Estudo de um sistema de energia sustentável na Ilha do Pico

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2019

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA

Estudo de um sistema de energia sustentável na Ilha do Pico

Diogo da Costa Garcia

Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

Dissertação orientada por:

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Agradecimentos

Gostaria de deixar uma nota de agradecimento às seguintes pessoas, por toda a ajuda e apoio ao longo do desenvolvimento da presente dissertação:

Ao meu orientador, Doutor Pedro Nunes, por toda a ajuda e disponibilidade prestada no desenvolvimento e conclusão deste estudo e também por todo o conhecimento que partilhou comigo; À Engenheira Sandra Rodrigues, do grupo EDA, por toda a ajuda em temáticas sobre o caso de estudo, bem como fornecimento de informação imprescindíveis para o trabalho desenvolvido;

Aos que considero amigos, pela preocupação, ajuda, apoio e incentivo demonstrado ao longo de todo este tempo, para a conclusão de uma etapa importante da minha vida;

Aos meus avós, paternos e maternos, por todo o esforço, dedicação e apoio para conclusão dos meus estudos;

E por fim, os meus grandes apoios, os meus pais e a minha namorada, pelo amor incondicional, apoio, motivação e paciência durante todo este processo educativo.

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Resumo

Os territórios insulares são tradicionalmente muito dependentes de combustíveis fósseis importados para satisfazer as suas necessidades energéticas. Devido aos custos associados à dependência de combustível, mais altos numa ilha por via da sua insularidade, a economia local é condicionada negativamente, com custos ao nível do desenvolvimento da região. Por outro lado, a queima de combustíveis fósseis gera poluição nesses locais e implica a emissão de gases de efeito de estufa.

À semelhança da generalidade das regiões insulares, ilha do Pico, inserida na Região Autónoma dos Açores, sofre de uma forte dependência energética ao recorrer a centrais termoeléctricas para a produção de energia (86,5%), à gasolina e gasóleo para o abastecimento de quase a totalidade dos seus veículos e ao gás butano engarrafado para usos domésticos. Estes três sectores em conjunto são responsáveis por uma emissão de 57 mil toneladas de dióxido de carbono e por uma despesa de combustível, sem taxas, na ordem dos 11 milhões de euros anualmente.

Com o intuito de promover uma transição energética sustentável nesta ilha, de forma a eliminar as emissões de dióxido de carbono nestes sectores e reduzir a dependência de combustível fóssil importado, esta tese estuda a conversão do seu sistema electroprodutor para energias renováveis, a dos veículos a combustão para eléctricos, e a substituição do gás de butano engarrafado por electricidade. São simulados seis cenários, construídos de forma progressiva, que prevêem a adopção de novas fontes de energia renovável (fotovoltaica, biomassa florestal residual e ondas) e reforço da capacidade já instalada (eólica) consoante o aumento projectado do consumo. São ainda utilizados o armazenamento hídrico com bombagem reversível de água salgada e os veículos eléctricos com ligação bidireccional para regularização do diagrama de carga e estabilização da rede eléctrica, permitindo ainda uma resposta inteligente às variações do consumo e produção, e armazenamento de excesso de energia produzida. Os cenários propostos são analisados em termos energéticos, ambientais, comparando a redução progressiva das emissões de dióxido de carbono, e económicos, com a comparação do custo de energia normalizado para o tempo de vida útil das tecnologias.

Conclui-se que é possível evitar a totalidade das emissões de dióxido de carbono e poluentes, e, ao mesmo tempo, o custo de energia diminuir dos 12,6 para 12,4 c€/kWh, diminuição condicionada pelos elevados custos de instalação e operação e manutenção da energia das ondas. Por este motivo, foi simulado um cenário adicional sem esta tecnologia, que apresenta um custo de energia de 8,0 c€/kWh, o que perfaz uma poupança anual em combustíveis fósseis de 6,11 milhões de euros.

Palavras-chave: ilha do Pico, sistemas de energia renovável, EnergyPLAN, hídrica reversível com

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Abstract

Insular regions are traditionally heavily dependent on imported fossil fuels in order to satisfy their local energy needs. Due to this, which implies high costs, the local economy is impacted on its development. On the other hand, the burning of fossil fuels pollutes these regions and emits greenhouse gases. The Pico island, inserted in the Autonomous Region of Azores, is no exception, having a strong energy dependency and resorting to thermal power plants to produce most of its electricity (86,5%), to gasoline and diesel to fuel vehicles and to bottled butane gas for domestic uses. These three sectors together are responsible for the emission of 57 thousand tons of carbon dioxide, costing, before taxes, around 11 million euros annually.

With the intent to promote an energy transition towards clean sustainable energy sources, eliminating carbon dioxide emissions from these sectors and reducing dependency on imported fuels, this thesis studies the conversion of the present power system towards renewable energies, of internal combustion vehicles to electric ones, and replacing of bottled butane gas by electricity. Six incremental scenarios are simulated, which include the introduction of new renewable technologies (photovoltaics, biomass from forest waste and wave energy) and the increase of the wind capacity presently installed. To store energy and stabilize the grid, it is also considered a seawater pumped hydro storage system and electric vehicles, vehicle-to-grid enabled.

The proposed scenarios are examined in terms of energetic, environmental (comparing the carbon dioxide emissions) and economic (comparing the levelized cost of energy) impacts.

It is concluded that it is possible within these sectors to entirely avoid carbon dioxide and pollutants emissions in Pico and, at the same time, reduce the cost of energy from 12,6 to 12,4 c€/kWh, a difference limited by the high costs of wave energy. For this reason, it was simulated an additional scenario disregarding this technology, where energy costs 8,0 c€/kWh, allowing for 6,11 million euros in annual savings.

Keywords: Pico island, renewable energy systems, EnergyPLAN, pumped hydroelectric energy

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Índice

Agradecimentos ... iii Resumo ... v Abstract ... vii Índice ... ix Índice de figuras ... xi

Índice de tabelas ... xiii

Índice de equações... xv

Lista de abreviaturas ... xvii

1 Introdução ... 1

1.1 Contextualização ... 1

1.2 Motivação e objectivos ... 1

1.3 Resumo da estrutura da tese ... 2

2 Estado da arte ... 5

2.1 Fontes de energia renovável em sistemas isolados ... 5

2.1.1 Energia Eólica ... 5

2.1.2 Energia solar fotovoltaica ... 6

2.1.3 Energia das Ondas ... 6

2.1.4 Energia de Biomassa residual ... 8

2.1.5 Resíduos sólidos urbanos ... 9

2.2 Armazenamento hidroeléctrico com bombagem ... 10

2.3 Redes inteligentes de energia ... 11

2.4 Mobilidade eléctrica ... 12

2.5 Outros casos de estudo ... 13

2.5.1 Internacionais ... 13

2.5.2 Nacionais ... 15

3 Caso de estudo: ilha do Pico ... 17

3.1 Caracterização socioeconómica e territorial ... 17

3.2 Caracterização climática ... 19 3.2.1 Humidade relativa do ar ... 19 3.2.2 Precipitação ... 19 3.2.3 Temperatura do ar ... 20 3.2.4 Radiação solar ... 21 3.2.5 Velocidade do vento ... 22 3.2.6 Ondulação ... 23 3.3 Rede de Energia... 24 3.3.1 Consumo eléctrico ... 24 3.3.2 Produção eléctrica ... 26

3.3.3 Transporte e distribuição de energia ... 27

3.4 Transportes e combustível fóssil ... 27

3.5 Custos ... 28 3.6 Emissões de CO2 ... 30 4 Métodos ... 31 4.1 EnergyPLAN ... 31 4.1.1 Aspectos gerais ... 32 4.1.2 Calibração do modelo ... 33

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4.2.1 Cenário 1 – Fotovoltaico, Eólica e Ondas ... 36

4.2.2 Cenário 2 – Biomassa residual florestal e Resíduos sólidos urbanos ... 39

4.2.3 Cenário 3 – Armazenamento de energia ... 41

4.2.4 Cenário 4 – Introdução de veículos eléctricos (50% e 100%) ... 43

4.3 Avaliação económica ... 46

4.3.1 Custos de instalação ... 46

4.3.2 Custos de operação e manutenção ... 47

4.3.3 LCOE – Custo normalizado de energia ... 48

5 Resultados e discussão ... 49 5.1 Análise energética ... 49 5.1.1 Cenário 1 ... 49 5.1.1.1 Resultados anuais ... 49 5.1.1.2 Diagramas de carga ... 52 5.1.2 Cenário 2 ... 52 5.1.2.1 Resultados anuais ... 52 5.1.2.2 Diagramas de cargas ... 55 5.1.3 Cenário 3 ... 55 5.1.3.1 Resultados anuais ... 55 5.1.3.2 Diagramas de carga ... 58 5.1.4 Cenário 4.1 e 4.2 ... 58 5.1.4.1 Resultados anuais ... 58 5.1.4.2 Diagramas de carga ... 61 5.2 Análise ambiental ... 61 5.3 Análise económica ... 62

6 Conclusões e trabalho futuro ... 67

6.1 Limitações e trabalho futuro ... 68

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Índice de figuras

Figura.2.1 - Ilustração da tecnologia CAO fixa [25]. ... 7

Figura 2.2 - Ilustração de uma PHES [50]. ... 10

Figura 2.3 - Ilustração de uma rede inteligente de energia [65]. ... 12

Figura 3.1 - Mapa topográfico da ilha do Pico [101]. ... 17

Figura 3.2 - Ocupação da superfície terrestre da ilha do Pico (km2_{) [100]. ... 18}

Figura 3.3 – Altura média (m) de água em lagoas da ilha do Pico em 2016. ... 19

Figura 3.4 – Precipitação em Angra do Heroísmo: média mensal (mm) e nº médio de dias em que ocorreu entre 1971-2000 [105]. ... 20

Figura 3.5 – Temperatura do ar em Angra do Heroísmo: média mínima, média e máxima (ºC) entre 1971-2000 [105]. ... 21

Figura 3.6 - Irradiação solar directa (kWh/m2_{/dia) na ilha do Pico: média mensal entre 1980-2016 [106].} ... 21

Figura 3.7 - Percentagem (%) de nebulosidade na ilha do Pico: média mensal entre 1980-2016 [106]. ... 22

Figura 3.8 - Velocidade do vento (m/s) na ilha do Pico: média mensal entre 1980-2016 [106]. ... 23

Figura 3.9 – Altura significativa (m) na ilha do Pico: média diária entre 1979-2014 [108]. ... 23

Figura 3.10 – Período (s) na ilha do Pico: média diária entre 1979-2014 [108]. ... 24

Figura 3.11 - Consumo anual por sector na ilha do Pico em 2016 [110]. ... 24

Figura 3.12 - Consumo eléctrico mensal de cada sector na ilha do Pico em 2016 [127-138]. ... 25

Figura 3.13 - Diagrama de carga de dias típicos da ilha do Pico em 2016 [122]. ... 25

Figura 3.14 - Produção eléctrica por fonte na ilha do Pico em 2016 [110]. ... 26

Figura 3.15 - Produção anual por sector na ilha do Pico em 2016 [110]. ... 27

Figura 4.1 - Ilustração geral dos componentes utilizados no EnergyPLAN e sua articulação [136]. .... 31

Figura 4.2 - Requisitos para estabilização da rede eléctrica [136]. ... 32

Figura 4.3 - Distribuição do consumo simples anual. ... 34

Figura 4.4 - Distribuição da produção eólica anual. ... 34

Figura 4.5 – Curva de duração de carga da PP termoeléctrica e eólica, reais e simuladas... 35

Figura 4.6 - Esquematização dos cenários definidos e a sua modelação. ... 36

Figura 4.7 - Distribuição do novo consumo simples anual. ... 37

Figura 4.8 - Distribuição da produção PV anual. ... 38

Figura 4.9 - Distribuição da produção das ondas anual. ... 38

Figura 4.10 - Distribuição anual da produção conjunta de biomassa florestal residual e RSU. ... 40

Figura 4.11 – Distribuição do consumo semanal dos VEs com carregamento dumb e smart para o Cenário 4.1 e 4.2 [148][149]. ... 44

Figura 5.1 – Cenário 1: consumo flexível para AQS. ... 50

Figura 5.2 – Cenário 1: produção global e excesso por tecnologia. ... 50

Figura 5.3 - Cenário 1: produção mensal de energia útil e não útil por tecnologia. ... 51

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Figura 5.9 - Cenário 2: importação necessária e excesso de produção. ... 54

Figura 5.10 - Cenário 2: curva de duração de carga da energia de biomassa e RSU. ... 54

Figura 5.15 - Cenário 3: análise mensal do armazenamento SPHS. ... 57

Figura 5.16 - Cenário 3: curva de duração de nível de armazenamento... 57

Figura 5.19 – Cenário 4.2: produção global e excesso por tecnologia. ... 59

Figura 5.20 – Cenário 4.2: produção mensal de energia útil e não útil por tecnologia. ... 60

Figura 5.21 - Cenário 4.1: perfil de consumo e carregamento anual dos VEs. ... 60

Figura 5.22 - Cenário 4.2: curva de duração de nível de armazenamento conjunto. ... 61

Figura 5.25 – Emissões de CO2 por sector e cenário... 62

Figura 5.5 – Cenário 1: diagrama de carga da semana com maior produção PV. ... 89

Figura 5.6 - Cenário 1: diagrama de carga da semana com maior produção das ondas e energia renovável. ... 90

Figura 5.11 - Cenário 2: diagrama de carga da semana com maior produção da PP de biomassa e RSU. ... 90

Figura 5.12 - Cenário 2: diagrama de carga da semana com maior CEEP. ... 91

Figura 5.17 – Cenário 3: diagrama de carga da semana com maior consumo e produção. ... 92

Figura 5.18 – Cenário 3: diagrama de carga da semana com mais energia armazenada. ... 92

Figura 5.23 – Cenário 4.2: diagrama de carga da semana com maior produção. ... 93

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Índice de tabelas

Tabela 3.1 - Consumo (parcial) de combustíveis fósseis na ilha do Pico em 2016. ... 28

Tabela 3.2 – Estimativa do custo unitário de combustível, transporte, descarga e armazenamento por sector na ilha do Pico em 2016. ... 29

Tabela 3.3 - Estimativa do LCOE térmico, eólico e global na ilha do Pico em 2016. ... 29

Tabela 3.4 - Emissões de CO2 equivalente por sector na ilha do Pico em 2016. ... 30

Tabela 4.1 – Parâmetros comparativos utilizados na validação do modelo. ... 35

Tabela 4.2 - Resumo dos parâmetros relevantes do Cenário 1. ... 39

Tabela 4.4 - Capacidade instalada da SPHS e respectivas eficiências. ... 41

Tabela 4.6 – Número e consumo dos VEs por tipo de carregamento para o Cenário 4.1 e 4.2. ... 44

Tabela 4.7 - Parâmetros dos VEs com carregamento smart. ... 45

Tabela.4.8 - Resumo dos parâmetros relevantes do Cenário 4.1 e 4.2. ... 46

Tabela 4.9 - Custo unitário por tecnologia. ... 47

Tabela 4.10 - Custos de O&M por hora de funcionamento e percentagem do custo de instalação por tecnologia. ... 48

Tabela 5.1 – Cenário 1: resultados anuais e factores de capacidade. ... 49

Tabela 5.4 – Cenário 4.1 e 4.2: resultados anuais e factores de capacidade. ... 58

Tabela 5.5 - Custo de instalação, O&M e LCOE por tecnologia e cenário. ... 63

Tabela 5.6 - Análise económica suplementar de um cenário sem energia das ondas. ... 64

Tabela 5.7 - Redução de custos sem taxas com combustível automóvel. ... 65

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Índice de equações

Equação 4.1 ... 42

Equação4.2 ... 47

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Lista de abreviaturas

AQS – Aquecimento de águas sanitárias BT – Baixa tensão

CAO – Coluna de água oscilante

CEEP – Critical excess electricity production

𝐶𝑖𝑛𝑠𝑡. – Custo de instalação

CO2 – Dióxido de carbono

CT – Custo de transporte

D&A – Custos de descarga e armazenamento DSM - Demand side management

EP - EnergyPLAN Hs - Altura significativa

IRENA – Agência Internacional de Energia Renovável LCOE – Levelized Cost of Energy

MT – Média tensão

O&M – Operação e manutenção

PHES – Pumped Hydroelectric Energy Storage PMEA - Plano para a Mobilidade Eléctrica nos Açores PV – Energia solar fotovoltaica

PP – Power Plant

RSU – Resíduos sólidos urbanos SAM - System Advisor Model

SPHS – Seawater pumped hydro storage PCI – Poder Calorífico Inferior

Tp - Período médio

VCI – Veículos de combustão interna VEs – Veículo(s) Eléctrico(s)

V2G - Vehicle-to-grid

ZEC - Zonas Especiais de Conservação ZPE - Zonas de Proteção Especial

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1 Introdução

Este capítulo introduz o tema da dissertação, fazendo a contextualização energética, ambiental e económica das regiões insulares, e apresenta a motivação e objectivos do trabalho e a estruturação do documento.

1.1 Contextualização

A consciencialização dos impactos negativos da utilização maciça das fontes de energia fóssil culminou num aumento gradual do interesse em energias renováveis e em eficiência energética, por forma a mitigar as emissões de gases de efeito de estufa e os seus efeitos danosos no clima.

Nos territórios insulares a exploração de recursos renováveis e endógenos para a produção de energia eléctrica assume uma grande importância, dadas as dificuldades acrescidas face à generalidade das regiões do continente no fornecimento e distribuição de energia, e elevada dependência externa de combustíveis fósseis. Com efeito, a dependência destes territórios de fontes de energia importadas tem efeitos negativos no desenvolvimento destas regiões, dados os avultados custos que as importações comportam.

A Região Autónoma dos Açores é um exemplo, onde 73% do consumo final de energia é suprido por combustíveis fosseis, sob a forma de electricidade (23%), gasóleo (39%) e gasolina (12%). Os transportes por sua vez são responsáveis por 47% do consumo final de energia, com uma distribuição de 72% para transporte rodoviário e 28% para transporte aéreo e marítimo [1].

Os sistemas eléctricos regionais dos Açores encontram-se isolados entre si e da rede continental, e sem perspectivas de interligação, consequência da morfologia do fundo oceânico e elevada distância entre ilhas [2] [3].

Ciente desta realidade, o Governo Regional dos Açores definiu a Estratégia Açoriana para a Energia 2030 (EAE 2030), que preconiza a transição energética da Região Autónoma dos Açores, descarbonizando gradualmente a sua economia energética através do incremento do recurso a fontes de energia renováveis [1].

A criação de um sistema com elevada penetração renovável deverá ter em linha de conta a estabilidade da rede eléctrica, não descurando a variabilidade inerente à energia solar, do vento e das ondas. Para mitigar a variabilidade destas fontes de energia, passíveis de utilização na Região Autónoma dos Açores, é necessário dotar o sistema de ferramentas fundamentais, como o armazenamento hídrico e as redes inteligentes [4][5]. É ainda possível utilizar as baterias em veículos eléctricos (VEs) como forma de armazenamento flexível, com possível ligação bidireccional, fazendo aumentar a produção renovável, ao mesmo tempo que este tipo de mobilidade faz reduzir as emissões de gases de efeito de estufa no sector rodoviário [6].

1.2 Motivação e objectivos

Apesar de as energias renováveis se encontrarem em expansão na Região Autónoma dos Açores, esta ainda carece de uma profunda avaliação do seu real potencial para produção renovável. Não obstante a

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Estudo de um sistema de energia sustentável na Ilha do Pico

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importância deste tema e os esforços envidados a nível regional, é crucial analisar as singularidades de cada uma das ilhas, devido à disparidade do potencial energético entre elas.

A ilha do Pico é a segunda maior dos Açores, albergando um vasto leque de recursos renováveis, muitos por explorar e analisar; no entanto, ainda é maioritariamente dependente de combustível fóssil importado. Dentro da própria ilha existe uma grande diversidade paisagística e orográfica e, inclusivamente, das próprias condições meteorológicas, que influenciam a radiação solar que incide na superfície, os ventos predominantes e até a ondulação na orla costeira [3].

Assim, pretende-se com o presente estudo realizar um levantamento mais profundo do potencial energético da ilha do Pico e contribuir desta forma para enriquecimento científico, através da apresentação de uma solução viável para a descarbonização dos sectores eléctrico, rodoviário e aquecimento doméstico, e para melhoria financeira da ilha e região.

O trabalho terá uma componente de modelação computacional do sistema de energia da ilha, que permitirá traçar e comparar cenários alternativos ao existente e entre si.

Ambiciona-se ainda que o estudo possa servir como suporte e referência a planos para tornar no futuro a ilha inteiramente renovável.

1.3 Resumo da estrutura da tese

O documento está divido em seis secções, de acordo com o seguinte:

No Capítulo 1 faz-se um enquadramento breve das regiões insulares, dando-se particular ênfase aos desafios que as mesmas enfrentam na produção eléctrica e abastecimento fóssil, bem como à importância das energias renováveis em solucionar esse problema. Além dos seus desafios, expõem-se, igualmente, os objectivos do presente estudo e o resumo da sua estrutura.

No Capítulo 2 apresenta-se uma revisão do estado da arte para as diversas tecnologias renováveis passíveis de implementação na ilha do Pico, os cuidados a que o planeamento de sistemas com elevada penetração renovável obriga e as estratégias para a sua resolução. É ainda exposta a integração da mobilidade eléctrica em sistemas renováveis que servem como casos de estudo mundiais e regionais considerados relevantes.

No Capítulo 3 é caracterizado o presente caso de estudo, a ilha do Pico, através da apresentação das características físicas da ilha, recursos endógenos disponíveis, e dos seus sectores eléctrico, rodoviário e aquecimento doméstico. É igualmente apresentada uma análise ambiental e económica dos três

sectores, relativamente às suas emissões de dióxido de carbono (CO2)e custos associados.

No Capítulo 4 é apresentada a metodologia que foi aplicada para a avaliação energética, ambiental e económica. Este capítulo encontra-se dividido entre o método utilizado nas simulações computacionais e do cálculo do custo normalizado de energia.

No Capítulo 5 são apresentados e analisados os resultados energéticos obtidos para cinco cenários que foram dimensionados e simulados. Posteriormente é mostrado o balanço ambiental e económico,

incluindo-se no primeiro a redução das emissões de CO2 para os diferentes cenários e no segundo os

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um cenário adicional, sem recurso à energia das ondas, com o intuito de comparar os custos normalizados obtidos.

No Capítulo 6 são apresentadas por componente energética, ambiental e económica as conclusões retiradas do trabalho desenvolvido, bem como as limitações existentes e o trabalho futuro possível.

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2 Estado da arte

Neste capítulo descrevem-se as várias fontes de energia consideradas no estudo, bem como o seu armazenamento. Faz-se igualmente o enquadramento teórico do funcionamento do sistema de energia e utilização de veículos eléctricos. Referem-se ainda estudos análogos, por isso úteis para a presente discussão.

2.1 Fontes de energia renovável em sistemas isolados

2.1.1 Energia Eólica

A energia eólica é, de forma resumida, a energia obtida através do aproveitamento da energia cinética do vento, convertida em energia mecânica através da rotação das pás de um aerogerador, posteriormente transformada em energia eléctrica [7].

Esta energia, ao estar directamente dependente da velocidade e distribuição do vento, é caracterizada por uma produção variável. Actualmente é possível produzir energia eólica em terra (tecnologia

onshore) e no mar (offshore).

A tecnologia onshore apresenta um nível elevado de amadurecimento, por isso encontra-se amplamente integrada em inúmeras redes eléctricas em comparação com a tecnologia offshore. Hevia-Koch e Jacobsen evidenciam para a Dinamarca a diferença entre ambas através do cálculo do custo normalizado de energia, ou, na sigla inglesa, LCOE (Levelized Cost of Energy), concluindo que a tecnologia onshore é mais barata do que a offshore, com variações de custo de 2 a 13 c€/kWh; contudo, também é salientado que o preço do offshore tem diminuído progressivamente [8].

Esta tendência verifica-se, de igual forma, em regiões insulares, sem ligação à rede eléctrica continental. Nestes territórios, apesar da proximidade do mar e a reduzida área para implantação de parques eólicos, o aproveitamento desta tecnologia faz-se, fundamentalmente, em terra, sendo escassos os estudos específicos sobre o potencial eólico offshore na maioria das ilhas [9].

A construção de parques eólicos onshore em territórios insulares apresenta inúmeros desafios, nomeadamente no que concerne ao transporte marítimo do equipamento e posterior instalação. Devido ao tamanho considerável dos aerogeradores, é necessário dotar os portos de condições para a recepção de navios de grandes dimensões e a construção de vias de acesso terrestres ao local designado para a sua instalação [10].

As ilhas de origem vulcânica, como é o caso das da Região Autónoma dos Açores, apresentam dificuldades acrescidas para a criação de vias de acesso terrestre ao local de instalação, uma vez que as áreas com maior potencial eólico possuem em si ou em seu redor declives acentuados e orografia irregular [10]. A elevada rugosidade terrestre, característica destas ilhas, aliada ao efeito de esteira impossibilita ainda a construção de parques eólicos densos [11].

Para além destas condicionantes, a maioria de ilhas possuem ecossistemas únicos, preservados através da demarcação de uma ampla rede de áreas protegidas, o que se traduz numa redução da superfície disponível para instalação dos parques [12].

Por forma a colmatar as condicionantes que advêm da produção eólica, tem-se vindo a apostar cada vez mais numa produção híbrida de fontes de energia renováveis em sistemas isolados. Malheiro et al. [13]

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apresentam um exemplo do dimensionamento híbrido para sistemas isolados, recorrendo à produção eólica, solar e diesel, com armazenamento em baterias.

2.1.2 Energia solar fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica (PV) é a energia obtida mediante a conversão directa da radiação solar em energia eléctrica, utilizando o efeito fotovoltaico [14]. O aproveitamento da radiação é realizado através de painéis fotovoltaicos que dependem do local geográfico em que são instalados e da sua orientação e inclinação, bem como da nebulosidade da região e da sua própria eficiência de conversão energética [15].

A radiação solar é mais elevada em posições geográficas na linha do Equador por ter uma maior exposição horária contínua ao Sol e por apresentar um índice de nebulosidade reduzida [15]. Para o devido aproveitamento da energia solar, os painéis fotovoltaicos estão assentes em estruturas que permitem uma orientação fixa ou móvel, de um ou dois eixos, nos casos mais comuns. As estruturas com dois eixos móveis, podem apresentar melhorias na produção de energia até 30,8% comparativamente às de eixo fixo, dependendo das características climáticas da região em que se efectua a instalação, que determinam a maior ou menor disponibilidade de radiação directa e difusa [16]. Os painéis fotovoltaicos actuais apresentam uma eficiência energética genérica de 17-18% [15] com uma produção de energia variável e perdas por conversão situadas nos 15% [14]. Contudo, a eficiência dos painéis tem vindo a subir, sobretudo por via de novos materiais e tecnologias, e o seu custo a baixar fortemente [17].

De facto, mesmo com as características actuais, o paradigma desta tecnologia está a mudar rapidamente com a constante diminuição dos custos de produção. A IRENA – Agência Internacional de Energia Renovável perspectivou uma redução de custos para metade a partir do segundo semestre de 2020 em relação a 2018 [18], o que se reflecte em exemplos como o dos leilões de energia solar-fotovoltaica em Portugal, cujos valores unitários de energia atingiram mínimos históricos [19]. Devido ao decréscimo dos custos, o PV apresenta-se como uma solução viável em sistemas isolados [20].

O fotovoltaico também apresenta vantagens em relação à eólica onshore, ao nível de transporte para territórios insulares pelo tamanho reduzido dos componentes, uma maior facilidade de instalação e uma maior acessibilidade para a sua manutenção.

Ma e Javed [21] estudam ainda o dimensionamento de sistemas híbridos, utilizando PV, eólica e armazenamento em baterias para ilhas remotas, e Majumder et al. [22] estudam outro sistema híbrido para ilhas remotas no Bangladesh com recurso a PV e diesel.

2.1.3 Energia das Ondas

A energia das ondas é produzida através da energia cinética provinda da oscilação marítima convertida em energia eléctrica. Apresenta uma elevada densidade energética e um impacto ambiental reduzido [23].

De forma complementar, Fadaeenejad et al. [23] também referem como vantagens o facto de existir uma compatibilidade entre a mudança das estações do ano, o recurso disponível e o consumo de energia, bem como o facto de ser uma energia com maior previsibilidade e produção contínua quando comparada com

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a fotovoltaica e a eólica. Contudo, é importante realçar que a energia das ondas tem uma produção variável com as condições marítimas.

A sua produção também depende do seu posicionamento geográfico e da tecnologia aplicada, destacando-se a de coluna de água oscilante (CAO) fixa, o galgamento e corpos oscilantes. A de CAO e galgamento são apropriadas para uma localização costeira fixa em profundidades intermédias ou em quebra-mar. Por sua vez, a de corpos oscilantes apropria-se ao largo da zona costeira, assentando no fundo oceânico e baseando-se numa movimentação vertical ou rotacional [24].

A tecnologia de CAO, de uma forma mais pormenorizada, consiste na movimentação de uma coluna de água no interior de um reservatório parcialmente submerso por via da ondulação marítima, que comprime e descomprime a coluna de ar acima que movimenta uma turbina [24]. A Figura 2.1 ilustra este processo.

Figura.2.1 - Ilustração da tecnologia CAO fixa [25].

As ilhas de origem vulcânica, em especial, apresentam normalmente uma batimetria intermédia com quebras acentuadas junto à orla costeira e consequente elevado potencial energético na sua superfície marítima [26]. Estas vantagens, aliadas às pequenas redes eléctricas características das regiões tornam apelativa a instalação desta tecnologia [27].

Em contrapartida, esta tecnologia apresenta uma capacidade instalada reduzida na casa dos 500 kW no melhor dos casos [23], e um LCOE elevado [28]. Estas desvantagens advêm de ainda possuir uma grande margem evolutiva e necessidade de amadurecimento tecnológico para se tornar competitiva com outras fontes de energia renováveis.

Os seus desafios futuros prendem-se principalmente com a optimização das estruturas e o melhoramento da eficiência dos processos de produção. Josset e Clèment apresentaram em 2007 um estudo que preconizava ser possível aumentar a produtividade da central de CAO da ilha do Pico em 15,5% substituindo a turbina Wells instalada [29].

(26)

8

A central de CAO do Pico, instalada na zona do Cachorro, foi finalizada em 1999 com uma potência instalada de 400 kW e com objectivo principal de demonstração da viabilidade da energia das ondas ligada à rede, em pequenas ilhas. Os primeiros testes foram realizados em 2005 e, posteriormente, em 2010 começou a produzir energia [30]. Actualmente a central encontra-se fora de serviço devido ao desmoronamento parcial da estrutura (ver Capítulo 3.3.2).

Em 2000 foi instalada na ilha de Islay, Escócia, uma central de CAO semelhante à da ilha do Pico, funcionando em sistema isolado com uma capacidade instalada de 500 kW [31]. Além dos dois exemplos em sistemas isolados, existem ainda duas centrais de CAO fixas do tipo quebra-mar instaladas em Sakata e Mutriku, respectivamente no Japão e em Espanha [28][31].

Fora do formato fixo, existem centrais de CAO flutuantes, como é o exemplo do Oceanlinx na Austrália e o Mighty Whale no Japão [28]. De todos os exemplos aqui apresentados, somente a central da ilha do Pico funcionou continuamente; as restantes foram apenas utilizadas demonstrativamente ou ainda não entraram em funcionamento [24].

2.1.4 Energia de Biomassa residual

A energia de biomassa utiliza matérias-primas como resíduos florestais [32]. A produção de energia pode ser realizada por processos directos, através de combustão, ou indirectamente por via de biocombustíveis e biogás [33].

O processo de combustão é similar ao das centrais que utilizam combustíveis fósseis. A biomassa é

queimada para aquecer água no estado líquido e possibilitar a sua passagem para o estado gasoso,

accionando o movimento mecânico de uma turbina para produzir energia eléctrica [34].

A biomassa provém de culturas rotativas florestais lenhosas e seus resíduos e de resíduos sólidos urbanos (RSU), indústrias agro-alimentares, agro-pecuária e agricultura [35].

A biomassa é considerada uma fonte de energia renovável por causa do seu balanço neutro em carbono, entre o que é absorvido pela matéria-prima e emitido na combustão. É caracterizada por ter um tempo de renovação baixo quando comparado com os combustíveis fósseis [36][37].

Embora o recurso de biomassa esteja em geral devidamente levantado e explorado no continente, o mesmo não acontece em geral nas ilhas. Estas carecem de levantamentos do potencial de biomassa disponível e de planos para uma gestão sustentável.

O arquipélago das Canárias é um exemplo das consequências de gestão insustentável. A região passou por um período de produção indiscriminada de biomassa florestal, originando a desflorestação do seu território e a necessidade de recorrer novamente a combustíveis fósseis [38].

Nas ilhas em que já existem estudos – por exemplo, nas Canárias [38], Maiorca [39], Guadalupe [40], Creta [36] – aposta-se na utilização de plantações para a gestão de biomassa lenhosa, realizando-se levantamentos para utilização de resíduos provenientes da agricultura.

De um ponto de vista ambiental, Chopin et al. [40] evidenciam os benefícios das culturas concebidas para o aproveitamento da sua biomassa, como a produção eléctrica ou a redução da erosão do solo, tendo

(27)

9

sempre em consideração os impactos ambientais e económico-sociais que podem advir de uma exploração exaustiva dos solos.

Já numa avaliação mais técnica, Pääkkönen e Joronen referem que a utilização da tecnologia de energia e calor combinados pode apresentar aumentos de 20% em eficiência em comparação com centrais individuais de energia e calor [41].

Esta tecnologia tem grande expressão no norte da Europa, nomeadamente nas ilhas de Aland, onde o edificado tem aquecimento centralizado. Todavia, tal não invalida a sua possível utilização em ilhas a sul, como meio de suprir este consumo variável que um sistema com base em energias renováveis pode ter dificuldade em enfrentar [42].

Para além das vantagens enunciadas, de acordo com um estudo realizado pela IEA [42], a energia proveniente da biomassa também tem um papel preponderante na estabilização da rede eléctrica, em contraste com as energias variáveis (eólica, PV, ondas) que podem ter um efeito desestabilizador. Por sua vez, a IRENA conclui o mesmo, considerando a biomassa uma fonte de energia estável. Todavia, perspectiva que irá ocorrer uma diminuição relativa da produção de energia proveniente de biomassa até 2030, devido ao aumento da penetração de outras fontes renováveis [43].

2.1.5 Resíduos sólidos urbanos

O referente do termo resíduos sólidos urbanos (RSU), como indicado pela Agência Portuguesa do Ambiente, tem sofrido alterações, actualmente significando “resíduo proveniente de habitações, bem

como outro resíduo que, pela sua natureza ou composição, seja semelhante ao resíduo proveniente de habitações” [44].

São considerados RSU todos os desperdícios gerados pela actividade humana em casas, empresas ou instituições, sem qualquer uso ou valor económico para o seu proprietário. São constituídos normalmente por resíduos que vão desde a comida a metais [45].

A produção de RSU tende a ser mais elevada em sociedades desenvolvidas, com uma maior densidade populacional, consumo e urbanização [45]. Tal também pode suceder em ilhas, sendo todavia o tratamento dos resíduos mais complexo e dispendioso, nestes casos [46].

Efectivamente, a gestão dos RSU acarreta problemas adicionais no caso dos territórios insulares, dados os custos acrescidos no tratamento residual comparativamente aos continentais, devido aos aterros sanitários de menores dimensões e restrições à reciclagem [46].

Em alternativa, a combustão de RSU é apresentada como uma solução viável para minimizar os impactos ambientais e económicos. A par da biomassa, é possível efectuar a queima dos resíduos para produção de energia ou a produção de energia e calor, como exposto anteriormente [34].

Os problemas supracitados são agravados em ilhas com grande fluxo turístico, onde o volume de RSU aumenta sazonalmente de forma significativa. Estay-Ossandon e Mena-Nieto [47] realizaram um estudo sobre as ilhas Baleares, em 2018, expondo o agravamento da produção de RSU face ao aumento populacional volante. No mesmo artigo, é ainda ilustrado a diminuição da utilização de aterros sanitários e o aumento da combustão, para fazer face ao aumento de resíduos e consumo eléctrico [47].

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10

Mohee et al. [46] apresentam uma revisão detalhada sobre a actual gestão de resíduos sólidos e tecnologias aplicadas em pequenas ilhas em vias de desenvolvimento. A principal conclusão do estudo é que as ilhas apresentam uma taxa de geração de RSU semelhante aos países pertencentes à OCDE, devido principalmente ao turismo em massa.

O estudo expõe ainda que a maioria destas ilhas queima os resíduos hospitalares. De entre os casos mencionados, somente Singapura utiliza a combustão para produção de energia eléctrica, que corresponde a 2-3% do consumo do país [46].

2.2 Armazenamento hidroeléctrico com bombagem

A tecnologia de armazenamento hidroeléctrico com bombagem (em inglês, PHES - Pumped

Hydroelectric Energy Storage) está comumente ligada às fontes de energia renovável não controláveis

[48][49].

As PHES são constituídas essencialmente por três componentes: dois reservatórios, bomba e turbina. Em horas de baixo consumo, o excesso de energia é utilizado para bombear água para o reservatório a montante, e, em horas de pico, a água faz o percurso inverso, produzindo energia ao passar pela turbina, a jusante [48]. A Figura 2.2 ilustra de maneira mais detalhada a tecnologia PHES.

Figura 2.2 - Ilustração de uma PHES [50].

Os dois reservatórios encontram-se a cotas distintas, podendo ser de diferentes tipos, dependendo das condições do terreno, por exemplo. Estes podem ser construídos de raiz ou, numa tentativa de redução de custos, utilizando locais de armazenamento natural, como por exemplo lagoas para o reservatório superior e, no caso do reservatório inferior, o próprio oceano [51].

No caso de utilização do oceano como reservatório a jusante, o sistema utiliza a água salgada para armazenamento da energia, acarretando um desgaste maior nos equipamentos, devido à corrosão e detritos, obrigando a um maior esforço e gastos na manutenção do mesmo [52].

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A utilização de uma PHES com recurso a água salgada foi testada pela primeira vez em Okinawa, no Japão, apresentado uma eficiência combinada de 77%. Ma et al. [51] referem que é uma solução promissora para territórios insulares com difícil acesso à água doce. O armazenamento hídrico com recurso a água salgada é designado, em inglês, como SPHS - Seawater pumped hydro storage [53]. Para além de servir como armazenamento, a tecnologia PHES ainda apresenta benefícios para sistemas eléctricos com a sua produção flexível, balanceamento da rede e estabilização de frequência [54]. Devido às suas características, as PHES aparecem cada vez mais associadas a estudos com fontes renováveis com produção variável, como é o caso da energia eólica [55], dependente do vento, e energia fotovoltaica [56], que só produz durante o dia.

Assim, este sistema é apresentado como uma solução viável para reserva de energia e estabilização da rede, complementando outras fontes e colmatando as necessidades típicas das ilhas electricamente isoladas com elevada penetração de renováveis [57] [58].

Apesar de ser consensual a importância que as PHES têm em sistemas baseados em renováveis, é de salientar que no futuro estas poderão tornar-se menos apelativas em relação a baterias convencionais. Em 2014, Ma et al. [51] expõem quatro cenários em ilhas envolvendo a utilização de baterias e armazenamento por PHES, de forma separada ou conjunta, concluindo que a tecnologia PHES é a mais barata, dado o seu tempo de vida útil.

Todavia, já em 2018, Gioutsos et al. [4] apresentam a tecnologia PHES apelativa somente em cenários com penetração de energia renovável acima de 70%, devido aos seus elevados custos de armazenamento. É ainda referido que uma redução dos custos de investimento para armazenamento em baterias electroquímicas à base de lítio entre 50 e 70% tornaria estas últimas mais aliciantes do que as PHES. Perspectiva-se que a partir de 2024, possa já ser a escolha principal para redes eléctricas em ilhas [59].

2.3 Redes inteligentes de energia

A penetração de energias renováveis nas redes eléctricas está a aumentar, requerendo do sistema eléctrico profundas mudanças ao nível da gestão e flexibilidade [60].

As redes inteligentes aliam um sistema de informação e comunicação às redes eléctricas convencionais, tendo como objectivos o aumento do controlo e uma eficiente gestão da produção, distribuição e consumo, criando condições para uma elevada produção renovável e inclusão do consumidor como parte activa do sistema [5][61][62].

De forma a dotar as redes inteligentes de meios para colmatar a variabilidade das energias renováveis, mais significativa em ilhas pequenas devido ao menor efeito de atenuação da mesma por dispersão geográfica, é necessário inserir factores de estabilização no sistema, como seja a tecnologia PHES [62], ou no futuro os veículos eléctricos (VE) [63].

De facto, o consumidor apresenta potencial na gestão do consumo via demand side management (DSM), com recurso a sistemas de comunicação, contadores inteligentes, prestação de novos serviços e decisões quase em tempo real em função de um consumo mais eficiente por via, por exemplo, de um sinal da rede ou do preço, contribuindo para a diminuição da carga em horas de pico [61][64].

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12

A Figura 2.3 ilustra uma rede inteligente de energia. A rede pode ser constituída por mais elementos do que os apresentados, dependendo das especificidades de cada sistema.

Figura 2.3 - Ilustração de uma rede inteligente de energia [65].

2.4 Mobilidade eléctrica

De forma a concretizar os compromissos assumidos no domínio da sustentabilidade e descarbonização da economia, protocolados no Acordo de Paris e nos Objectivos de Desenvolvimento Sustentável da Agenda 2030, a par das mudanças na produção eléctrica é necessário aplicar reformas no sector dos transportes, dado o seu elevado contributo na produção de gases de efeito de estufa [66][67].

Neste sentido, a introdução de veículos movidos a electricidade, designados por VE, assume particular importância, pois ao poderem usar electricidade renovável tornam-se numa tecnologia essencialmente não poluente durante o seu ciclo de vida, apresentando também melhorias de desempenho energético por via de uma maior eficiência em comparação com veículos de combustão interna [68][69].

Correntemente, existem três tipos de veículos eléctricos: os eléctricos puros, só com bateria; os híbridos com possibilidade de carregamento e ainda os híbridos sem essa possibilidade, que carregam uma pequena bateria enquanto o motor de combustão interna está em funcionamento [70].

De forma sumária, os VE puros apresentam ainda uma autonomia limitada, e requerem carregamentos demorados. Com o aumento de VE, surgem novos desafios para as redes convencionais, nomeadamente no que concerne a problemas de estabilização, incremento do consumo e perdas no sistema [68]. Todavia, a autonomia não representa um problema em ilhas de menor dimensão, mesmo com relevos acentuados. O Plano para a Mobilidade Eléctrica nos Açores (PMEA) refere que não existem limitações em percursos inferiores a 160 km, e em percursos mais longos uma simples instalação de pontos de carregamento intermédios devidamente planeados resolve a limitação [71].

Em territórios insulares com produção renovável estes desafios são mais significativos dado que a energia é proveniente de fontes variáveis e qualquer variação de carga tem potencialmente um grande impacto na estabilidade do sistema. A introdução de redes inteligentes, que possibilitam uma comunicação entre produtor e consumidor, proporcionando um meio de gestão e controlo do consumo e produção, são uma resposta a este desafio [71].

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13

Esta solução, por sua vez, possibilita na relação consumidor-produtor utilizar baterias como forma de armazenamento de electricidade em períodos de excesso de energia e, se em modo bidireccional, como forma de injecção de energia em períodos de ponta e pico, contribuindo assim para um diagrama de carga mais uniforme e estável. Esta interligação chama-se vehicle-to-grid (V2G) [68][72].

Para além desta tecnologia se assumir como um importante contributo na descarbonização e na estabilização da rede, ela pode futuramente substituir os sistemas de armazenamento dedicados, como a PHES, cuja instalação possui um elevado custo. Todavia, esta substituição ainda não é viável devido a questões tecnológicas e aos avultados custos na produção dos VEs [73].

Existem dois tipos de carregamentos de VEs, dumb (rígido) e smart (inteligente). O carregamento dumb é efectuado sem condicionantes, ocorrendo na maioria dos casos em horas de pico de consumo em que as pessoas estão em casa, e.g. a partir do final da tarde, e nos seus locais de trabalho [71].

Por sua vez, o carregamento smart tem em consideração as horas de pico de consumo e concentra ou dilata o carregamento ao longo de diversas horas de vazio e de potencial excesso de energia, respectivamente. Para além destas considerações, nas horas de pico pode fornecer energia controlada à rede eléctrica [71].

2.5 Outros casos de estudo

As ilhas, particularmente as de menor dimensão, como é o caso de algumas do Arquipélago dos Açores, sofrem, maioritariamente, de uma forte dependência energética externa, tornando-as totalmente dependentes das importações dos derivados de petróleo para fazer face às suas necessidades.

Com efeito, a procura de energia nestes territórios aumentou exponencialmente nos últimos 20 anos e as especificidades das regiões insulares ultraperiféricas, afastadas das redes energéticas continentais, implicam custos mais altos de aprovisionamento e conversão, devido ao transporte e à menor escala dos mercados e das infraestruturas. Estes sobrecustos propiciam a valorização das fontes de energia renováveis, aumentando a viabilidade da produção autónoma nas ilhas, tornando-a cada vez mais aliciante do ponto de vista económico.

A par dos benefícios económicos, esta solução apresenta igualmente vantagens para o meio ambiente ao permitir uma produção livre de gases de efeito de estufa, de baixo custo para o produtor e consumidor, impulsionando a economia local e aumentando a qualidade de vida em território insulares.

De forma a complementar o exposto com exemplos, em seguida são referidos casos de estudo baseados em diversas tecnologias, de acordo com as características de cada ilha, que têm por base as premissas supracitadas, num panorama internacional e regional.

2.5.1 Internacionais

- Ilha de Reunião, França

A ilha de Reunião é uma região ultraperiférica, pertencente à França, que se localiza no Oceano Índico,

entre a Madagáscar e Maurícia. A ilha tem uma superfície de 2 512 km2_{e, em 2015, possuía 843,500}

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14

Em 1980, a sua produção era composta exclusivamente por energia hídrica. Devido ao aumento populacional, que duplicou desde essa altura, o sistema eléctrico passou a depender da importação de combustível fóssil, registando em 2015 uma participação 86,1% na produção total [75].

Devido ao seu distanciamento ao continente europeu e França, não é possível interligar o sistema com a rede nacional de energia. Para afastar a dependência de combustível fósseis, o governo francês

decretou que a ilha até 2030 tem de conseguir desenvolver um modelo com baixas emissões de CO2 que

abranja o sector eléctrico na produção, consumo e armazenamento, e também transportes [75].

O parque electroprodutor à data de 2015 era composto por tecnologia de produção eólica, PV, hídrica e também fóssil. A eólica tinha uma capacidade instalada de 14,8 MW, PV de 186,6 MW e a hídrica de 133,6 MW, o restante era atribuído a combustíveis fósseis, nomeadamente, petróleo, carvão e gás natural [75].

No caso de estudo apresentado por Praene et al. [76], é referido que a ilha de Reunião apresenta um rico património de recursos naturais renováveis para produção de energia, destacando-se a energia eólica, solar, biomassa, hídrica, geotérmica e ainda a oceânica, como as principais fontes de energia renováveis a explorar.

Selosse et al. [75] utilizam o estudo anterior como base para o seu próprio estudo. Neste, é referido que a biomassa irá assumir um papel importante na produção principal, utilizando a cana-de-açúcar como fonte (actualmente já se encontra instalada a central de biomassa [77]) e que irá existir um aumento da produção hídrica.

A energia geotérmica, de acordo com a mesma fonte, ainda se encontra em estudo, condicionado pela pertença do vulcão a uma reserva protegida. Já a energia dos oceanos desdobra-se em duas vertentes, a energia de ondas e a conversão de energia térmica oceânica, com estudos em desenvolvimento.

- Ilha de El Hierro, Espanha

A ilha de El Hierro situa-se no Oceano Atlântico, sendo a mais pequena do Arquipélago das Canárias.

Tem 268,7 km2_{de superfície terrestre, 60% protegida, e 10.872 habitantes (2017) [78].}

Antes do projecto de remodelação do sistema eléctrico, em 2009, a sua energia de base era fóssil, nomeadamente diesel, com 55,6% para produção eléctrica, 29,9% para transportes, 12,1% para uso industrial e residencial e 2,4% para dessalinização de água [78].

Este projecto de 2009 visava a construção de um sistema híbrido, baseado em energia hídrica, eólica e diesel, com o objectivo de suprir 70% das necessidades anuais com recurso a energias renováveis e 100% durante o Verão, com introdução posterior de veículos eléctricos [77]. Incluía ainda um sistema de armazenamento hídrico com bombeamento.

A central hidroeléctrica de Gorona del Viento foi inaugurada em 2014, permitindo que a ilha espanhola suprisse parte significativa das suas necessidades energéticas com recurso a fontes de energia renováveis, como evidencia Latorre et al. [79], fazendo uma avaliação técnica e económica sobre a utilização do sistema eólico com armazenamento hídrico.

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15

Esta central é actualmente composta por cinco turbinas eólicas com uma capacidade instalada total de 11,5 MW, uma central hidroeléctrica com quatro turbinas e oito bombas, com capacidades instaladas

totais de 11,3 MW e 6 MW, respectivamente, e dois depósitos de água, o superior com 380.000 m3_{e o}

com inferior 150.000 m3_{, com uma diferença de cota de 655 m [80], suprindo 2.300 horas anuais por}

uma produção 100% renovável [81].

- Ilha de Kodiak, EUA

A ilha Kodiak pertence ao arquipélago Kodiak, que se situa no Golfo do Alasca ao largo da zona costeira

continental, no Oceano Pacífico. A ilha tem 9.311 km2 _{e 13.448 habitantes, e é a maior do arquipélago}

[82].

Tradicionalmente a sua fonte de energia era o diesel, que servia para produção eléctrica, abastecer transportes e aquecimento de espaços. Para evitar a dependência de combustível fósseis, em 1980 foi iniciado o projecto hidroeléctrico de Terror Lake, com uma capacidade instalada aproximada de 20 MW [83].

Actualmente, a central hidroeléctrica de Terror Lake tem uma capacidade instalada de 33,75 MW dividida por três grupos de geradores [84] e um parque eólico composto por seis aerogeradores com uma capacidade total de 9 MW [85][86]. O armazenamento de energia é efectuado por baterias e por um sistema flywheel (ver Ref. [48] para mais detalhes) para responder à imprevisibilidade do vento, ao tempo de arranque da central e à utilização de uma grua eléctrica com impactos na estabilidade no sistema [86][87].

Em 2015 a produção anual de energia por fontes renováveis foi de 161 GWh para um consumo de 159 GWh, permitindo um sistema 99,8% renovável. A meta designada era de 95% até 2020 [84].

O consumo energético continuará a aumentar na ilha e, por forma a responder a esta necessidade, em 2018 encontrava-se em construção um túnel subterrâneo que irá desviar água para Terror Lake, fazendo aumentar em 25% a sua produção eléctrica [88].

2.5.2 Nacionais

- Ilha de Porto Santo, Região Autónoma da Madeira

A ilha de Porto Santo faz parte da Região Autónoma da Madeira, situada no Oceano Atlântico, com uma

população de 5.483 habitantes (2011) e uma superfície terrestre de 42,59 km2_{. A rede eléctrica em 2017}

era baseada em tecnologia termoeléctrica, eólica e PV, com uma produção renovável conjunta de 5,08 GWh, representando 16,6% da totalidade [89].

O Governo Regional da Madeira lançou em 2017 um concurso público para o projecto ‘Sustainable Porto Santo - Smart Fossil Free Island’, que visa tornar a ilha do Porto Santo livre de combustíveis fósseis [90].

Este projecto inclui o desenvolvimento e implementação de sistemas de armazenamento de energia, o desenvolvimento de uma rede inteligente, o aumento da eficiência de edifícios e iluminação pública, o aumento de penetração renovável e criação de postos de carregamento para VEs [90].

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16

A sua implementação divide-se em duas fases. A primeira preconiza o incremento da produção renovável de 15 para 30%, prevendo-se, na segunda fase, a introdução de redes inteligentes, sistemas de armazenamento de energia e V2G, entre outros [91].

Actualmente, a rede inteligente, para gestão e controlo dos dados informáticos e comunicações, encontra-se em desenvolvimento, incluindo a instalação de contadores de energia inteligentes [92]. Existem ainda VEs a circular na ilha e postos de carregamento inteligentes [93].

- Ilha da Graciosa

A ilha da Graciosa, com uma área de 60,65 km2_{e uma população de 4.391 habitantes, está localizada}

no grupo central da Região Autónoma dos Açores [94]. Em 2018, o seu consumo energético foi de 13,44 GWh, em que 3,1% proveio de eólica e os restantes da central termoeléctrica a diesel [95].

Para reduzir a dependência de combustíveis fósseis, em 2015 finalizou-se o projecto híbrido Graciólica, visando a instalação de um parque eólico e PV, com capacidade de 4,5 MW e 1 MW, respectivamente, com armazenamento por baterias de 2,6 MWh [96]. Segundo o caso da companhia Greensmith [97], em 2018 o armazenamento de baterias foi aumentado para 3,2 MWh, mas com o equipamento ainda

off-grid.

É referido que a penetração renovável irá passar de 15 para 65%, permitindo poupar 17.000 litros de diesel por mês. Stenzel et al. [98] apresentaram um estudo sobre ciclos de vida de produção eléctrica baseados neste aumento da produção renovável na ilha.

Na última fase de testes foi possível abastecer a ilha durante 24 horas recorrendo exclusivamente a energias renováveis. Em Agosto de 2019 a Direcção Regional da Energia divulgou que o projecto já possuía licença de exploração, permitindo assim a sua ligação à rede eléctrica local [99].

Constata-se, portanto, através das tecnologias e casos apresentados neste capítulo, que as regiões insulares possuem ao seu dispor uma diversidade de soluções sustentáveis capazes de integrar sistemas eléctricos que ainda são maioritariamente dependentes de combustíveis fosseis.

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17

3 Caso de estudo: ilha do Pico

Neste capítulo caracteriza-se a ilha do Pico através do levantamento de dados relativos ao enquadramento socioeconómico, territorial e climático. Também se apresentam as características da rede eléctrica e dos transportes, e custos e emissões relacionadas com os consumos no sector doméstico e industrial. Os dados apresentados são relativos a 2016 (ver Capítulo 4.1).

3.1 Caracterização socioeconómica e territorial

Localizada no Atlântico Norte, a ilha do Pico é a segunda maior do arquipélago dos Açores, com uma

superfície de 448 km2_{e uma linha de costa com 152 km, atingindo uma cota máxima de 2.351 metros}

no cume da montanha, o ponto mais alto de Portugal [100].

Com forma oblonga, mais larga a oeste e estreitando para oriente, a ilha possui 42 km de comprimento e 15,2 km de largura. Situando-se a 28° 21′ de longitude oeste e a 38° 28′ latitude norte, com orientação NNW-SSE, o Pico pertence ao Grupo Central da Região Autónoma dos Açores, distando 4,5 milhas náuticas da ilha do Faial e 11 de São Jorge [100].

O Pico está administrativamente divido em três concelhos, nomeadamente Madalena, São Roque e Lajes, os três com 14.148 habitantes, uma média de 2,8 habitantes/família e uma densidade populacional

de 31,8 habitantes/km2_[94][100].

Devido às características de terreno é possível dividir a ilha em duas zonas como mostra a Figura 3.1.

Figura 3.1 - Mapa topográfico da ilha do Pico [101].

A zona A ilustra um aumento moderado do declive desde orla costeira, enquanto que a zona B centra-se num aumento brusco do declive numa superfície limitada. Na parte central da ilha, tendo a montanha do Pico como referência, apresenta-se do seu lado nascente uma zona com uma altitude entre 700-900 metros formando um planalto, cuja orogenia é de erupções secundárias.

Por sua vez, as áreas próximas da orla costeira encontram-se dividida entre zonas de acesso facilitado ao mar com pequenos prolongamentos de rocha submersa e de zonas com desnível acentuado de profundidade, repartidos por toda a ilha [100].

(36)

18 A Figura 3.2 mostra a distribuição por tipo de área da ilha.

Figura 3.2 - Ocupação da superfície terrestre da ilha do Pico (km2_{) [100].}

A principal actividade económica é a agro-pecuária, com 48,61% da superfície total da ilha destinada a terreno agrícola e pastagem. Complementarmente, também o sector piscatório e o turismo são fundamentais para a economia local, tendo este último registado um crescimento significativo nos últimos anos [100][102].

A par da agro-pecuária, a generalidade da restante superfície terrestre é ocupada por área florestal e de vegetação natural, correspondendo a 48,62% do total. Estas áreas localizam-se, de forma dispersa, ao longo de toda a ilha, podendo ou não situar-se em Zonas de Protecção Especial (ZPE) ou em Zonas Especiais de Conservação (ZEC), que correspondem a 33,7% e 34,9%, respectivamente, da superfície terrestre total da ilha [100].

A área florestal é maioritariamente ocupada pelo incenso (Pittosporum undulatum), classificada como uma espécie invasora, que ocupa 78,34% dessa área, seguido da Faia (Morella Faya), com 6,40%, e

Criptoméria (Cryptomeria japonica), com 5,62% [103]1_.

As áreas urbanas e industriais apresentam uma ocupação reduzida, 2,9%. Os edifícios residenciais, industriais e de serviços situam-se predominantemente junto à orla costeira, ao longo da estrada regional e ramais adjacentes.

Devido ao consumo doméstico e à actividade económica e industrial, a ilha em 2016 produziu aproximadamente 5.521 toneladas de RSU, em que 2.614 foram eliminadas em aterro. De acordo com a Ref. [104], existiu uma redução gradual do RSU produzido desde 2014.

1_{Existe uma pequena discrepância entre os valores da área florestal apresentados no PGRH-Pico e na Estratégia Florestal dos} Açores. Foi assumido que o valor a utilizar na Figura 3.2 seria 144,43 km2_{de acordo com a primeira e para coesão dos valores} a apresentar, adoptou-se o valor 149,4 km2_{no cálculo das percentagens de cada variedade de espécie florestal.}

12.41 36.92 179.34 144.43 60.89 0.49 2.31 7.87 0.13 Urbano Agrícola Pastagem Florestal Vegetação

Natural

Industrial Incultos Áreas descobertas

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19

As lagoas ocupam 0,13 km2_{, e encontram-se na parte central da ilha, existindo três de maior dimensão,}

nomeadamente, Lagoa do Caiado, do Paúl e do Capitão [100]. A Figura 3.3 mostra as alturas médias da água nestas lagoas ao longo do ano, e as suas cartografias são apresentadas nos ANEXOS I, II e III.

Figura 3.3 – Altura média (m) de água em lagoas da ilha do Pico em 2016.

Da Figura 3.3 destaca-se que a Lagoa do Capitão é a que tem a maior média anual de altura de água, com 1,92 m, seguida da Lagoa do Pául e da Lagoa do Caiado. Relativamente aos máximos e mínimos, a Lagoa do Paúl apresenta o valor mais alto, 5,23 m nos meses de Inverno, e também apresenta em conjunto com a Lagoa do Caiado o menor valor, não existindo água nestas lagoas em alguns períodos do mês de Agosto.

3.2 Caracterização climática

Faz-se neste subcapítulo um resumo dos parâmetros climatológicos da ilha, dada a sua importância na produção de energia renovável. Os dados apresentados referem-se a períodos históricos de trinta anos.

3.2.1 Humidade relativa do ar

A humidade relativa da ilha é predominantemente elevada ao longo do ano, com a sua média anual a situar-se próxima dos 80%. Esta não apresenta variações bruscas na média ao longo do dia, contudo, durante o período nocturno os valores são mais elevados do que no diurno, salvo excepção de dias de nebulosidade completa sem vento [100]. Consoante a altitude, a humidade varia, aumentando com a altitude.

3.2.2 Precipitação

A precipitação ocorre ao longo de todo o ano, apresentando valores periódicos mensais similares, salvo nos meses de Inverno, em que a ocorrência é mais elevada e menores nos meses de Verão.

0.0 1.1 2.2 3.3 4.4 5.5 0.0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 M áx . e m in . [m ] A lt u ra m éd . [m ] Meses

Méd. Paúl Méd. Capitão Méd. Caiado Min. Caiado Máx. Caiado Min. Paúl Máx. Paúl Min. Capitão Máx. Capitão

(38)

20

Ao nível do mar, a precipitação tende a ocorrer de Este para Oeste, com 75% a concentrar-se entre os meses de Setembro e Março, caracterizada pela sua abundância e irregularidade. A precipitação aumenta consoante a altitude, como consequência da nebulosidade orográfica [100].

A Figura 3.4 mostra os dados mensais referentes ao número de dias com ocorrência de precipitação e a precipitação média mensal.

Figura 3.4 – Precipitação em Angra do Heroísmo: média mensal (mm) e nº médio de dias em que ocorreu entre 1971-2000 [105].

A média mensal ao longo do ano varia entre o valor máximo de 136,3 mm em Dezembro e o mínimo de 32,6 mm em Julho. A precipitação diária entre 0,1 e 1mm tem o maior número médio de dias de ocorrência em todos os meses do ano, com o mínimo registado novamente em Julho, com 10,6, e o máximo em Dezembro com 19,9. Os restantes valores apresentados também seguem o mesmo perfil ao apresentar o mínimo em Julho e o máximo em Dezembro.

3.2.3 Temperatura do ar

A temperatura do ar é regular ao longo do ano, com as temperaturas médias mínimas e máximas a ocorrer nos meses de Fevereiro e Agosto, respectivamente, com uma variação diária de cerca de 5 ºC. Em altitude, o gradiente adiabático seco diminui a uma razão de 0,9 ºC cada 100 m até atingir o ponto de orvalho a uma altura de cerca de 400 m, e a partir desse ponto a temperatura baixa a razão de 0,6 ºC/100 m [100]. 0 5 10 15 20 25 0 30 60 90 120 150 Nº m éd io d e d ias P re cip it aç ão [ m m ] Meses

(39)

21

A Figura 3.5 mostra a evolução anual da temperatura mensal média, média mínima e média máxima.

Figura 3.5 – Temperatura do ar em Angra do Heroísmo: média mínima, média e máxima (ºC) entre 1971-2000 [105].

A média mensal da temperatura apresenta o valor médio mínimo em Fevereiro, 11,1 ºC, e o máximo em Agosto, 24,8 ºC. Ao longo do ano é possível verificar uma diferença de temperatura, entre máximos e mínimos, de cerca de 5,1 ºC.

3.2.4 Radiação solar

A radiação solar directa média tende a ser baixa na ilha devido à nebulosidade orográfica e à elevada humidade relativa do ar, característica da sua posição geográfica atlântica. A incidência solar é predominantemente maior em áreas litorais comparativamente a áreas de maior altitude, existindo casos pontuais em que a radiação apresenta valores elevados acima da cobertura das nuvens (montanha do Pico ou quando as nuvens se encontram baixas) [100].

A Figura 3.6 mostra os valores médios mensais na ilha relativos à irradiação solar directa.

Figura 3.6 - Irradiação solar directa (kWh/m2_{/dia) na ilha do Pico: média mensal entre 1980-2016 [106].}

A irradiação solar directa média apresenta o valor mínimo de 1,8 kWh/m2_{/dia, no mês de Dezembro, e}

o máximo de 7,5 kWh/m2_{/dia, no mês de Julho.}

0 6 12 18 24 30 T em pe ra tu ra [ ⁰C] Meses