Sustentabilidade energética num edifício público

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Sustentabilidade Energética num Edifício Público

Dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Fernando José Pereira Borges

Orientadores: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão Co-orientador: Professor Doutor Eduardo José Solteiro Pires

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Sustentabilidade energética num Edifício Público

Dissertação de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Fernando José Pereira Borges

Orientador: Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão Co-orientador: Professor Doutor Eduardo José Solteiro Pires

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obtenção do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, de acordo com o disposto no de acordo com o disposto no

DR – I série – Nº 151, Decreto-Lei n.º 115/2013 de 7 de agosto e no Regulamento de Estudos Conducente ao Grau de Mestre da UTAD

Orientação científica:

Sérgio Augusto Pires Leitão

Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e Tecnologias Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Eduardo José Solteiro Pires

Professor Auxiliar do

Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e Tecnologias Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

“Quanto mais aumenta o nosso conhecimento, mais evidente fica a nossa ignorância”. (John F. Kennedy)

“A ciência nunca resolve um problema sem criar pelo menos outros dez”. (George Bernard Shaw)

vii

Agradecimentos

Os meus agradecimentos ao meu orientador Professor Doutor Sérgio Augusto Pires Leitão pelo constante auxílio na elaboração deste trabalho, por todo o tempo disponibilizado e pelo conhecimento transmitido.

Ao meu co-orientador Professor Doutor Eduardo José Solteiro Pires pela simpatia e pela pronta disponibilidade para ajudar.

Ao Presidente da Câmara Municipal de Vila Real, pela autorização para a realização deste estudo no edifício Paços do Concelho de Vila Real.

A todos os professores que integram esta magnífica instituição e com os quais tive o prazer de adquirir conhecimentos essenciais à minha formação.

Aos meus pais e irmãs pelo apoio e incentivo demonstrado ao longo do curso.

A todos os meus colegas e amigos que me acompanharam durante esta maravilhosa etapa da minha vida, com os quais passei grandes e bons momentos e com os quais aprendi a crescer.

A todos os que, de uma forma direta e indireta, contribuíram para a realização e bom funcionamento deste trabalho.

ix

Resumo

A dinâmica da produção de energia elétrica baseada na queima de combustíveis fósseis foi o motor do desenvolvimento mundial. Contudo, a este desenvolvimento estão associados diversas consequências tais como o efeito de gases de estufa, um aumento da temperatura global e as alterações climáticas no planeta, pelo que é essencial reduzir todos estes fenómenos.

Desta forma, torna-se imprescindível alterar o paradigma energético, sendo fundamental aproveitar todos os recursos renováveis, principalmente os de maior potencial como será o caso da radiação solar.

Portugal é um país onde o aproveitamento solar tem grande potencial, pois no âmbito da minigeração fotovoltaica (Decreto-Lei nº 25/2013 de 19 de Fevereiro), todos os cidadãos, entidades e empresas, podem produzir e entregar eletricidade à rede pública, sendo esta remunerada. Com este regime de produção é possível ao nosso país reduzir a dependência energética face ao exterior, contribuindo assim para uma melhoria na eficiência energética dos edifícios e aliviando assim o consumo total de energia elétrica do país.

O edifício Paços do Concelho de Vila Real é um bom caso de estudo para dimensionamento de um sistema fotovoltaico ligado à rede pois é um edifício onde há grandes consumos de energia elétrica. No entanto, com a atual crise económica com que o país se depara e com os sucessivos aumentos nas tarifas de venda de energia ao consumidor, a viabilidade económica deste tipo de projetos começa a compensar cada vez mais.

Assim, nesta dissertação é realizado um estudo sobre a viabilidade económica relativa à implementação de painéis Fotovoltaicos no edifício Paços do concelho de Vila Real de acordo com o panorama de preços praticados atualmente em Portugal.

xi

Abstract

The dynamics of energy production based on the burning of fossil fuels has been the world development engine. However, several aftereffect are associated with this development such as the greenhouse effect, an increase in global temperature and climate change on the planet, so it is necessary to reduce all these drawbacks. In this way, it becomes essential to change the paradigm of energy. Therefore, is essential to take advantage of all renewable resources, mainly the ones with highest potential like the solar radiation.

Portugal is a country with a great sun exposure, additionally with the mini photovoltaic generation law (Decree-Law No. 25/19 of February 2013), all citizens, organizations and companies, may produce and deliver electricity to the public network, being this activity remunerated. This production system allow to reduce external energy dependence of the country. Thereby contributing to an improvement in the energy efficiency of buildings and thus relieving the total electricity consumption of the country.

The Vila Real town hall building is a good case study to design a grid-connected photovoltaic system as it is a building where there are large electricity consumption derived from the equipment with large electrical power installed. However, due to the current economic crisis the country is facing and the resulting increase on energy taxes, the economic viability of this kind of projects is highly valued. In this dissertation is conducted a study about the economic viability relative to the installation of photovoltaic panels in Paços do concelho de Vila Real according to the prices currently practiced in Portugal.

xiii

Índice Geral

2.1 O contexto da energia Elétrica no Mundo ... 3

2.2 O Contexto da Energia Elétrica em Portugal ... 8

2.3 Eficiência Energética ... 17

2.3.1 A importância do Desenvolvimento Sustentável ... 18

2.3.2 Tecnologias Aplicadas à Eficiência Energética ... 20

2.4 Diretivas da União Europeia ... 21

2.4.1 Serviços Energéticos ... 22

2.4.2 Cogeração ... 23

2.4.3 Desempenho Energético nos Edifícios ... 23

3. Energia Solar Fotovoltaica ... 25

3.1 Considerações Gerais ... 25

3.2 Radiação Solar ... 26

3.3 Semicondutores ... 34

3.4 Efeito Fotovoltaico ... 36

3.5 Células Fotovoltaicas ... 37

3.6 Tipos de Sistemas Fotovoltaicos ... 39

4. Dimensionamento de um Sistema Fotovoltaico ... 43

4.1 Minigeração Fotovoltaica ... 43

4.2 Metodologia de Dimensionamento de Sistemas de Minigeração ... 44

4.2.1 Área Disponível ... 45

4.2.2 Dados Climáticos do Local... 46

4.2.3 Altura Mínima do Sol ... 46

4.2.4 Seleção do Módulo ... 46

4.2.5 Orientação e Inclinação dos Módulos ... 47

4.2.6 Distância entre Fileiras ... 47

xiv

4.2.8 Dimensionamento dos Inversores ... 48

4.2.9 Dimensionamento dos Cabos ... 49

4.2.10 Dimensionamento das Proteções ... 53

4.3 Análise Económica do Investimento ... 53

5. Caso de Estudo ... 55

5.1 Caraterísticas do local ... 55

5.1.1 Área disponível ... 56

5.1.2 Dados Climáticos do Local ... 57

5.1.3 Altura Mínima do Sol ... 60

5.1.4 Seleção do Módulo FV ... 60

5.1.5 Orientação e Inclinação dos Módulos ... 61

5.1.6 Distância entre Fileiras ... 62

5.1.7 Potência do sistema ... 62

5.1.8 Cálculo da energia produzida pelo sistema FV ... 63

5.1.9 Estimativa da Energia Produzida ... 64

5.1.10 Dimensionamento dos Inversores ... 70

5.1.11 Dimensionamento dos Cabos e Proteções ... 73

5.2 Análise Económica do Investimento ... 78

6. Conclusões e Perspectivas para Trabalho Futuro ... 91

6.1 Conclusões ... 91

6.2 Perspectivas para Trabalho Futuro ... 91

xv

Índice de Figuras

Figura 1 - Estimativa do crescimento populacional das NU [3] ... 3

Figura 2 - Estimativa do crescimento populacional das NU por continente [4] ... 4

Figura 3 - Estimativa sobre os 11 países com maior crescimento populacional das NU [6] ... 5

Figura 4 - Crescimento do PIB mundial, em milhões de dólares [7] ... 5

Figura 5 - Procura de energia primária mundial em Mtep [8] ... 6

Figura 6 - Procura de energia primária mundial em Mtep [8] ... 8

Figura 7 - Taxa de dependência energética em Portugal [9] ... 9

Figura 8 - Evolução do consumo de energia primária em Portugal [10] ... 10

Figura 9 - Potência instalada a partir de FER em 2012 [10] ... 11

Figura 10 - Energia elétrica produzida a partir de FER em 2012 [10] ... 11

Figura 11 - Potência instalada utilizando energia eólica em MW [10] ... 12

Figura 12 - Energia elétrica produzida utilizando energia eólica em GW.h [10] ... 12

Figura 13 - Top Mundial da Capacidade Instalada Acumulada de Energia Eólica em 2012 (%) [10] ... 13

Figura 14 - Capacidade Instalada de Energia Eólica por km2 em 2012 (kW/km2) [10] ... 14

Figura 15 - Capacidade Instalada de Energia Eólica per capita em 2012 (W/hab) [10] ... 14

Figura 16 - Repartição da produção de eletricidade em 2011 e 2012 em Portugal [11] ... 15

Figura 17 - Consumo de Energia Final por Sector em 2012 (%) [10] ... 15

Figura 18 - Intensidade energética, em quilograma de petróleo equivalente por mil euros de PIB [12] ... 16

Figura 19 - Ciclo de utilização dos recursos naturais [16] ... 18

Figura 20 - Dimensão ambiental, económica e social do desenvolvimento sustentável [16] ... 19

Figura 21 - Estratégias para o desenvolvimento sustentável [13] ... 19

Figura 22 - Evolução da energia produzida a partir de fontes renováveis (TW.h) [19] ... 21

Figura 23 - Previsão da capacidade solar instalada [18] ... 25

Figura 24 - Componentes da radiação solar na superfície terrestre [22]... 27

Figura 25 - Posição do sol durante o período de um ano em Santarém [24]... 27

Figura 26 - Radiação global anual em Portugal [22] ... 29

Figura 27 - Variação da radiação solar com a latitude ao longo de um ano no hemisfério Norte [20] ... 30

Figura 28 - Órbita da Terra e declinação solaro ao longo do ano [23] ... 31

Figura 29 - Representação dos ângulos que determinam a posição solar relativa num determinado instante [23] ... 31

Figura 30 - Definição de ângulo horário solar, hs (CND), declinação solar, δs (VOD) e latitude, L (POC) em que P é o ponto de localização do observador [23] ... 32

Figura 31 - Irradiação solar global, em kWh/m2 para diferentes orientações da superfície receptora em Lisboa [24] ... 33

Figura 32 - Mapa da radiação média a nível Global [25] ... 33

Figura 33 - Bandas de valência [26] ... 35

Figura 34 - Representação esquemática de uma junção p-n [23] ... 36

Figura 35 - Efeito fotovoltaico numa célula fotovoltaica de silício [25] ... 37

xvi

Figura 37 - Exemplo de um sistema fotovoltaico autónomo [29] ... 40

Figura 38 - Representação esquemática de uma unidade de produção ligada à rede [20] ... 41

Figura 39 - Fluxograma referente à metodologia de dimensionamento [23] ... 45

Figura 40 - Imagem de satélite do Edifício Paços do Concelho de Vila Real ... 55

Figura 41 - Medições da área de cobertura do bloco A ... 56

Figura 42 - Medições da área de cobertura do bloco B sem sombreamento ... 56

Figura 43 - Simulação para ângulo de inclinação de 25 graus ... 57

Figura 44 - Simulação para ângulo de inclinação de 34 graus ... 58

Figura 45 - Radiação média mensal incidente para a inclinação a 25 graus ... 58

Figura 46 - Temperatura ambiente média mensal ... 59

Figura 47 - Radiação média mensal incidente para a inclinação a 34 graus ... 59

Figura 48 - Caraterísticas do Inversor STP 15000TL-10 ... 71

Figura 49 - Caraterísticas do Inversor STP 6000TL-20 ... 71

Figura 50 - Esquema simplificado da configuração das ligações da matriz fotovoltaica para o Bloco A ... 72

Figura 51 - Caraterísticas do Inversor STP 9000TL-20 ... 73

Figura 52 - Esquema simplificado da configuração das ligações da matriz fotovoltaica para o Bloco B ... 73

Figura 53 - Esquema das proteções AC ... 77

Figura 54 - Esquema geral do dimensionamento FV ... 78

Figura 55 - Gráfico relativo a auto-consumo para inclinação de 25 graus ... 84

Figura 56 - Gráfico relativo à venda para inclinação de 25 graus ... 85

Figura 57 - Gráfico relativo a auto-consumo para inclinação de 34 graus ... 87

Figura 58 - Gráfico relativo à venda para inclinação de 34 graus ... 88

Figura 59 - Simulação da Energia Produzida com inclinação a 25 graus – PVSystem ... 103

Figura 60 - Simulação da Energia Produzida com inclinação a 34 graus - PVSystem ... 104

Figura 61 - Simulação da Energia Produzida com inclinação a 25 graus - PVGIS ... 104

Figura 62 - Simulação da Energia Produzida com inclinação a 34 graus - PVGIS ... 105

Figura 63 - Simulação da Energia Produzida com inclinação a 25 graus - Onyxsolar ... 105

Figura 64 - Simulação da Energia Produzida com inclinação a 34 graus - Onyxsolar ... 106

Figura 65 - Cálculos relativos ao dimensionamento teórico do sistema FV com inclinação a 25 graus ... 107

Figura 66 - Cálculos relativos ao dimensionamento teórico do sistema FV com inclinação a 34 graus ... 107

Figura 67 - Folha de cálculo relativo a auto-consumo para 25 graus ... 111

Figura 68 - Folha de cálculo relativo à venda para 25 graus ... 111

Figura 69 - Folha de cálculo relativo a auto-consumo para 34 graus ... 112

xvii

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Estimativa de valores da procura de energia primária mundial em Mtep [8]... 7

Tabela 2 - Dependência da irradiância com a altura do sol [21] ... 28

Tabela 3 - Rendimentos típicos das diferentes tecnologias de fabrico de células fotovoltaicas [21] ... 38

Tabela 4 - Parâmetros principais dos módulos FV [23] ... 47

Tabela 5 - Caraterísticas das cablagens DC em sistemas FV [23] ... 50

Tabela 6 - Parâmetros de determinação da altura mínima do sol ... 60

Tabela 7 - Caraterísticas principais dos módulos FV escolhidos para o estudo ... 61

Tabela 8 - Produção energética anual estimada ... 64

Tabela 9 - Resumo do cálculo dos parâmetros específicos para um ano completo ... 67

Tabela 10 - Resumo da estimativa da energia produzida ao longo de um ano pelo módulo SW 250 ... 68

Tabela 11 - Resumo do cálculo dos parâmetros específicos para um ano completo ... 69

Tabela 12 - Resumo da estimativa da energia produzida ao longo de um ano pelo módulo SW 250 ... 70

Tabela 13 - Determinação da secção e perdas por efeito de Joule dos cabos de fileira ... 74

Tabela 14 - Determinação da secção e perdas por efeito de Joule dos cabos DC ... 75

Tabela 15 - Determinação da secção e perdas por efeito de joule dos cabos AC ... 76

Tabela 16 - Dimensionamento dos disjuntores ... 76

Tabela 17 - Quantificação das perdas por efeito de Joule na instalação ... 77

Tabela 18 - Estimativa do custo inicial do projeto ... 79

Tabela 19 - Caraterísticas do projeto ... 80

Tabela 20 - Caraterísticas do investimento ... 80

Tabela 21 - Energia consumida pelo edifício ... 82

Tabela 22 - Indicadores financeiros do projeto ... 84

Tabela 23 - Indicadores financeiros do projeto ... 85

Tabela 24 - Indicadores financeiros do projeto ... 87

Tabela 25 - Indicadores financeiros do projeto ... 89

Tabela 26 - Relação entre a energia consumida e produzida pelo sistema FV com inclinação de 25 graus ... 97

Tabela 27 - Relação entre a energia consumida e produzida pelo sistema FV com inclinação de 25 graus ... 98

Tabela 28 - Relação entre a energia consumida e produzida pelo sistema FV com inclinação de 25 graus ... 99

Tabela 29 - Relação entre a energia consumida e produzida pelo sistema FV com inclinação de 34 graus ... 100

Tabela 30 - Relação entre a energia consumida e produzida pelo sistema FV com inclinação de 34 graus ... 101

Tabela 31 - Relação entre a energia consumida e produzida pelo sistema FV com inclinação de 34 graus ... 102

Tabela 32 - Viabilidade do projeto tendo por base o indicador económico VAL [23] ... 109

xix

Índice de símbolos e acrónimos

Lista de símbolos

β Altitude solar

hs Ângulo horário solar

as Azimute solar

G0 Constante solar

Icc Corrente de curto-circuito

Imáx Corrente máxima

δs Declinação solar

cos ϕ Fator de potência

ts Hora local solar

G Irradiância global

L Latitude solar

Pmáx Potência máxima

VCA Tensão de circuito aberto

VT Tensão equivalente de temperatura

Vmáx Tensão máxima

z Zénite solar

Lista de Acrónimos

AC Alternating Current

GaAs Arsénio de Gálio

BT Baixa Tensão

CPE Custo Ponderado de Energia

CO2 Dióxido de Carbono

DGEG Direção Geral de Energia e Geologia

DC Direct Current

CIS Dissulfeto de Cobre e Índio

EM Estados Membros

EUA Estados Unidos da América

FER Fontes de Energia Renováveis

FV Fotovoltaico/a

GWh Gigawatt-hora

MA Massa de Ar

MPPT Maximum Power Point Tracker

MT Média Tensão

MW Megawatt-hora

Mtep Milhões de Toneladas Equivalentes de Petróleo

xx

NOCT Nominal Operating Cell Temperature

OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico

PRI Período de Recuperação do Investimento

PNAEE Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética

XLPE Polietileno Reticulado

PCCE Produção Combinada de Calor e Energia

PIB Produto Interno Bruto

ECO.AP Programa de Eficiência Energética para a Administração Pública

REN Rede Energética Nacional

RTIEBT Regras Técnicas de Instalações Elétricas de Baixa Tensão

Si Silício

a-Si Silício Amorfo

c-Si Silício Cristalino

m-Si Silício monocristalino

p-Si Silício Policristalino

Cds Sulfureto de Cádmio

Cu2S Sulfureto de Cobre

SF Sistema Fotovoltaico

STC Standard Test Conditions

TIR Taxa Interna de Rentabilidade

CdTe Telureto de Cadmio

TWh Terawatt-hora

UE União Europeia

VAL Valor Atual Líquido

1

1.

Introdução

Neste primeiro capítulo são apresentados os objetivos que conduziram à conceção desta dissertação, o enquadramento e a sua estrutura.

1.1 Objetivos e Motivações

O tema desta dissertação intitula-se por Sustentabilidade Energética num Edifício Público e tem como objetivo propor um modelo energético que promova o aumento da eficiência energética do edifício através da apresentação de algumas medidas que contribuam para a diminuição do consumo energético a partir da rede recorrendo a fontes de energias renováveis. Desta forma irá ser feita uma análise às faturas elétricas do edifício.

1.2 Enquadramento

A diretiva 2012/27/UE que estabelece um quadro comum de medidas para a promoção da eficiência energética na União Europeia assenta em três dimensões fundamentais: na segurança do abastecimento de energia, na sustentabilidade económica e na sustentabilidade ambiental, de forma a maximizar os benefícios energéticos a fim de assegurar a realização do objetivo do plano 20/20/20 sobre a eficiência energética abrindo o caminho para novas melhorias.

Em Portugal os edifícios representam 30% dos consumos globais do País e cerca de 60% do consumo elétrico. Estes valores tendem a aumentar não só pela procura de melhores condições de conforto nos edifícios como também pelo aumento de equipamentos, muitos deles de baixa eficiência energética.

Todos estes consumos energéticos nos edifícios colocam este setor como o segundo responsável em termos de emissões de gases de efeito de estufa, quer pela razão energética quer pela razão ambiental. Sendo assim, a necessidade de atuação nesta área é imperativa.

Sabe-se também que o consumo de energia tem sido satisfeito recorrendo a processos que se baseiam, muitos deles, na combustão de matérias-primas como o petróleo, o carvão e mais recentemente, o gás natural. À medida que o tempo passa, assistimos a uma escassez de recursos fósseis, o que obriga a uma contínua aposta nas fontes de energias renováveis. O plano 20/20/20 (UE, 2014) pretende reduzir em 20% o consumo de energia, atingir níveis de 20% utilizando Fontes de Energia Renováveis (FER) no consumo de energia final e reduzir em 20% os gases de efeito de estufa (GEE) até 2020.

Neste contexto resulta o presente trabalho onde são estudadas ações para a sustentabilidade energética num edifício público.

2

1.3 Estrutura da dissertação

Para além deste capítulo introdutório, o desenvolvimento da presente dissertação irá conter mais cinco capítulos e cinco anexos de acordo com a seguinte organização:

 Capítulo 2 – é efetuada uma introdução ao tema da energia, falando da sua importância para o desenvolvimento de um país. Realça ainda a importância de promover medidas de racionalização energética de proteção ambiental pois com o aumento da população previsto, convém tomar medidas. É abordado neste capítulo a relação que existe entre o crescimento populacional e a procura de combustíveis fósseis para satisfazer as necessidades da população. São ainda abordadas algumas diretivas criadas pela União Europeia, relacionadas com o uso da energia elétrica.

 Capítulo 3 – é efetuado um estudo sobre os fundamentos da energia solar, desde perceber o quão importante é a energia solar para este tipo de sistemas, perceber quais os fatores que influenciam os níveis de radiação, passando também à teoria dos semicondutores pois estes são essenciais para a compreensão do efeito fotovoltaico, falando também um pouco da parte das tecnologias de células fotovoltaicas e do tipo de sistemas fotovoltaicos que existem.

 Capítulo 4 – é abordada a temática da minigeração, nomeadamente o estado atual, o conceito e a legislação que a rege. Posteriormente são apresentados os métodos que podem ser utilizados no seu dimensionamento.

 Capítulo 5 – é apresentado o caso de estudo aplicado ao edifício Paços do Concelho de Vila Real e respetiva análise de viabilidade económica, sendo no final do capítulo feita uma análise crítica aos resultados obtidos.

 Capítulo 6 – são apresentadas as conclusões do trabalho e são abordadas algumas sugestões de trabalhos futuros a realizar no âmbito desta temática.

3

2.

Análise Energética

Neste capítulo é efetuado o contexto da energia elétrica no Mundo e em Portugal. De seguida é abordado o tema da eficiência energética e a técnica usada para um desenvolvimento sustentável. Por último são abordadas algumas diretivas da União Europeia.

2.1 O contexto da energia Elétrica no Mundo

A energia elétrica influencia cada vez mais as tomadas de decisões de um país quer sejam decisões políticas, ambientais ou de caráter económico uma vez que a sua importância para o desenvolvimento do país é elevada. O aumento da população previsto nos próximos anos tem como consequência a necessidade de grandes consumos energéticos, desta forma, é importante promover medidas de racionalização energética e de proteção ambiental ligadas ao consumo de energia de modo a reduzir o impato que advém deste. Atualmente as Nações Unidas (NU) estimam que existam 7,3 biliões de pessoas [1] e que este número rondará os 8,2 biliões em 2025 e 9,6 biliões em 2050 [2], tendo em conta uma taxa de fertilidade constante.

A Figura 1 apresenta quatro estimativas do crescimento populacional das NU. O cenário médio é cenário mais provável das NU. Por outro lado o cenário elevado e baixo representam as melhores estimativas da gama de resultados razoavelmente prováveis.

Figura 1 - Estimativa do crescimento populacional das NU [3]

A estimativa relativa ao crescimento populacional apresentada pelas NU pode ser dividida nos valores apresentados para cada continente.

4

A partir da Figura 2 pode constatar-se que há um grande potencial de crescimento no continente Asiático, seguindo-se o continente Africano. Este fenómeno não se verifica em relação aos restantes continentes.

Figura 2 - Estimativa do crescimento populacional das NU por continente [4]

O crescimento no continente Asiático apresentará uma subida até ao ano 2055, com um pico populacional de 5,168 biliões, representando 52,9% da população mundial, sendo que após este pico, espera-se uma descida até ao ano de 2100 para 4,712 biliões (43,4%).[3]

O continente Africano apresentará uma evolução constante ao longo dos anos, prevendo-se que o valor atual prevendo-seja de 1,166 biliões, repreprevendo-sentando 14,9% da população mundial e que no ano de 2100 seja previsto um grande crescimento, prevendo-se nesse ano 4,185 biliões de pessoas (38,6%). [5]

Países como a China e a Índia contribuem significativamente para o crescimento populacional no continente Asiático pois são países que apresentam a maior taxa de crescimento a nível mundial, como se pode verificar pela Figura 3.

5

Figura 3 - Estimativa sobre os 11 países com maior crescimento populacional das NU [6]

O crescimento populacional contribuirá para um aumento no consumo de energia e de outros recursos, ou seja, implicará a construção de mais cidades, a criação de mais transportes e de postos de trabalho que necessitarão desses recursos.

Outro fator que se deve ter em conta quando se fala em aumento previsto da procura de energia, é a taxa de crescimento mundial do produto interno bruto (PIB), Figura 4, onde se pode ver que a China ocupa mais uma vez o primeiro lugar na lista de países com maior crescimento do PIB no Mundo, seguido dos Estados Unidos da América (EUA) e em terceiro lugar encontra-se a Índia. [3]

6

Este rápido crescimento do PIB nestes países fará com que haja um crescimento na população e na indústria, provocando um aumento na procura de energia primária nesses mesmos países, Figura 5.

Figura 5 - Procura de energia primária mundial em Mtep [8]

Pelo gráfico da Figura 5 pode concluir-se que a China, os EUA e a Índia apresentam-se como os países onde a procura de energia primária mais cresce, estando de acordo com as previsões do crescimento do PIB como visto anteriormente.

Segundo as previsões do World Energy Outlook (WEO), os países não pertencentes à Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE) apresentarão um crescimento de 64% de procura de energia primária entre os anos de 2008 e 2035, já os países pertencentes à OCDE apresentarão um crescimento de 3%. [8]

O rápido crescimento apresentado e previsto para a China entre o ano 2008 e 2035 pode ser visto através de um aumento de 5% na totalidade de procura de energia primária passando de 17% no ano de 2008 para 22% em 2035. [3]

Em segundo lugar encontra-se a Índia que mais contribui para o crescimento da procura de energia primária mundial, contribuindo em 18% da totalidade do crescimento previsto. Quanto aos países pertencentes à OCDE verifica-se que a partir do ano de 2020 não se nota um crescimento tão linear como nos anos transatos, no entanto, os EUA continuarão a ser o segundo país da lista dos países mais consumidores de energia primária como se pode verificar na Tabela 1. [3]

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Tabela 1 - Estimativa de valores da procura de energia primária mundial em Mtep [8]

Um dos problemas que se verifica com este aumento é o facto de este nos levar ao aumento da procura de combustíveis que trarão quer impactos ambientais, quer impactos políticos em todos os países. [8]

Sabe-se que os EUA são os maiores consumidores de petróleo, mas prevê-se que no ano de 2035 a China os ultrapasse, até porque o valor da procura de petróleo por parte dos países pertencentes à OCDE tende a diminuir tendo em conta a contínua mudança que se tem feito na substituição de petróleo por outros tipos de combustíveis procurando um aumento na eficiência e uma diminuição no impacto ambiental. [3]

O carvão é outro combustível fóssil que apresentará um grande aumento na sua procura até ao ano 2035 por parte da China. A previsão desta procura nos países pertencentes à OCDE, é diminuir de forma abrupta devido às políticas estabelecidas relacionadas com a emissão de dióxido de carbono (CO2), verificando-se esta queda com maior destaque a partir do ano 2020. [8]

Um dos combustíveis fósseis que apresenta aumentos na sua procura pelos países da OCDE é o gás natural pois continua com um papel relevante na geração de energia, nos sectores habitacional, de serviços e na indústria. Mesmo assim, este aumento está bem longe do aumento que se prevê nos países fora da OCDE onde se inclui a China como um dos países com maior consumo.

8

O aumento da procura deste tipo de combustíveis pode ser verificado na Figura 6 onde se pode concluir que a procura de combustíveis renováveis para a geração de energia tem aumentado.

Figura 6 - Procura de energia primária mundial em Mtep [8]

Estas previsões do crescimento mundial no que diz respeito ao PIB e à procura de energia primária terão um papel preponderante nas decisões políticas tomadas por todos os países, permitindo assim o desenvolvimento de tecnologias que satisfaçam o mais economicamente possível as necessidades de cada país.

2.2 O Contexto da Energia Elétrica em Portugal

As necessidades energéticas dos países são satisfeitas em grande parte pela utilização de combustíveis, mais especificamente os combustíveis fósseis, tais como petróleo, carvão e o gás natural.

Portugal não é exceção, adicionalmente é um país com escassos recursos energéticos fósseis endógenos, estando dependente assim do exterior no que diz respeito às importações de fontes primárias de origem fóssil como se pode verificar pela Figura 7. Sendo assim, a dependência energética apresenta-se como um fator importante para análise na caraterização energética nacional, uma vez que este valor é o utilizado na satisfação das necessidades energéticas de um país. [9]

9

Figura 7 - Taxa de dependência energética em Portugal [9]

Pela Figura 7 é possível verificar que a taxa de dependência energética tem vindo a decrescer desde 2005. O elevado valor obtido em 2005 foi devido à baixa produtibilidade das centrais hídricas, resultado de um ano hidrológico muito seco, assim como a subida que se registou em 2011 deve-se igualmente à redução na produção hídrica e como compensação à subida no consumo do carvão.

O facto de estarmos dependentes na importação destes recursos para satisfazer as necessidades energéticas pode vir a trazer problemas para o país especialmente em casos de escassez de algum dos recursos importados, que irão afetar negativamente o país. Como compensação, tem sido feito um esforço para que haja um aumento na utilização de fontes de energia renováveis (FER) pois este tipo de geração de energia tem um impacto quer social quer ambiental, menos negativo.

Desta forma pode observar-se através da Figura 8 a evolução do consumo de energia primária em Portugal, onde é possível concluir que em termos relativos, o petróleo mantém um papel essencial na estrutura de abastecimento, representando 43,3% do consumo total de energia primária em 2012.

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Figura 8 - Evolução do consumo de energia primária em Portugal [10]

Relativamente ao petróleo esta dependência veio a diminuir uma vez que o petróleo apresenta um grande impacto para o ambiente aquando da produção de energia elétrica e também pelo facto de este combustível apresentar uma subida de preço nos mercados internacionais.

Já o gás natural apresenta-se como um dos combustíveis com aumento quase constante desde o ano de 2000, até porque a sua utilização faz com que a redução no consumo de petróleo se faça sentir. O crescimento deste combustível foi acompanhado pelas energias renováveis, estas que apresentaram um aumento constante até 2010, sendo que este aumento se deve principalmente ao facto deste tipo de recurso apresentar aspetos positivos quer a nível social quer a nível ambiental, permitindo desta forma a criação de mais postos de trabalho e reduzindo a emissão de CO2. A diminuição da dependência energética deve-se em muito ao aumento da produção de energia utilizando recursos renováveis na tentativa de combater a escassez de recursos energéticos fósseis do país. Assim sendo, atingiu-se em 2012, 11054 megawatts (MW) de potência instalada a partir de recursos renováveis, sendo 5539 MW em hídrica, 713 MW em biomassa, 4531 MW em eólica, 29 MW em geotérmica e 242 MW em fotovoltaica, como se pode verificar pela Figura 9

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Figura 9 - Potência instalada a partir de FER em 2012 [10]

Quanto ao valor de energia produzida por estas fontes de energia renováveis verificou-se no ano de 2012 uma produção de 20654 gigawatt-hora (GWh) de energia elétrica sendo que 49.7% da energia foi obtida através da energia eólica, 32.2% através da energia hídrica, 15.5% através da biomassa, 1.9% através da energia fotovoltaica e 0.7% através da energia geotérmica como se pode verificar pela Figura 10.

Figura 10 - Energia elétrica produzida a partir de FER em 2012 [10]

Através da análise dos gráficos verifica-se que a fonte renovável que apresenta maior importância na produção de energia elétrica é a energia eólica pois tem vindo a registar uma subida tanto a nível de Potência Instalada como a nível de Energia Elétrica Produzida, como se pode verificar também pelos gráficos da Figura 11 e Figura 12 respetivamente. 50,1 41 6,5 2,2_0,3 Hídrica Eólica Biomassa Fotovoltaica Geotérmica 32,2 49,7 15,5 1,9 0,7 Hídrica Eólica Biomassa Fotovoltaica Geotérmica

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Figura 11 - Potência instalada utilizando energia eólica em MW [10]

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O contínuo crescimento em termos da potência instalada e em termos da energia elétrica produzida a partir de recursos eólicos, colocou Portugal, em 2012, no décimo lugar no top mundial da capacidade instalada acumulada de energia eólica como se pode verificar pela Figura 13, no vigésimo segundo lugar no top mundial da nova capacidade instalada de energia eólica e no décimo terceiro lugar no top mundial de capacidade instalada offshore acumulada de energia eólica.

Figura 13 - Top Mundial da Capacidade Instalada Acumulada de Energia Eólica em 2012 (%) [10]

Em termos de capacidade instalada de energia eólica por km2, Portugal registou a nível mundial um sexto lugar como se pode verificar pelo gráfico da Figura 14 e um quinto lugar na capacidade instalada de energia eólica per capita como se pode verificar pelo gráfico da Figura 15. 26,7 21,3 11,1 8,1 6,5 2,9 2,9 2,7 2,2 1,6 14,1 China Estados Unidos Alemanha Espanha Índia Reino Unido Itália França Canadá Portugal

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Figura 14 - Capacidade Instalada de Energia Eólica por km2 em 2012 (kW/km2) [10]

Figura 15 - Capacidade Instalada de Energia Eólica per capita em 2012 (W/hab) [10]

Tendo em conta a análise feita pela REN (Rede Energética Nacional) do ano de 2012, tem-se que o consumo de energia elétrica totalizou 49,1 TeraWatt-hora (TWh), diminuindo 2.9% face ao ano anterior.

Relativamente à distribuição da energia elétrica em Portugal, nos anos de 2011 e 2012 pode concluir-se que houve uma diminuição na produção de energia através de energias renováveis, decaindo assim de 46% para 37%, assinalando uma queda no valor de produção por parte dos recursos hídricos, decaindo de 22% para 10%, dando-se uma maior importância aos recursos não renováveis, como se pode verificar pela Figura 16.

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Esta queda por parte dos recursos hídricos deve-se contudo ao facto de não serem verificadas condições hidrológicas favoráveis nesses anos.

Figura 16 - Repartição da produção de eletricidade em 2011 e 2012 em Portugal [11]

O consumo de energia final, em 2012, atingiu o valor de 15.591 ktep, tendo-se verificado uma redução de 5,6% face a 2011. Registou-se também uma diminuição do consumo de 10,1% de petróleo, de 4,4% na eletricidade e de 0,9% no gás natural.

O consumo de energia final por sector em 2012 está registado no gráfico da Figura 17.

Figura 17 - Consumo de Energia Final por Sector em 2012 (%) [10]

32,5 35,7 17 2,8 12 Indústria Transportes Doméstico Agricultura e Pescas Serviços

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Da análise do gráfico conclui-se que o sector dos transportes apresenta uma fatia considerável, apresentando cerca de 35,7% do consumo, seguido pelo sector industrial com 32,5%, o sector doméstico com 17%, o sector dos serviços com 12% e por último o sector da agricultura e pesca com 2,8%.

Outro factor importante para a caracterização energética de um país é a intensidade energética. Esta relaciona o consumo energético do país com o seu respectivo PIB, sendo que a eficiência energética do país, que se pretende que seja a maior possível, é tanto maior quanto maior for a intensidade energética. [3] O valor associado a este factor tem em conta a eficiência nos consumos de energias e as políticas de poupança, sendo que no caso particular de Portugal pode ver-se que o valor de intensidade energética coloca o país na décima segunda posição no ano de 2011 como se pode verificar pela Figura 18.

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2.3 Eficiência Energética

As crises energéticas do Século XX motivaram a economia mundial para aumentar a eficiência energética, tendo sido obtidos nas últimas décadas ganhos elevados de eficiência. [13]

A eficiência energética é uma estratégia em que se pretende consumir o mínimo possível para a realização de qualquer trabalho, quer através da supressão de consumos, quer através da utilização de tecnologias mais eficientes. Para isso têm sido tomadas medidas nos tempos que correm, especialmente ligadas à procura de fontes alternativas de energia, sendo que as fontes renováveis têm sido a primeira escolha tendo em conta os impactos mais reduzidos que apresentam quando comparadas com as fontes de energia convencionais. [13]

A aplicação de medidas políticas eficazes pode reduzir de forma significativa os níveis de intensidade energética e as emissões de gases de efeito de estufa.

Foram desenvolvidos programas e planos para a dinamização das medidas em torno das políticas energéticas, são eles o Plano Nacional de Ação para Eficiência Energética (PNAEE) e o Programa de Eficiência Energética para a Administração Pública (ECO.AP).

O PNAEE foi aceite pela Resolução do Conselho de Ministros 20/2013, com perspectiva de aplicação até 2016. O desenvolvimento deste plano resultou da aplicação dos objetivos da diretiva comunitária 2012/27/UE. Este plano estabeleceu uma meta específica de redução em 30 % do consumo de energia primária até 2020.[14]

A ação conjunta do PNAEE com o ECO.AP potencia o cumprimento dos objetivos nacionais e europeus em prol da eficiência energética.

O PNAEE 2016 prevê uma poupança energética de 8,2%, correspondente a 1501 ktep, de forma a aproximar-se para a meta da União Europeia estabelecida em 9%. Como tal, este plano envolve várias áreas, desde a agricultura, os transportes, os serviços, a indústria, o estado e o sector residencial. As áreas mencionadas resumem-se num total de 10 programas orientados para a eficiência energética.

O ECO.AP estabelece uma meta de 30% para a eficiência energética até 2020. Esta meta admite um aumento da eficiência energética nos organismos da Administração Pública sem aumentar a despesa e permite ainda estimular a economia no sector das empresas de serviços energéticos.

O mecanismo de avaliação deste programa denomina-se “Barómetro de Eficiência Energética” e tem como objetivo promover a competição entre as várias entidades públicas onde posteriormente haverá uma divulgação do ranking de desempenho energético dos vários serviços de estado. [15]

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2.3.1 A importância do Desenvolvimento Sustentável

O conceito de desenvolvimento sustentável que surgiu no final do século XX é um modelo de desenvolvimento global que incorpora as áreas económica, sócio-política e ecológica. Foi definido no Relatório Brundtland, criado pela Comissão Mundial sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento, em 1983. A ideia de desenvolvimento sustentável tem por base o princípio de que o Homem deve gastar os recursos naturais de acordo com a capacidade de renovação destes recursos, de modo a evitar o seu esgotamento, como se ilustra na Figura 19. [16]

Figura 19 - Ciclo de utilização dos recursos naturais [16]

Posto isto, existem um conjunto de regras que contribuem para um desenvolvimento sustentável, nas quais se realçam:

• A exploração dos recursos renováveis não deve exceder ritmos de regeneração; • As emissões de resíduos poluentes devem ser reduzidas ao mínimo e não devem exceder a capacidade de absorção e de regeneração dos ecossistemas;

• Os recursos não renováveis devem ser explorados de um modo quase sustentável

limitando o seu ritmo de esgotamento ao ritmo de criação de substitutos renováveis. Sempre que possível deverá ser feita a reutilização e a reciclagem dos resíduos resultantes da utilização de recursos não renováveis, além de que os resíduos de algumas atividades económicas podem em muitos casos servir como matérias-primas de outras atividades. [16]

O desenvolvimento sustentável assenta assim em três pontos importantes compostos pela atividade económica, o meio ambiente e o bem-estar global da sociedade. Com isto pretende afirmar-se que o desenvolvimento sustentável só poderá ser alcançado se estes 3 pontos evoluírem de forma equilibrada como está ilustrado naFigura 20.

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Figura 20 - Dimensão ambiental, económica e social do desenvolvimento sustentável [16]

Nem sempre é fácil conseguir o equilíbrio, principalmente devido à necessidade crescente de energia que a sociedade necessita hoje em dia, tornando-se desta forma um desafio para a sociedade.

Existem três estratégias complementares que permitem alcançar o desenvolvimento sustentável a nível energético, como indicado na Figura 21: [13]

• Intensificação da eficiência energética;

• Aumento das energias renováveis;

• Fixação de CO2.

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Relativamente à intensificação da eficiência energética, esta tem como objetivo atenuar o crescimento da procura de energia, o aumento das energias renováveis tem como objetivo dar resposta à satisfação da procura, utilizando de uma forma crescente os recursos renováveis e a fixação de CO2 é para permitir a utilização de combustíveis fósseis sem que haja impactos negativos associados às emissões de CO2.

Estas estratégias têm como principal objetivo minimizar os efeitos negativos da produção de energia no ambiente.

2.3.2 Tecnologias Aplicadas à Eficiência Energética

As energias renováveis são fontes de energia provenientes de recursos naturais que se renovam constantemente, de um modo sustentável, mesmo depois de serem usadas para gerar eletricidade ou calor, diminuindo o impacto sobre o meio ambiente. São exemplos a água da chuva, o vento, a biomassa, as ondas, o calor da Terra e o Sol. [17]

Para a resolução de diversos problemas comuns de qualquer município, principalmente nas zonas urbanas, utilizar este tipo de fontes de energia pode ser a solução pois a estas estão associadas uma série de vantagens, tais como: a criação de novos postos de trabalho, a redução da dependência externa, a melhoria do balanço energético e o aumento da eficiência energética. [18] Um dos caminhos para a sustentabilidade energética dos edifícios, para além da melhoria da eficiência energética dos edifícios, dos equipamentos, dos processos e aproveitamento de recursos desperdiçados, passa pela incorporação de fontes de energia renovável. De entre as fontes de energia renováveis existentes para a produção de energia elétrica será estudado o aproveitamento solar fotovoltaico.

As vantagens destas energias ainda não são aproveitadas ao máximo, uma vez que as tecnologias utilizadas não permitem o seu aproveitamento na totalidade. Por outro lado, estas tecnologias também trazem consequências prejudiciais para o meio ambiente, principalmente o impacto que as construções têm sobre os ecossistemas.

Sabendo que em Portugal não existem atualmente explorações de qualquer produto energético de origem fóssil, as energias renováveis assumem um papel de extrema importância pois representam a totalidade da produção racional de energia.

O gráfico da Figura 22 descreve a evolução da energia produzida a partir de fontes renováveis entre os anos de 2005 e 2013.

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Figura 22 - Evolução da energia produzida a partir de fontes renováveis (TW.h) [19]

Analisando o gráfico, observa-se que a produção de energia elétrica em Portugal tem aumentado ao longo do tempo e que este aumento é acompanhado pela incorporação de fontes de energia renováveis. É de notar uma descida considerável no ano de 2011 e 2012, derivado à seca ocorrida nesse ano e portanto, a componente hídrica teve uma produção abaixo do normal. Verifica-se também que a componente fotovoltaica tem vindo a aumentar no decorrer do tempo, sendo esta componente a utilizada no caso de estudo mais à frente.

2.4 Diretivas da União Europeia

A criação de diretivas por parte da União Europeia (UE) tem como principal objetivo reduzir o impacto ambiental. Desta forma são criadas medidas que têm como objetivo melhorar a eficiência energética de todas as fases da cadeia de energia, desde o aprovisionamento energético até à utilização por parte dos consumidores.

Com o propósito de mobilizar o público, responsáveis políticos e os intervenientes no mercado tentando de certa forma modificar o mercado interno de energia e conceder sistemas energéticos mais eficientes em diversos produtos e infraestruturas aos cidadãos europeus, no ano de 2006 a Comissão Europeia colocou o seu plano de Ação para a Eficiência Energética: Concretizar o Potencial (COM (2006) 0545). [20]

Este plano teria como principais objetivos controlar e reduzir a procura de energia, sendo tomadas medidas associadas ao fornecimento e consumo de energia, com a intenção de se conseguir poupar 20% do consumo anual de energia primária até 2020.

Contudo, como resultado do incumprimento por parte da UE dos 20% de consumo de energia primária, foi concebido um outro Plano de Eficiência Energética no ano de 2011 (PEE) (COM (2011) 0109) com o propósito de atingir as metas desejadas, tendo a diretiva relativa à eficiência energética (2012/27/UE) entrado em vigor em dezembro de 2012.

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Esta diretiva relativa à eficiência exige, aos Estados Membros (EM), a fixação de metas nacionais a cumprir no ano de 2020 tendo por base o consumo energético primário ou final, estipulando ainda normas vinculativas para os fornecedores de energia e para os consumidores finais.

Os EM têm ainda a possibilidade de aplicar requisitos mínimos mais rigorosos no âmbito da sua estratégia de poupança de energia, sendo apresentados em seguida alguns dos requisitos presentes na diretiva: [20]

 A renovação de pelo menos 3% da área construída total dos edifícios propriedade da administração central, todos os anos a partir de 2014, e a aquisição de edifícios, serviços e produtos com elevado desempenho em termos de eficiência energética, âmbito em que o sector público deve dar o exemplo;

 A criação de estratégias nacionais a longo prazo para promover o investimento na renovação dos edifícios residenciais e comerciais e a criação de regimes de obrigações nacionais em matéria de eficiência energética ou medidas equivalentes, de modo a assegurar uma poupança de energia anual de 1,5% para os consumidores finais;

 A avaliação, até ao final de 2015, das potencialidades em matéria de aplicação da cogeração de elevada eficiência e de sistemas de aquecimento e arrefecimento urbano eficientes, em todos os EM;

 A realização de auditorias energéticas obrigatórias e regulares às grandes empresas, no mínimo de quatro em quatro anos, com exceção das empresas com sistemas energéticos e ambientais certificados;

 A implantação de redes e contadores inteligentes e o fornecimento de informações exatas nas faturas energéticas, a fim de reforçar a posição dos consumidores e incentivar o consumo de energia mais eficaz.

Com o propósito de se obter uma poupança de energia primária para 2020, a comissão consumou uma avaliação, propondo metas nacionais de eficiência energética de caráter obrigatório. Posto isto, os EM serão obrigados a apresentar relatórios anuais sobre os progressos alcançados em matéria de concretização das metas nacionais de eficiência energética. Um estudo mais aprofundado sobre esta diretiva, relativamente ao aumento da eficiência energética, é apresentado de seguida. [20]

2.4.1 Serviços Energéticos

A diretiva relativa aos serviços energéticos 2006/32/CE que revogou a diretiva anterior (93/76/CEE), incentiva os EM no que diz respeito à melhoria da sua eficiência na utilização final da energia e ainda na exploração de potenciais poupanças de energia rentáveis que sejam economicamente eficazes. [20]

Esta diretiva foi revogada com a entrada em vigor da diretiva mais recente relativa à eficiência energética, com exceção de alguns pontos que apenas serão revogados em 1 de

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janeiro de 2017, dado que algumas das suas disposições se sobrepõem, como é o caso das disposições que têm como objetivo nesse ano uma poupança de 9% do consumo final de energia de cada EM.

A nova diretiva apresentada sobre a eficiência energética, facilita ainda mais nos requisitos que se aplicavam à medição da poupança de energia e que estavam especificados na diretiva relativa aos serviços energéticos.

2.4.2 Cogeração

A diretiva relativa à promoção da cogeração 2004/8/CE que revogou a diretiva anterior (92/42/CEE), foi adotada em 2004 e teve como finalidade intensificar o aumento e a utilização da cogeração ou da produção combinada de calor e eletricidade (PCCE) na UE. [20]

Com esta diretiva surgiram alguns debates no Conselho e no Parlamento durante o seu processo de adoção, ficando estipulada uma definição uniforme para a produção combinada de calor e eletricidade. A comissão fixou valores de referência harmonizados em matéria de eficiência para a produção separada de eletricidade e calor com o intuito de ter em conta os progressos tecnológicos e as alterações na distribuição das fontes de energia. [20]

A diretiva relativa à cogeração foi revogada em dezembro de 2012 com a entrada em vigor da diretiva alusiva à eficiência energética. Esta nova diretiva pretendia que os EM avaliassem e informassem a Comissão do potencial de cogeração de elevada eficiência e das redes de aquecimento e arrefecimento urbano no seu território e que procedessem a uma análise de custo-benefício com base nas condições climáticas, na viablidade económica e na adequação técnica, existindo no entanto algumas exceções.

2.4.3 Desempenho Energético nos Edifícios

A diretiva relativa ao desempenho energético de edifícios 2002/91/CE previu uma maneira para o cálculo do desempenho energético de edifícios, os requisitos mínimos para os edifícios de grande dimensão novos e para os existentes e ainda a certificação energética, dando uma especial importância ao ar condicionado, ao isolamento e à utilização de fontes renováveis de energia. [20]

Foi revogada a partir do dia 1 de fevereiro de 2012 pela diretiva reformulada 2010/31/UE, que entrou em vigor em julho de 2010. O principal objetivo foi simplificar algumas disposições da anterior diretiva e reforçar os requisitos de eficiência energética no que diz respeito: [20]

• Ao quadro geral comum para uma metodologia de cálculo do desempenho energético integrado dos edifícios e das frações autónomas;

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• À aplicação de requisitos mínimos para o desempenho energético de novos edifícios e frações autónomas, determinando, por exemplo, que, até 31 de dezembro de 2020, a totalidade dos edifícios sempre que forem instalados, substituídos ou atualizados;

• Da certificação energética dos edifícios ou das frações autónomas, inspeções regulares dos sistemas de aquecimento e de ar condicionado dos edifícios e sistemas de controlo independente dos certificados de desempenho energético e dos relatórios de inspeção. Os EM têm a possibilidade de defender ou de introduzir medidas mais ambiciosas. De realçar a publicação de relatórios que têm como objetivo ajudar os EM a aplicar os requisitos relativos à eficiência energética no que diz respeito à elaboração de uma estratégia a longo prazo para a mobilização de investimentos na renovação do parque imobiliário nacional. e ainda o fornecimento de orientações técnicas no que diz respeito ao financiamento da renovação energética dos edifícios com fundos da política de coesão. [20]

25

3.

Energia Solar Fotovoltaica

Neste terceiro capítulo são abordadas algumas considerações gerais sobre a energia solar fotovoltaica, o efeito fotovoltaico, as células fotovoltaicas e, por último, o tipo de sistemas fotovoltaicos.

3.1 Considerações Gerais

Nos últimos anos, os sistemas fotovoltaicos afirmaram-se no mercado da produção de energia elétrica como sendo uma alternativa complementar aos outros sistemas que utilizam recursos fósseis. Esta evolução no mercado surgiu como consequência da redução considerável dos preços dos sistemas fotovoltaicos, passando a energia fotovoltaica a ser uma aposta economicamente viável. [21]

Pela análise do gráfico da Figura 23, está previsto que a capacidade solar instalada em 2020 atinja valores dez vezes superiores aos registados em 2010. Esta previsão está implícita nas políticas para as energias renováveis.

Figura 23 - Previsão da capacidade solar instalada [18]

Tal como acontece com outros sistemas, a energia elétrica produzida através dos sistemas fotovoltaicos tem vantagens e inconvenientes associados, como se enumera a seguir. [21] Vantagens:

• Simplicidade – Não possuem partes móveis que possam desgastar-se;

• Fiabilidade – Funcionam mesmo em condições extremas;

• Durabilidade – O tempo médio de vida é cerca de 25 anos;

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• Poluição – Não produzem contaminação ambiental, durante o funcionamento do sistema;

• Independência – Podem funcionar como sistemas isolados.

Inconvenientes:

• Investimento – É necessário um grande investimento inicial;

• Recurso solar –A colocação de painéis é restringida a locais com boa radiação solar;

• Armazenamento – No caso de um sistema isolado é necessário recorrer à utilização de baterias, o que aumenta os custos e a complexidade;

• Rendimento – O rendimento real de conversão de um módulo é reduzido (o limite

teórico máximo numa célula de silício é cerca de 28%), face ao custo do investimento.

3.2 Radiação Solar

A origem da vida e das outras formas de energia que existem na Terra têm como principal fonte energética o Sol. A energia do Sol tem origem na fusão dos núcleos de átomos de hidrogénio e a consequente produção de núcleos de hélio. A intensidade da radiação solar fora da atmosfera, depende da distância entre o Sol e a Terra. Durante o decorrer do ano, pode variar entre 1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km. Devido a este facto, a irradiância global, G, varia entre 1325 W/m2 e 1412 W/m2. O valor médio é designado por constante solar, G0 = 1367 W/m2. Define-se, ainda, irradiação solar como a quantidade de energia solar incidente por unidade de área, expressando-se em Wh/m2. [21]

À medida que a radiação solar atravessa a atmosfera terrestre, esta é alterada devido aos fenómenos de reflexão, absorção e difusão verificados na atmosfera, nas nuvens e nas partículas de pó, vapor de água e gases poluentes, respetivamente.

A atmosfera também é responsável pela difração dos raios solares, sendo devido a este fenómeno, que mesmo num dia de céu nublado há sempre radiação a chegar à superfície terrestre. Assim, a radiação solar total ou radiação global sobre uma superfície horizontal é definida como sendo a soma da radiação difusa e da radiação direta, isto porque se considera somente radiação incidente sobre a superfície.

Por outro lado em superfícies inclinadas relativamente considera-se uma terceira componente de radiação, o albedo, que corresponde à radiação refletida pelo ambiente circundante. A Figura 24 representa as quatro componentes da radiação solar. [21]

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Figura 24 - Componentes da radiação solar na superfície terrestre [22]

Os fenómenos que ocorrem na atmosfera condicionam a radiação solar que chega à superfície terrestre, o que permite concluir que a massa de ar, (MA), tem efeitos ao nível da radiação solar que chega à superfície terrestre. Sendo assim, define-se MA como sendo a razão entre o caminho ótico percorrido pelos raios solares na atmosfera e o caminho vertical na direção de zénite ao nível do mar. O ângulo de incidência dos raios solares faz com que estes tenham um trajeto com maior ou menor massa de ar atravessada, sendo que este ângulo é alterado de acordo com a declinação da Terra em relação ao Sol, como se ilustra na Figura 25. [23]

Figura 25 - Posição do sol durante o período de um ano em Santarém [24]

A quantidade de MA pode ser calculada pela equação (1) em que a variável independente é o ângulo γS. [21]

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𝑀𝐴 = 1

sin 𝛾_𝑆 (1)

O valor de massa de ar será igual a 1 se γS = 90º. Este valor é obtido no equador, ao meio-dia dos meio-dias de equinócio devido à incidência dos raios solares, que são perpendiculares. No espaço a radiação é considerada como tendo um espetro de MA = 0. Quando atravessa a atmosfera a intensidade de radiação é reduzida devido à: [21]

• Reflexão causada pela atmosfera;

• Absorção através de moléculas na atmosfera (O3, H2O, O2, CO2);

• Dispersão Rayleigh (dipersão da luz por partículas de pequenas dimensões); • Dispersão Mie (dispersão por partículas esféricas).

Na Tabela 2 encontra-se a dependência da irradiância em relação à altura do Sol γS. A absorção e dispersão de Rayleigh aumentam com a diminuição da altura solar. A dispersão devida à poluição atmosférica (dispersão de Mie), varia consideravelmente conforme a sua localização, sendo maior nas zonas industriais. Influências climatéricas locais como as nuvens, a chuva ou a neve, levam a uma maior redução da radiação.

Tabela 2 - Dependência da irradiância com a altura do sol [21]

γS MA Absorção Dispersão de Rayleigh Difusão de Mie Redução Total 90 1,00 8,7% 9,4% 0…25,6% 17,3…38,4% 60 1,15 9,2% 10,5% 0,7…29,5% 19,4…42,8% 30 2,00 11,2% 16,3% 4,1…44,9% 28,8…59,1% 10 5,76 16,2% 31,9% 15,4…74,3% 51,8…85,4% 5 11,5 19,5% 42,5% 24,6…86,5% 65,1…93,8%

O valor da radiação global, muito importante no dimensionamento de sistemas solares, pode ser consultado através do mapa da Figura 26.

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Figura 26 - Radiação global anual em Portugal [22]

Outros fatores que influenciam os níveis de radiação registados à superfície são, a latitude do lugar e a estação do ano. Graças à curvatura da Terra, um país/região com uma menor latitude possui níveis de radiação solar mais elevados. [23]

A Figura 27, representa graficamente a variação da radiação solar com a latitude ao longo de um ano para o caso do hemisfério Norte. A latitude de Portugal Continental situa-se aproximadamente entre 37° e 42°.

Outro fator que influencia a captação da radiação solar é a estação do ano onde é medida. As variações sazonais (“Verão-Inverno”) da energia solar que incide sobre a superfície da Terra (em especial nas zonas afastadas do equador) resultam de uma inclinação do eixo do planeta em relação ao eixo do Sol (23, 45°). [23]

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Figura 27 - Variação da radiação solar com a latitude ao longo de um ano no hemisfério Norte [20]

Devido ao movimento de translação da Terra, o ângulo formado entre o plano que passa pelo equador e a direção dos raios solares varia ao longo do ano entre os limites (+23,45° e -23,45°). A este ângulo dá-se o nome de declinação solar, δs. A declinação solar é nula nos equinócios (da Primavera, no dia 21 ou 22 de março, e do Outono, no dia 21 de setembro) altura em que a duração do dia é igual à duração da noite. A declinação solar é obtida para cada dia do ano pela expressão 2,

sin δ_s ≅ sin 23,45º sin 360 (284 + 𝑁)

365 (2)

Onde N é o número do dia do ano (N=1 corresponde ao primeiro dia do ano, isto é 1 de janeiro). Pela simples razão do ano solar ter pouco mais do que 365 dias (cerca de 365,25 dias), a declinação solar num determinado dia de um dado mês, é diferente de ano para ano, pelo que a expressão (2) é apenas uma aproximação. Se estivermos no hemisfério Norte, a declinação solar varia entre -23,45° no solstício de Inverno (21 de Dezembro) e +23,45° no solstício de Verão (21 ou 22 de Junho). [23] A Figura 28 apresenta a órbita da Terra em torno do Sol, bem como a declinação solar ao longo do ano.

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Figura 28 - Órbita da Terra e declinação solaro ao longo do ano [23]

Relativamente aos estudos sobre energia solar é conveniente escolher a Terra como referencial fixo, o que permite considerar no estudo que o Sol roda à volta desta.

Assim, a posição do Sol é definida por duas coordenadas, o ângulo de altitude solar, β, formado pelos raios solares com o plano horizontal e o ângulo de azimute solar, αs, entre a projeção horizontal dos raios solares e a direção Norte-Sul no plano horizontal. É positivo se o sol estiver a Oeste do Sul e negativo se estiver a Este do Sul. Define-se ainda o ângulo de zénite solar, z, como sendo (z = 90° - β) o ângulo entre os raios solares e a direção vertical como se pode verificar pela Figura 29. [23]

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No Inverno, a altura solar é menor que no Verão. Desta feita, quanto menor é a altura do Sol, menor é a sua irradiância, uma vez que, os raios solares terão que percorrer uma distância maior para atravessar a atmosfera. Sendo assim, e como foi dito anteriormente, quanto mais verticalmente os raios de Sol atingirem a superfície da Terra, mais concentrados estão, logo maior é a quantidade de energia por unidade de tempo que atinge a superfície.

Os ângulos de altitude solar, β, e de azimute solar, αs, podem ser expressos em função de três ângulos fundamentais: latitude, L, que varia com o local, o ângulo horário solar, hs, que depende do local e do instante considerados e a declinação solar, δs, que como se viu depende do dia do ano. [23] O ângulo horário solar é dado em função da hora solar local, ts, pela expressão (3).

ℎ𝑠 = 15° x ts − 12 , com 0 ≤ ts ≤ 24h (3)

Estes três ângulos estão representados na Figura 30. A partir de relações trigonométricas, obtêm-se a seguinte equação (4) para a altura solar, β:

sin 𝛽 = sin 𝐿 sin δs+ cos 𝐿 cos δscos ℎs (4)

Ao meio dia solar, ts = 12h, hs = 0 e, portanto, αs = 0 e β=90º - |L − δs|.

Figura 30 - Definição de ângulo horário solar, hs (CND), declinação solar, δs (VOD) e latitude, L (POC) em que P é o ponto de localização do observador [23]

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O ângulo de incidência da radiação solar varia em todas as áreas de aproveitamento deste tipo de recurso, uma vez que a altura solar e o azimute variam ao longo do dia e do ano. A Figura 31 representa a irradiação solar anual que incide numa área de 1m2, em função do azimute e da altura solar para a cidade de Lisboa.

Figura 31 - Irradiação solar global, em kWh/m2 para diferentes orientações da superfície receptora em Lisboa [24]

Para medida da radiação solar existem diversos aparelhos como o piranómetro (mede a radiação global), o actonógrafo (mede e regista a radiação global) e o piroheliómetro (mede a radiação solar direta normal). Para medir o número de horas de insolação existe o heliógrafo. [23] Com este tipo de aparelhos é possível construir mapas de radiação solar do planeta. Mapas esses que estão representados por exemplo na Figura 32.