC média de 24 horas para cada perfil mostrou que o tipo de ocupação ativo tem um valor médio consistentemente menor do que os outros perfis de SoC nas 24 horas, com um valor médio 30% abaixo (Figura 5).
Para além do comportamento dos ocupantes, a radiação solar afeta também significativamente o estado de carga das baterias, sendo que a diferença registada entre os dias com chuva e sem chuva no estado de carga das baterias varia entre 10 e 30% (Figura 6).
Foi, então, possível concluir que o estado de carga da bateria de segunda vida varia com o tipo de ocupação e consumo energético associado e com as condições meteorológicas registadas.
Figura 5 – Valor médio de SoC em 24h por perfil de ocupação (Pereira e Ramos 2019).
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% B a tt e ry s ta te o f ch a rg e ( % ) Hour Occ. Type 1 Occ. Type 2 Occ. Type 3 Occ. Type 4 E st ad o de c ar ga d a ba te ria ( % ) Horas Ocup. Tipo 1 Ocup. Tipo 2 Ocup. Tipo 3 Ocup. Tipo 4
Figura 6 - Estado de carga da bateria, considerando um mês com chuva e um mês sem chuva (Pereira e Ramos 2019). 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% B a tt e ry s ta te o f ch a rg e ( % ) Hour
Days without rain Days with rain
Horas E st ad o de c ar ga d a ba te ria ( % )
Dias sem chuva Dias com chuva
2.2.6.ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO
No desenvolvimento da Estratégia Nacional para a Energia (ENE 2020), surgiu a Resolução do Conselho de Ministros nº 54/2010, de 4 de agosto, que veio determinar a elaboração do regime jurídico do acesso à atividade de miniprodução e estabeleceu as linhas gerais de orientação para o novo regime. Assim, e pela necessidade de substituição do Lei nº68/2002, em 2011, foi publicado o Decreto-Lei nº34/2011 que veio definir as regras para a produção de eletricidade a partir da energia do sol, do vento e da água, em instalações de pequena potência, designadas por unidades de miniprodução. Segundo o (Decreto-Lei_n.º34/2011), a “miniprodução” carateriza-se como a atividade de pequena escala de produção descentralizada de eletricidade, recorrendo, para tal, a recursos renováveis e entregando, contra remuneração, eletricidade à rede pública, na condição que exista consumo efetivo de eletricidade no local da instalação. Este conceito surge pela primeira vez pela necessidade de complementar o regime de microprodução. O regime da miniprodução permite não só ao produtor consumir a eletricidade produzida pela sua instalação, como também vender a totalidade dessa eletricidade à RESP, com tarifa bonificada. Este novo regime define uma unidade de miniprodução como uma instalação baseada numa só tecnologia de produção a partir de fontes renováveis, cuja potência máxima de ligação à rede é de 250 kW. Este tipo de produção não pode exceder 50% da potência contratada e o regime remuneratório baseia-se no regime geral e bonificado, tendo este último um período de aplicação de 15 anos e um limite anual de potência de ligação de 50 MW, variável com tipo de energia primária utilizada.
O Decreto-Lei nº153/2014, de 20 de outubro, veio reformular e integrar os regimes de miniprodução e microprodução, revogando-se os decretos-lei nº 363/2007 e nº 34/2011, passando a pequena produção a beneficiar de um único enquadramento legal. Esta publicação cria os regimes jurídicos aplicáveis à produção de eletricidade destinada ao autoconsumo e ao da venda à rede elétrica de serviço público a partir de recursos renováveis, por intermédio de Unidades de Pequena Produção.
São, então, distinguidas as atividades de produção distribuída de pequena produção e de autoconsumo. As Unidades de Produção para Autoconsumo (UPAC) são instalações destinadas à produção de eletricidade necessária para consumo próprio, através de fontes de energia renováveis ou não renováveis, sendo que os excedentes podem ser injetados na Rede Elétrica de Serviço Público (RESP) ou armazenados em baterias. Quanto às Unidades de Pequena Produção (UPP), a eletricidade gerada a partir de uma única fonte de energia renovável é totalmente injetada na rede, com a atribuição de tarifa com base num modelo de licitação, ao regime da microprodução e miniprodução (Decreto-Lei_nº153/2014 2014).
Em 2019, foi publicado o Decreto-Lei nº 76/2019, de 3 de junho, que altera o regime jurídico aplicável ao exercício das atividades de produção, transporte, distribuição e comercialização de eletricidade e à organização dos mercados de eletricidade.
Também em 2019, surgiu o Decreto-Lei nº 162/2019, de 25 de outubro, que aprovou o regime jurídico aplicável ao autoconsumo de energia renovável, individual, coletivo ou por comunidades de energia renovável, transpondo parcialmente a Diretiva (UE) 2018/2001 do Parlamento Europeu e do Conselho de 11 de dezembro de 2018. Esta diretiva prevê um quadro normativo que permite aos autoconsumidores de energia renovável produzir, consumir, armazenar, partilhar e vender eletricidade sem serem confrontados com encargos desproporcionados.
O regime veio possibilitar o autoconsumo coletivo, ou seja, a mesma unidade de produção de energia pode ter vários autoconsumidores. Para além disso, é ainda permitida a constituição de entidades jurídicas, designadas por Comunidades de Energia, por parte dos autoconsumidores e demais participantes dos projetos de energia renovável, para produção, consumo, partilha, armazenamento e venda de energia renovável. Quando comparado com o regime previsto no Decreto-Lei n.º 153/2014, de 20 de outubro, a aplicação deste novo regime está limitada à produção descentralizada de eletricidade a partir de fontes de energia renovável, sendo que às instalações de produção de eletricidade a partir de fonte de energia não renovável já existentes continua a ser aplicado o diploma de 2014.
Um objetivo deste decreto-lei é a concretização, por parte de Portugal, das metas definidas no âmbito do Plano Nacional de Energia-Clima para 2021-2030, nomeadamente alcançar uma quota de 47% de energia vinda de fontes renováveis no consumo final bruto em 2030, bem como reduzir o preço do consumo de eletricidade para quem adira ao autoconsumo. Pretende-se, com este diploma, garantir uma maior eficiência do ponto de vista energético e ambiental, e assegurar que as oportunidades de transição energética, como os custos do sistema elétrico nacional, são partilhadas de forma justa e imparcial, tanto por empresas como por cidadãos interessados em participar, sem subsídios públicos.
