O papel das baterias nos sistemas el´
etricos de
energias renov´
aveis
Por
Diana Margarida Costa Esteves
Orientador: Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos
Co-orientador: Doutor Jos´e Manuel Ribeiro Baptista
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o
74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD
DR, 2.a
s´erie – Delibera¸c˜ao n.o
O papel das baterias nos sistemas el´
etricos de
energias renov´
aveis
Por
Diana Margarida Costa Esteves
Orientador: Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos
Co-orientador: Doutor Jos´e Manuel Ribeiro Baptista
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o
74/2006 de 24 de Mar¸co e no Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD
DR, 2.a
s´erie – Delibera¸c˜ao n.o
Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :
Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos
Professor Associado com Agrega¸c˜ao do
Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Doutor Jos´e Manuel Ribeiro Baptista
Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
”Que os vossos esfor¸cos desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia imposs´ıvel.”
Charles Chaplin (1889 – 1977)
”Na Natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma.”
Lavoisier (1743 – 1794)
Aos meus pais e irm˜as
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores
Os membros do J´uri recomendam `a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro a aceita¸c˜ao da disserta¸c˜ao intitulada “O papel das baterias nos sistemas el´etricos de energias renov´aveis” realizada por Diana Margarida Costa Esteves para satisfa¸c˜ao parcial dos requisitos do grau de Mestre.
Janeiro 2014
Presidente: Doutor Jo˜ao Paulo Barroso de Moura Oliveira,
Professor Associado com Agrega¸c˜ao da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Vogais do J´uri: Doutor Jo˜ao Paulo da Silva Catal˜ao,
Professor Auxiliar com Agrega¸c˜ao do Departamento de Engenharia Eletromecˆanica da Universidade da Beira Interior
Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos,
Professor Associado com Agrega¸c˜ao do Departamento de
Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Doutor Jos´e Manuel Ribeiro Baptista,
Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Escola de Ciˆencias e Tecnologia da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
O papel das baterias nos sistemas el´etricos de energias renov´aveis
Diana Margarida Costa Esteves
Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de
Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores
Resumo — Satisfazer a procura de energia no momento e no local em que ´e necess´aria e sob a forma adequada ´e um dos principais desafios com que a sociedade ´e confrontada. O armazenamento de energia torna-se ent˜ao essencial neste novo paradigma energ´etico que recorre `a utiliza¸c˜ao de energia renov´avel, a qual permite adequar o seu elevado grau de intermitˆencia, armazenando nas horas de vazio, para utiliza¸c˜ao posterior nas horas de pico de consumo.
Numa primeira fase ser´a apresentado o enquadramento em que se insere o presente trabalho, procurando situar as tecnologias de armazenamento de energia na proble-m´atica das atuais circunstˆancias dos sistemas el´etricos de energia.
De seguida mencionam-se todos os m´etodos de produ¸c˜ao de energia renov´avel, para que posteriormente seja poss´ıvel especificar quais os tipos de tecnologia de armazenamento de energia que ser˜ao adequados a determinado m´etodo. Ser˜ao assim expostos nesta disserta¸c˜ao os resultados da pesquisa efetuada sobre as diferentes tecnologias de armazenamento de energia, com relativo ˆenfase `as baterias eletro-qu´ımicas, para possibilidade de referˆencia relativamente a um estudo comparativo t´ecnico-econ´omico.
De modo a demonstrar a utilidade que atualmente podem ter as baterias eletro-qu´ımicas assim como as suas tendˆencias, referem-se aplica¸c˜oes destas, em sistemas e´olicos e solares isolados, assim como em aplica¸c˜oes em ve´ıculos, denominados de Vehicle-to-Grid.
Palavras Chave: energias renov´aveis, baterias eletroqu´ımicas, sistemas de armaze-namento de energia, sistemas e´olicos isolados, sistemas solares isolados, ve´ıculo de liga¸c˜ao `a rede el´etrica.
The role of batteries in renewable energy´s electrical systems
Diana Margarida Costa Esteves
Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering and Computers
Abstract — Meet the demand for energy as soon as and at the place in which it is necessary and in the most adequate form is one of the major challenges that society is confronted with. Energy storage becames than essential in this new energy paradigm that resorts to the use of renewable energy, once it allows you to tailor its degree of intermittency, storing during off-peak, for later use during peak hours of consumption.
Initially we will contextualize this work, in way to locate the energy storage technologies problematic in the current circumstances of electrical power systems.
Then we will mention all methods of renewable energy production, so that later we can specify which types of energy storage technology better suits a certain method. Will be exposed in this Master’s thesis the results of research conducted on different energy storage technologies, with emphasis on the electrochemical batteries, enabling the reference to a technical and economic comparative study.
In order to demonstrate the utility that can currently have the electrochemical batteries as well as its trends, we refer to these applications, in isolated wind and solar systems, as well as in uses in vehicles, called Vehicle-to-Grid.
Key Words: Renewable energy, electrochemical batteries, energy storage systems, isolated wind systems, isolated solar systems, vehicle-to-grid.
Agradecimentos
Ao Professor Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos, Professor Associado com Agrega¸c˜ao do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, orientador deste trabalho, pela sua motiva¸c˜ao, pelas suas sugest˜oes, ideias inovadoras e orienta¸c˜oes.
Ao Professor Doutor Doutor Jos´e Manuel Ribeiro Baptista, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, na qualidade de co-orientador, pelas suas observa¸c˜oes e orienta¸c˜oes.
A todos os meus colegas do curso de Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro e amigos, pela amizade, simpatia e apoio ao longo deste percurso acad´emico. Aos meus amigos que cresceram comigo nesta viagem, `aqueles que chegaram um pouco depois, e `aqueles que nunca deixaram de caminhar ao meu lado e que s˜ao um bocadinho de mim.
`
A minha fam´ılia com especial enfoque, `a minha prima Ana, por todo o tempo, aten¸c˜ao e apoio prestado ao longo destes anos.
Aos meus pais, irm˜as e cunhado por me terem acompanhado e incentivado ao longo deste trabalho, que n˜ao se esquecem nunca de me ensinar que a vida sem um sorriso
Ao meu colega de curso Nuno Pimenta, pela sua disponibilidade e ajuda, que contribuiu para que uma parte desta disserta¸c˜ao fosse poss´ıvel de ser realizada.
`
A minha amiga Marta Esteves, por todo o seu apoio, ajuda, disponibilidade, compa-nheirismo e amizade, que foi muito importante durante este ´ultimo ano para a realiza¸c˜ao e concretiza¸c˜ao da disserta¸c˜ao.
A todos, um sincero obrigado!
UTAD, Diana Margarida Costa Esteves
Vila Real, Outubro de 2013
´Indice geral
Resumo xi
Abstract xiii
Agradecimentos xv
´Indice de tabelas xxi
´Indice de figuras xxiii
Gloss´ario, acr´onimos e abreviaturas xxxi
1 Introdu¸c˜ao 1
1.1 O papel das baterias no apoio aos sistemas de energia el´etrica . . . . 1
1.2 Motiva¸c˜ao e objetivos . . . 10
1.3 Organiza¸c˜ao da disserta¸c˜ao. . . 11
2 Produ¸c˜ao de energia renov´avel 13 2.1 Cadeia de energia el´etrica . . . 14
2.1.1 Produ¸c˜ao . . . 15
2.1.2 Transporte. . . 16
2.1.3 Distribui¸c˜ao . . . 17
2.1.4 Utiliza¸c˜ao . . . 18
2.2 Panorˆamica geral das energias renov´aveis . . . 18 xvii
renov´avel . . . 20
2.3 Utiliza¸c˜ao das energias renov´aveis: Como e quando armazenar . . . . 26
2.3.1 Energia solar fotovoltaica. . . 26
2.3.2 Energia e´olica . . . 29
2.3.3 Energia h´ıdrica . . . 32
2.3.4 Energia geot´ermica . . . 36
2.3.5 Bioenergia . . . 38
2.4 Resumo . . . 40
3 Armazenamento de energia em baterias eletroqu´ımicas 43 3.1 Baterias eletroqu´ımicas . . . 44
3.2 Conceitos fundamentais . . . 48
3.3 Tipos de baterias . . . 51
3.3.1 Baterias de tecnologia de Chumbo-´acido . . . 51
3.3.2 Baterias assentes em tecnologia de L´ıtio . . . 52
3.3.3 Baterias assentes em tecnologia de N´ıquel . . . 54
3.3.4 Baterias de S´odio-Enxofre . . . 56
3.3.5 Baterias de fluxo . . . 57
3.4 Problem´atica das baterias . . . 61
3.4.1 Defeitos de conce¸c˜ao das c´elulas . . . 61
3.4.2 Processos de fabrico . . . 62
3.4.3 Envelhecimento . . . 63
3.4.4 Condi¸c˜oes operacionais . . . 64
3.4.5 Uso excessivo e/ou m´a utiliza¸c˜ao . . . 65
3.4.6 Fatores externos. . . 65
3.4.7 Testes e manuten¸c˜ao . . . 66
3.5 Sistema de carga . . . 68
3.5.1 Determina¸c˜ao do estado de carga . . . 69
3.5.2 Sistema de carga segura . . . 73
3.5.3 Tempos de carga . . . 74
3.5.4 Carater´ısticas das baterias de Chumbo-´acido . . . 76
3.6 Aplica¸c˜oes das baterias nos SEE . . . 79
3.6.1 Instala¸c˜ao fotovoltaica aut´onoma . . . 79
3.6.2 Instala¸c˜ao de sistemas e´olicos Isolados . . . 85
3.6.3 Vehicle-to–Grid (V2G) . . . 86
3.7 Resumo . . . 91 xviii
4 Outros m´etodos de armazenamento de energia 93
4.1 Bombeamento hidroel´etrico . . . 94
4.2 Energia t´ermica . . . 96
4.3 Armazenamento de ar comprimido . . . 98
4.3.1 Armazenamento em pequena escala . . . 101
4.3.2 Associado ao armazenamento de g´as natural . . . 101
4.3.3 Associado ao armazenamento de g´as liquefeito . . . 102
4.4 C´elulas de combust´ıvel . . . 102
4.5 Flywheel ou volante de in´ercia . . . 105
4.6 Supercondutores magn´eticos . . . 108
4.7 Supercondensadores . . . 110
4.8 Resumo . . . 114
5 Compara¸c˜ao t´ecnico-econ´omica 115 5.1 Carater´ısticas das t´ecnicas do armazenamento . . . 115
5.1.1 Capacidade de armazenamento . . . 116
5.1.2 Densidade de energia por volume/massa . . . 116
5.1.3 Rendimento . . . 116
5.1.4 Tempo de vida ´util . . . 118
5.1.5 Tempo de descarga . . . 118 5.1.6 Auto-descarga . . . 119 5.1.7 Restri¸c˜oes operacionais . . . 120 5.1.8 Autonomia . . . 120 5.1.9 Custos de investimento/explora¸c˜ao . . . 120 5.1.10 Impacto ambiental . . . 121 5.1.11 Potˆencia dispon´ıvel . . . 121
5.1.12 Profundidade de descarga ou taxa de transmiss˜ao de energia . 122 5.1.13 Viabilidade e adapta¸c˜ao `a fonte geradora . . . 122
5.1.14 Confiabilidade, monitoriza¸c˜ao e controlo de equipamento . . . 122
5.2 Compara¸c˜ao das diferentes t´ecnicas de armazenamento . . . 123
5.2.1 Campo de aplica¸c˜ao . . . 124
5.2.2 Eficiˆencia energ´etica por ciclo . . . 127
5.2.3 Custos de investimento . . . 127
5.2.4 Compara¸c˜ao com base na densidade de volume ou massa . . . 130
5.3 An´alise global das compara¸c˜oes das t´ecnicas de armazenamento . . . 131
5.4 Modela¸c˜ao e compara¸c˜ao t´ecnica de um caso de estudo . . . 137
5.4.1 Simula¸c˜ao do comportamento das baterias no Matlab/Simulink aplicado a um sistema solar fotovoltaico. . . 137
5.4.2 No¸c˜oes de modela¸c˜ao de componentes fundamentais . . . 161
5.5 Resultados e an´alise cr´ıtica . . . 166 xix
6.1 S´ıntese conclusiva . . . 183
6.2 Perspetivas de trabalho futuro . . . 186
Referˆencias bibliogr´aficas 187
A Resultados das simula¸c˜oes no caso de estudo 199
B Carater´ısticas das baterias utilizadas em simula¸c˜ao 259
´Indice de tabelas
3.1 N´umero de dias de autonomia recomendadas para instala¸c˜oes fotovoltaicas 82
3.2 Coeficientes para c´alculo do rendimento da instala¸c˜ao fotovoltaica . . 83
4.1 Classifica¸c˜ao de SMES em fun¸c˜ao da sua capacidade de armazenamento110 5.1 Distribui¸c˜ao das t´ecnicas de armazenamento . . . 126
5.2 Parˆametros dos sistemas de armazenamento de energia (1/2) . . . 135
5.3 Parˆametros dos sistemas de armazenamento de energia (2/2) . . . 136
5.4 Carater´ısticas da bateria OPzS Solar 420 . . . 154
´Indice de figuras
1.1 Bateria no mercado para aplica¸c˜ao em energia . . . 2
1.2 Redu¸c˜ao de (CO2) durante 2005 a 2050 . . . 4
1.3 Capacidade instalada de energia e´olica, mini-h´ıdrica e t´ermica . . . . 7
2.1 Esquema simplificado do transformador . . . 16
2.2 Sistema de fornecimento de energia na rede el´etrica . . . 17
2.3 Distribui¸c˜ao de publica¸c˜oes cient´ıficas de energias renov´aveis . . . 19
2.4 Evolu¸c˜ao de publica¸c˜oes cient´ıficas das energias renov´aveis . . . 20
2.5 Mapa mundial do n´umero de publica¸c˜oes de energia solar . . . 21
2.6 Radia¸c˜ao solar di´aria com ´ındice de claridade na Austr´alia . . . 22
2.7 Radia¸c˜ao solar anual (M´edio Oriente, Norte de ´Africa e Sul da Europa) 22
2.8 Mapa mundial do n´umero de publica¸c˜oes cient´ıficas de energia e´olica. 22
2.9 Distribui¸c˜ao da capacidade instalada de energia e´olica no mundo . . . 23
2.10 Mapa mundial do n´umero publica¸c˜oes cient´ıficas de energia h´ıdrica . 23
2.11 Mapa mundial do n´umero de publica¸c˜oes cient´ıficas de energia geot´ermica 25
2.12 Mapa mundial do n´umero de publica¸c˜oes cient´ıficas de Biomassa . . . 26
2.13 Energias renov´aveis inseridas no ambiente de uma habita¸c˜ao unifamiliar 27
2.14 Central solar fotovoltaica . . . 28 xxiii
2.17 Aerogerador offshore da praia da Agu¸cadoura . . . 30
2.18 Esquema CAES e modelo de turbina e´olica . . . 33
2.19 Esquema SMES e modelo de turbina e´olica . . . 33
2.20 Esquema FESS e modelo de turbina e´olica . . . 34
2.21 Central Hidroel´etrica . . . 35
2.22 Central Geot´ermica . . . 37
2.23 Modelo de avalia¸c˜ao de bioenergia . . . 40
3.1 Componentes de um acumulador eletroqu´ımico . . . 46
3.2 Princ´ıpio de funcionamento do sistema de baterias eletroqu´ımicas . . 47
3.3 Exemplo comercial de uma bateria de Chumbo- ´Acido . . . 49
3.4 Bateria de fluxo . . . 58
3.5 Rela¸c˜ao t´ıpica entre SOC e Voc . . . 70
3.6 Circuito para o per´ıodo de descarga da bateria . . . 72
3.7 Circuito equivalente para a bateria com a fase de carga . . . 74
3.8 A tens˜ao dos terminais da bateria durante fases descarga/carga . . . 75
3.9 Circuito da medi¸c˜ao da varia¸c˜ao temporal da tens˜ao da bateria . . . . 76
3.10 Capacidade de uma bateria em fun¸c˜ao da temperatura ambiente . . . 77
3.11 Tens˜ao de carga de uma bateria em fun¸c˜ao da temperatura ambiente 78
3.12 Vida ´util da bateria em fun¸c˜ao da profundidade de descarga . . . 79
3.13 Esquema el´etrico de uma instala¸c˜ao fotovoltaica (consumos de CA/CC) 81
3.14 Agrega¸c˜ao ve´ıculos de baterias (V2G) . . . 89
3.15 Estado de carga de um ve´ıculo de baterias durante um dia . . . 90
3.16 Estado de carga determina o funcionamento da bateria . . . 90
4.1 Ilustra¸c˜ao do sistema de armazenamento por bombeamento hidroel´etrico 95
4.2 Volume de ´agua e altura necess´aria para armazenar energia . . . 96
4.3 Sistema e´olico h´ıbrido com sistema hidroel´etrico . . . 97
4.4 Central de energia t´ermica em Fran¸ca . . . 98
4.5 Sistema de armazenamento de energia de ar comprimido . . . 99 xxiv
4.6 Diferentes tipos de reservat´orio de armazenamento de ar comprimido 100
4.7 C´elula de Combust´ıvel . . . 103
4.8 Configura¸c˜oes da produ¸c˜ao de Hidrog´enio. . . 104
4.9 Potˆencia produzida pela turbina e´olica e volante de in´ercia . . . 107
4.10 Acumulador de energia flywheel . . . 108
4.11 Integra¸c˜ao de um sistema SMES na rede el´etrica de energia . . . 109
4.12 C´elula do Supercondensador ECDL . . . 112
4.13 Condensadores e supercondensadores . . . 113
5.1 Representa¸c˜ao do efeito corrente, tempo descarga e auto-descarga . . 117
5.2 Eficiˆencia energ´etica de uma bateria de chumbo . . . 118
5.3 Evolu¸c˜ao da capacidade c´ıclica da bateria de chumbo-´acido . . . 119
5.4 Campos de aplica¸c˜ao das diferentes t´ecnicas de armazenamento . . . 123
5.5 ´Indice de desempenho das tecnologias de armazenamento . . . 124
5.6 Tecnologias de armazenamento em fun¸c˜ao da potˆencia e tempo de descarga . . . 125
5.7 Tecnologias de armazenamento em fun¸c˜ao do rendimento e n´umero de ciclos . . . 128
5.8 Tecnologias de armazenamento em fun¸c˜ao das capacidades de armazenamento, potˆencias existentes e custos . . . 129
5.9 Tecnologias de armazenamento em fun¸c˜ao dos custos de investimento por ciclo de opera¸c˜ao . . . 130
5.10 Distribui¸c˜ao de t´ecnicas de armazenamento em fun¸c˜ao da sua densidade de massa e volume de energia armazenada . . . 131
5.11 Associa¸c˜ao de baterias em paralelo . . . 138
5.12 Associa¸c˜ao de baterias em s´erie . . . 139
5.13 Exemplo de um sistema fotovoltaico isolado . . . 140
5.14 Exemplo de um sistema fotovoltaico h´ıbrido fotovoltaico-e´olico . . . . 141
5.15 Exemplo de um sistema fotovoltaico ligado `a rede . . . 142
5.16 Circuito equivalente de uma bateria . . . 143
5.17 Curva t´ıpica de descarga de uma bateria . . . 145
5.18 Zona exponencial para baterias chumbo-´acido, NiMH e NiCd . . . 146 xxv
5.20 Curva de carga caracter´ıstica das baterias NiMH e NiCd . . . 148
5.21 Modelo de uma bateria . . . 149
5.22 Bloco da bateria no software Simulink . . . 151
5.23 Estrutura interna da bateria . . . 151
5.24 Diagrama interno da bateria . . . 152
5.25 Janela de introdu¸c˜ao das caracter´ısticas da bateria. . . 155
5.26 Janela de introdu¸c˜ao das caracter´ısticas da bateria. . . 156
5.27 Janela de introdu¸c˜ao das caracter´ısticas da bateria. . . 156
5.28 Tempo de resposta de uma bateria . . . 157
5.29 Teste de sobrecarregamento com bateria de 6V e 420Ah . . . 158
5.30 Teste de sobrecarregamento com bateria de 12V e 420Ah . . . 159
5.31 Teste de sobrecarregamento com bateria de 48V e 420Ah . . . 159
5.32 Teste de sobrecarregamento com bateria de 48 V e 840 Ah . . . 160
5.33 Aspeto gr´afico do m´odulo fotovoltaico em Simulink . . . 161
5.34 Janela de introdu¸c˜ao das caracter´ısticas do m´odulo fotovoltaico . . . 162
5.35 Diagrama do m´odulo fotovoltaico . . . 163
5.36 Diagrama do regulador . . . 165
5.37 Bloco de configura¸c˜ao entre bibliotecas Simulink . . . 166
5.38 Sistema fotovoltaico desenvolvido modelizado em Matlab/Simulink . . 167
5.39 Tens˜ao di´aria produzida pelo painel fotovoltaico no mˆes de Dezembro 170
5.40 Corrente di´aria produzida pelo painel fotovoltaico no mˆes de Dezembro170
5.41 Potˆencia di´aria produzida pelo painel fotovoltaico no mˆes de Dezembro170
5.42 SOC bateria de chumbo-´acido num dia de Dezembro . . . 171
5.43 SOC bateria de i˜ao L´ıtio num dia de Dezembro . . . 172
5.44 SOC bateria de N´ıquel-C´admio num dia de Dezembro . . . 172
5.45 SOC bateria de hidreto met´alico de N´ıquel num dia de Dezembro . . 172
5.46 SOC bateria de chumbo-´acido em dois dias de Dezembro . . . 173
5.47 SOC bateria de i˜ao L´ıtio em dois dias de Dezembro . . . 174
5.48 SOC bateria de N´ıquel-C´admio em dois dias de Dezembro . . . 174 xxvi
5.49 SOC bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em dois dias de Dezembro 174
5.50 SOC bateria de chumbo-´acido em dois dias de Dezembro com radia¸c˜ao apenas no primeiro dia . . . 175
5.51 SOC bateria de i˜ao L´ıtio em dois dias de Dezembro com radia¸c˜ao apenas no primeiro dia . . . 176
5.52 SOC bateria de N´ıquel-C´admio em dois dias Dezembro com radia¸c˜ao apenas no primeiro dia . . . 176
5.53 SOC bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em dois dias de Dezembro com radia¸c˜ao apenas no primeiro dia . . . 176
5.54 Radia¸c˜ao solar abaixo da m´edia ao longo de uma semana do mˆes de Dezembro . . . 177
5.55 SOC bateria de chumbo-´acido numa semana do mˆes de Dezembro com radia¸c˜ao abaixo da m´edia . . . 177
5.56 SOC bateria de i˜ao de L´ıtio numa semana do mˆes de Dezembro com radia¸c˜ao abaixo da m´edia . . . 178
5.57 SOC bateria de N´ıquel-C´admio numa semana do mˆes de Dezembro com radia¸c˜ao abaixo da m´edia . . . 178
5.58 SOC bateria de hidreto met´alico de N´ıquel numa semana do mˆes de Dezembro com radia¸c˜ao abaixo da m´edia . . . 179
A.1 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Janeiro199
A.2 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Janeiro. . . 200
A.3 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Janeiro . . . 201
A.4 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Janeiro . . . 202
A.5 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Janeiro . . . 203
A.6 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Fevereiro . . . 204
A.7 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Fevereiro . . . 205
A.8 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Fevereiro . . . 206
A.9 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Fevereiro . . . 207
A.10 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Fevereiro . . 208
A.11 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Mar¸co209 xxvii
A.14 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Mar¸co . . . 212
A.15 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Mar¸co . . . . 213
A.16 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Abril 214
A.17 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Abril . . . 215
A.18 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Abril . . . 216
A.19 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Abril . . . 217
A.20 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Abril . . . 218
A.21 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Maio 219
A.22 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Maio . . . 220
A.23 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Maio . . . 221
A.24 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Maio . . . 222
A.25 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Maio . . . 223
A.26 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Junho224
A.27 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Junho . . . 225
A.28 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Junho . . . 226
A.29 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Junho . . . 227
A.30 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Junho . . . . 228
A.31 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Julho229
A.32 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Julho. . . 230
A.33 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Julho . . . 231
A.34 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Julho . . . 232
A.35 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Julho . . . . 233
A.36 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Agosto234
A.37 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Agosto . . . 235
A.38 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Agosto. . . 236
A.39 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Agosto . . . 237
A.40 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Agosto . . . . 238
A.41 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Setembro. . . 239
A.42 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Setembro . . . 240
A.43 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Setembro . . . 241
A.44 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Setembro . . . 242
A.45 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Setembro . . 243
A.46 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Outubro244
A.47 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Outubro . . . 245
A.48 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Outubro . . . 246
A.49 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Outubro . . . 247
A.50 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Outubro . . . 248
A.51 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Novembro . . . 249
A.52 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Novembro . . . 250
A.53 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Novembro . . . 251
A.54 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Novembro . . . 252
A.55 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Novembro . . 253
A.56 Radia¸c˜ao solar m´edia di´aria ao longo de uma semana do mˆes de Dezembro . . . 254
A.57 Carater´ısticas bateria de chumbo-´acido em Dezembro . . . 255
A.58 Carater´ısticas bateria de i˜oes de L´ıtio em Dezembro . . . 256
A.59 Carater´ısticas bateria de N´ıquel-C´admio em Dezembro . . . 257
A.60 Carater´ısticas bateria de hidreto met´alico de N´ıquel em Dezembro . . 258
B.1 Folha de caracter´ısticas (1/3) da bateria OPzS 420 . . . 260
B.2 Folha de caracter´ısticas (2/3) da bateria OPzS 420 . . . 261
B.3 Folha de caracter´ısticas (3/3) da bateria OPzS 420 . . . 261
B.4 Folha de caracter´ısticas da bateria SP-LFP300AHA . . . 262
B.5 Folha de caracter´ısticas (1/3) da bateria KPL 410 P . . . 263
B.6 Folha de caracter´ısticas (2/3) da bateria KPL 410 P . . . 264
B.7 Folha de caracter´ısticas (3/3) da bateria KPL 410 P . . . 265
Gloss´
ario, acr´
onimos e
abreviaturas
Lista de acr´
onimos
Sigla Significado
AC Alternating Current (Corrente alternada)
Al2O3 Cerˆamica Beta Alumina
AQS Agua Quente Sanit´aria´
AT Alta Tens˜ao
B Boro
BESS Battery Energy Storage System (Sistema de armazenamento
de energia em baterias)
Br Bromo
BT Baixa tens˜ao
BVs Battery Vehicles (Ve´ıculos de Baterias)
C Carbono/Grafite
CAES Compressed Air Energy Storage (Armazenamento de Energia
em Ar Comprimido)
Cd C´admio
CO2 Di´oxido de Carbono
CH4 Metano
C-PCS Control and Power Conditioning System (Sistema de Controlo
e de Condicionamento de Energia)
DC Direct Current (Corrente cont´ınua)
ECDL Electrochemical Capacitor Double-Layer (Condensador
eletroqu´ımico de dupla camada)
EVs Eletric Vehicle(Ve´ıculo el´etrico)
FESS Flywheel Energy Storage System (Sistema de Armazenamento
de Energia de Volante de In´ercia)
GEE Gases de Efeito de Estufa
(H2S) Acido Sulf´ıdrico´
H2O Agua´
H2SO4 Acido Sulf´´ urico
KOH Hidr´oxido de Pot´assio
Li L´ıtio
LiCoO2 Oxido L´ıtio-Cobalto´
LiClO4 Perclorato de L´ıtio
MAT Muito alta tens˜ao
(N2O) Oxido nitroso´
Na S´odio
NaS S´odio Enxofre
Ni N´ıquel
NiCd N´ıquel C´admio
NiMH N´ıquel-Hidreto met´alico
NiO(OH) N´ıquel Hidratado
Sigla Significado
NiZn N´ıquel-Zinco
Ni(OH)2 Hidr´oxido de N´ıquel
Zn(OH)2 Hidr´oxido de Zinco
P F´osforo
Pb Chumbo
PbO2 Di´oxido de Chumbo
PbSO4 Sulfato de Chumbo
PCH Pequenas centrais h´ıdricas
PHS Pumped Hydro Storage (Armazenamento de bombeamento
hidroel´etrico)
PFC’s Perfluorcarbonetos
PSB Polysulfide Bromide Battery (Bateria de Polissulfeto de
Brometo)
PHEVs Plug-in Hibrid Vehicles (Ve´ıculos H´ıbridos conectados)
RCCTE Regulamento das Caracter´ısticas de Comportamento T´ermico
do Edif´ıcios
Redox Oxida¸c˜ao-Redu¸c˜ao
RuO2 Oxido de Rut´erio´
Ru(OH)2 Hidr´oxido de Rut´enio
SEE Sistema El´etrico de Energia
S Enxofre
Si Sil´ıcio
SMES Superconducting Magnetic Energy Storage (Supercondutor de
armazenamento de energia magn´etica)
SOC State-of-Charge (Estado de carga)
TES Thermal energy storage (Sistemas de armazenamento de
energia t´ermica)
UE Uni˜ao Europeia
V Van´adio
V2G Vehicle-to-Grid (Ve´ıculos ligados `a rede)
Voc Tens˜ao circuito aberto
VRB Vanadium Redox Battery (Bateria redox de van´adio)
VRC Voltage-Resistance-Capacitor (Tens˜ao - Resistˆencia
-Condensador)
ZBB Zinco Bromo Battery (Bateria de Zinco Bromo)
Zn Zinco
1
Introdu¸c˜
ao
Quando um sistema de produ¸c˜ao de energia renov´avel gera mais energia que aquela que ´e consumida, esta poder´a ser armazenada, para posteriormente ser utilizada nos momentos em que a produ¸c˜ao for menor que o consumo. As baterias s˜ao os sistemas de armazenamento de energia eleitos para este fim.
1.1
O papel das baterias no apoio aos sistemas de
energia el´
etrica
Atualmente, quando surge como tema de discuss˜ao a eletricidade ou a produ¸c˜ao de energia el´etrica, j´a se associa aos m´etodos atuais de produ¸c˜ao de energia proveni-ente de fontes renov´aveis. No entanto, questiona-se, se realmproveni-ente esta poder´a ser a energia que ter´a maior crescimento e aplicabilidade no futuro, visto que, ainda existem algumas limita¸c˜oes. Apesar de j´a existirem equipamentos que foram con-cebidos para se produzir energia el´etrica proveniente de fontes renov´aveis e limpas, como o sol (energia solar), o vento (energia e´olica), a chuva (energia h´ıdrica), as ondas do mar (energia ondas e mar´es), o calor da terra (energia geot´ermica) e os res´ıduos s´olidos (biomassa), existe um problema importante que ser´a motivo para pesquisa e desenvolvimento deste trabalho. O facto destas tecnologias de energias
renov´aveis, nas horas em que a produ¸c˜ao ´e excessiva e a utiliza¸c˜ao inferior, uma parte desta energia ´e desperdi¸cada. Logo, ao verificar-se que ´e necess´ario aproveitar essa energia, j´a existem equipamentos poss´ıveis de se associar a estas tecnologias de produ¸c˜ao de energia el´etrica, de modo a que armazenem a energia excedente, para que posteriormente nas horas em que a produ¸c˜ao for reduzida ou nula esta possa ser utilizada. Por exemplo, numa aplica¸c˜ao de energia solar fotovoltaica, pode-se veri-ficar, que nas horas em que existe maior tempo de luz solar, que ser´a obviamente durante o dia, a energia est´a a ser produzida e em parte poder´a ser paralelamente utilizada, mas, durante a noite, como n˜ao existe sol, toda aquela energia que foi pro-duzida e n˜ao foi utilizada durante o dia, poder´a ser armazenada em equipamentos pr´oprios, para que durante a noite possa ser utilizada.
Assim, o desenvolvimento e a optimiza¸c˜ao de tecnologias avan¸cadas de armazena-mento de energia s˜ao fundamentais para permitir a expans˜ao massiva dos centros produtores de energia de origem renov´avel, de pequena e grande escala de potˆencia, e a sua perfeita integra¸c˜ao no Sistema El´etrico de Energia (SEE), com optimiza¸c˜ao do seu aproveitamento operacional e econ´omico (Couto, 2012).
Na presente disserta¸c˜ao, o que se pretende ´e expor os tipos de baterias eletroqu´ımicas recarreg´aveis, figura1.1, que atualmente demonstram alguma eficiˆencia em aplica¸c˜oes renov´aveis, mencionando de cada uma, as suas carater´ısticas, t´ecnicas, vantagens e inconvenientes da sua utiliza¸c˜ao, assim como a sua compara¸c˜ao com outras tecnolo-gias de armazenamento e tamb´em onde podem ser utilizados e as atuais tendˆencias.
Figura 1.1 – Baterias do mercado para aplica¸c˜ao em energia, (Renov´aveis, 2013).
Segundo a teoria da conserva¸c˜ao da energia, a energia n˜ao pode ser nem criada nem destru´ıda, apenas transformar-se, sendo as baterias um m´etodo de armazenamento
1.1. O PAPEL DAS BATERIAS NO APOIO AOS SISTEMAS DE ENERGIA EL´ETRICA 3
de energia que armazena a energia sob a forma de energia qu´ımica, significa que ter´a de se realizar, para consumo do utilizador, a convers˜ao de energia qu´ımica em ener-gia el´etrica. No entanto, existe outros m´etodos de armazenamento de enerener-gia que s˜ao mencionados nesta disserta¸c˜ao, como os supercondensadores que armazenam energia sob a forma de um campo magn´etico, os supercondutores que o armaze-namento de energia ´e conseguida pela indu¸c˜ao de corrente cont´ınua na bobina, as flywheels que armazenam sob a forma de energia mecˆanica, as c´elulas de combust´ıvel que armazenam sob a forma de energia qu´ımica tal como as baterias, os sistemas de bombeamento hidroel´etrico que usa a energia potencial grav´ıtica da ´agua e os sistemas de ar comprimido que se baseia na acumula¸c˜ao de ar a press˜oes eleva-das. Todos estes tipos de armazenamento de energia podem sofrer a convers˜ao para posteriormente ser utilizada como energia el´etrica.
Perante a crise econ´omica que a Uni˜ao Europeia (UE) atualmente est´a a atraves-sar, `a consciencializa¸c˜ao crescente para as altera¸c˜oes clim´aticas, `a escassez de com-bust´ıveis f´osseis, como, o petr´oleo, o carv˜ao e o g´as natural, que tem atingido custos incomport´aveis para a nossa sociedade, e tamb´em pela necessidade que existe de ob-ter tecnologias mais amigos do ambiente, ´e que surge a necessidade de alcan¸car o mais rapidamente poss´ıvel, alternativas eficientes para se obter energia el´etrica. O que se pretende ´e obter sistemas energ´eticos com base na investiga¸c˜ao e desenvolvi-mento de tecnologias de baixa emiss˜ao de gases de efeito de estufa (GEE), tais como, di´oxido de carbono (CO2), metano (CH4), ´oxido nitroso (N2O), Perfluorcarbonetos
(PFC’s) e vapor de ´agua, ou seja, livres de emiss˜oes poluentes que prejudiquem a qualidade do ar ou provoquem o aquecimento global. Ser´a fundamental desenvol-ver a eficiˆencia energ´etica atrav´es de fontes mais baratas, limpas, inesgot´aveis e de emiss˜oes reduzidas, procurando que seja institu´ıdo um novo paradigma energ´etico. Estas fontes s˜ao renov´aveis e geram energia de modo sustent´avel e j´a come¸cam a obter um crescimento acentuado e a proporcionar mais seguran¸ca de energia. Na figura 1.2, mostra a poss´ıvel redu¸c˜ao de (CO2) entre 2005 a 2050. Sendo as
energias renov´aveis, respons´aveis, por 21% da meta total global de mitiga¸c˜ao de emiss˜oes de (CO2) em 2050. Por exemplo, a participa¸c˜ao das energias renov´aveis na
produ¸c˜ao de energia el´etrica sobe para 46% em 2050, em compara¸c˜ao com cerca de 19% atualmente (Inage,2009).
Figura 1.2 – Redu¸c˜ao de (CO2) durante 2005 a 2050 (Inage, 2009).
barragens de grande ou m´edia capacidade ou as pequenas centrais h´ıdricas (PCH). As centrais de grande ou m´edia capacidade reprimem o curso de ´agua dos rios, cons-tituindo um reservat´orio de ´agua, interrompendo pontualmente o fluxo de ´agua. Estas centrais aproveitam a energia potencial grav´ıtica da diferen¸ca de n´ıvel entre a albufeira e o rio, a jusante da central, que fazem rodar as turbinas e os respectivos geradores, produzindo energia el´etrica. A potˆencia gerada ´e proporcional `a altura da queda de ´agua entre a albufeira e o rio e ao caudal de ´agua. Antes de se trans-formar em energia el´etrica, esta energia deve ser convertida em energia cin´etica. O momento desta transforma¸c˜ao decorre quando se d´a a passagem da ´agua pela tur-bina hidr´aulica. A energia libertada pela passagem da ´agua faz com que a turtur-bina se mova e acione um gerador el´etrico. A energia h´ıdrica, ´e dos processos mais efi-cientes e menos poluidores, pois n˜ao requer o uso de combust´ıveis, porque converte a energia potencial grav´ıtica da ´agua atrav´es de turbinas. A constru¸c˜ao de grandes centrais ´e dispendiosa, (APREN, 2013).
As centrais de pequena capacidade, consistem na constru¸c˜ao de pequenos a¸cudes ou barragens, que desviam uma parte do caudal do rio, para lhe devolver num local desnivelado e onde est˜ao instaladas as turbinas, produzindo energia el´etrica, que depois ´e distribu´ıda para a rede el´etrica. Os inconvenientes para o ambiente est˜ao na fase de constru¸c˜ao, pois quando entra em funcionamento, os impactos negativos n˜ao tˆem qualquer significado em compara¸c˜ao com os benef´ıcios. Por serem menores s˜ao mais baratas na sua constru¸c˜ao, podem ser constru´ıdas em rios com menor caudal
1.1. O PAPEL DAS BATERIAS NO APOIO AOS SISTEMAS DE ENERGIA EL´ETRICA 5
e contribuem para a descentraliza¸c˜ao da produ¸c˜ao de energia el´etrica. Por outro lado, geram uma energia mais cara, por n˜ao haver sempre fluxo de ´agua suficiente para fazer as turbinas girar, isto deve-se `a seca que surge durante algumas ´epocas do ano, nas centrais el´etricas maiores isto n˜ao acontece por existir sempre ´agua no reservat´orio. Atualmente, mais ou menos 30% da energia el´etrica consumida em Portugal tem origem h´ıdrica, (APREN, 2013).
J´a no que diz respeito ao vento, tem-se apresentando como uma das formas mais atrativas para produ¸c˜ao de energia el´etrica. O movimento de massas de ar (vento) `a superf´ıcie da Terra, ´e provocado pelo facto de as v´arias zonas da atmosfera serem aquecidas de forma diferente pelo Sol. Em zonas em que a velocidade m´edia anual do vento ´e superior a 6 m/s, pode ser poss´ıvel instalar um parque e´olico. Estas unidades s˜ao constitu´ıdas por uma ou mais torres equipadas com aerogeradores, que ao rodarem com a for¸ca do vento, movimentam o gerador, que converte a energia mecˆanica em energia el´etrica, que ´e conduzida para os utilizadores atrav´es da rede de distribui¸c˜ao. Para que a produ¸c˜ao de energia se torne rent´avel, os aerogeradores encontram-se concentrados em parques e´olicos, mas podem ser usados isoladamente para alimentar localidades remotas e distantes da rede de distribui¸c˜ao el´etrica. A energia e´olica ´e considerada uma das mais promissoras tecnologias de fontes naturais de energia, porque ´e renov´avel, n˜ao se esgota, ´e limpa e amplamente distribu´ıda. Come¸cam a surgir, na Europa, investimentos realizados no mar, ou seja, constru¸c˜ao de turbinas e´olicas nos chamados ”Parques offshore”, (APREN, 2013).
Em Portugal a potˆencia e´olica instalada at´e ao final de 2012 foi de 4525 MW e encontra-se em desenvolvimento crescente. Em 2012, na Uni˜ao Europeia foi insta-lado cerca de 109.581 MW de potˆencia, atualmente, j´a se conta com cerca de 106 GW de potˆencia e´olica, mais 12.6% que o ano anterior, (EWEA, 2013b).
A tecnologia de produ¸c˜ao de energia denominada de biomassa, diz respeito a todos os subprodutos da pecu´aria, da agricultura, da floresta, da explora¸c˜ao da ind´ustria da madeira, da fra¸c˜ao biodegrad´avel dos res´ıduos s´olidos urbanos, dos ´oleos de girassol, dos hidratos de carbono (a¸c´ucar, amido, celulose) e do g´as natural, ou seja, tudo o que constitui mat´eria-prima para a produ¸c˜ao combinada de energia e calor. A biomassa pode ser l´ıquida sendo utilizada diretamente como combust´ıvel (biodisel, etanol, metanol), pode ser s´olida utilizando os res´ıduos da agricultura (substˆancias animais e vegetais) ou res´ıduos s´olidos urbanos, pode ser designada como um biog´as
quando atrav´es da biodegrada¸c˜ao se produz um g´as combust´ıvel. Em qualquer uma das trˆes situa¸c˜oes de biomassa (s´olida, l´ıquida, gasosa), o calor que ´e produzido, pode ser usado diretamente em aquecimento ou para a produ¸c˜ao de vapor, de modo a que se acione uma turbina, para a produ¸c˜ao de energia el´etrica. No entanto, a queima dos subprodutos produz CO2 e outros gases, que s˜ao sempre libertados na
decomposi¸c˜ao natural da biomassa, sendo que, a respetiva aplica¸c˜ao na produ¸c˜ao de energia el´etrica, reduz a polui¸c˜ao, nomeadamente de solos, cursos e reserva de ´agua, em especial, no que respeita aos res´ıduos pecu´arios. A biomassa ´e uma energia renov´avel altamente fi´avel e com pre¸cos acess´ıveis. Tamb´em ´e um m´etodo menos poluente e verifica-se menor corros˜ao dos equipamentes que utilizam a biomassa. Os inconvenientes s˜ao mesmo a desfloresta¸c˜ao e a destrui¸c˜ao de habitats, o facto de os biocombust´ıveis contribuirem para a forma¸c˜ao de chuvas ´acidas e possuir um menor poder calor´ıfico comparado com outros combust´ıveis, (APREN, 2013).
Em 2011, na Uni˜ao Europeia, o consumo de calor a partir de biomassa s´olida era de 64,9 MTOE (uma tonelada equivalente de petr´oleo corresponde 45.217 GJ), a eletricidade produzida era de 72,8 TWh e a produ¸c˜ao de energia prim´aria era de 78,8 MTOE. Estima-se que para 2020 o consumo de calor a partir da biomassa s´olida seja de 85 MTOE e a produ¸c˜ao de energia el´etrica seja de 155 TWh, estes valores s˜ao observados a partir da incinera¸c˜ao de res´ıduos s´olidos urbanos, (Eurobserver,
2012c).
A energia solar, pode ser conseguida de duas formas na produ¸c˜ao de energia, que s˜ao, atrav´es de c´elulas fotovoltaicas ou de coletores solares para aquecimento de ´agua (APREN, 2013). As c´elulas fotovoltaicas, s˜ao constitu´ıdas por s´ılicio (Si), e podem ser introduzidos elementos qu´ımicos denominados de dopantes, como o boro (B) ou f´osforo (P), para ajudar a produzir um excesso de eletr˜oes ou lacunas, de modo a favorecer o efeito fotovoltaico, que consiste na transforma¸c˜ao da energia fornecida pelos fot˜oes de luz incidente sobre o sil´ıcio (material semicondutor), impulsionando os electr˜oes livres atrav´es de um circuito, a produzir corrente el´etrica. A energia excedente, pode ser armazenada em baterias e posteriormente pode ser utilizada em instala¸c˜oes para consumos ou cargas de corrente continua (DC) ou alternada (AC) em habita¸c˜oes unifamiliares, para aplica¸c˜oes de bombeamento fotovoltaico, tais como, rega ou abastecimento de ´agua em zonas rurais, ou para instala¸c˜oes fotovoltaicas ligadas `a rede em zonas urbanizadas.
1.1. O PAPEL DAS BATERIAS NO APOIO AOS SISTEMAS DE ENERGIA EL´ETRICA 7
No caso do aquecimento solar de ´agua, usam-se espelhos concentradores que v˜ao aquecer a ´agua, gerando vapor que posteriormente v˜ao fazer rodar turbinas a vapor, produzindo energia el´etrica. Tamb´em ´e muito importante a utiliza¸c˜ao da energia solar para aquecimento de ´aguas sanit´arias (AQS) dom´esticas ou para o aqueci-mento do ambiente. Este tipo de utiliza¸c˜ao pode substituir os meios tradicionais de aquecimento, evitando o uso de electricidade ou de g´as, (APREN, 2013).
A produ¸c˜ao de energia fotovoltaica, na Uni˜ao Europeia at´e final de 2011 foi de 44,8 TWh, a tendˆencia para a capacidade instalada era de 51.357 MWp (potˆencia nominal dos m´odulos fotovoltaica). Para 2020 a previs˜ao ´e de 120.000 MWp de capacidade de energia fotovoltaica instalada, (Eurobserver, 2012a).
At´e ao final de 2011, na Europa, a ´area de superf´ıcie do coletor solar t´ermico insta-lado era de 3.693.476 m2, a capacidade de 27.545 MWt (esta unidade corresponde a
potˆencia t´ermica) e o consumo de energia t´ermica estimado foi de 1.601 KTOE. A tendˆencia de consumo de energia t´ermica para 2020 ser´a de 3.481 KTOE, ( Eurob-server, 2012b).
Figura 1.3 – Capacidade instalada de energia e´olica, mini-h´ıdrica e t´ermica de 1997 a 2012 (Fonte EDP) (EDP,2013).
O futuro da energia das Ondas, reside em centrais offshore em que se prevˆe para Portugal um potencial elevado que pode levar que em 2025 cerca de 20% da energia el´etrica consumida tenha esta origem (APREN, 2013). Esta energia resulta da eleva¸c˜ao de uma onda numa cˆamara de ar, que com a sa´ıda e o movimento de ar (energia cin´etica) faz com que a turbina entre em funcionamento e da´ı resulte a energia mecˆanica, que vai ser transformada em energia el´etrica atrav´es do gerador.
No momento em que a onda se desfaz e a ´agua recua o ar desloca-se em sentido contr´ario passando novamente pela turbina e na cˆamara por comportas especiais normalmente fechadas.
Outra forma de aproveitamento dos oceanos para produ¸c˜ao de energia el´etrica ´e a energia das Mar´es, mas em Portugal a diferen¸ca de n´ıvel entre a mar´e cheia e a mar´e baixa n˜ao ´e suficiente para este fim. Esta energia para se transformar s˜ao necess´arios construir diques, que quando a mar´e enche a ´agua entra e fica l´a armazenada, quando a mar´e baixa, a ´agua sai pelo dique como em qualquer outra barragem, no entanto, s˜ao necess´arias que haja correntes fortes.
A utiliza¸c˜ao da energia das ondas e das mar´es s˜ao vantajosas na medida em que s˜ao uma fonte inesgot´avel de energia, ´e n˜ao poluente e a ocorrˆencia das mar´es ´e constante e previs´ıvel (APREN, 2013).
A energia geot´ermica, ´e utilizada para produ¸c˜ao de energia el´etrica, como fonte de calor de estufas ou em bombas de calor, para piscinas e aquecimento ou arrefecimento de edif´ıcios. Prov´em do calor da Terra, sendo esta formada por grandes placas, que nos mant´em isolados do seu interior, no qual se encontra o magma que s˜ao basicamente ´agua e rochas a temperaturas elevadas. Aumentando a profundidade, a temperatura das rochas aumenta cada vez mais, no entanto, h´a zonas de intrus˜oes magm´aticas, ou seja, onde a temperatura ´e menor e essas s˜ao as zonas onde h´a elevado potencial geot´ermico. Este recurso pode ser aproveitado em locais com atividade vulcˆanica, zonas onde seja poss´ıvel atingir estratos magm´aticos ou existam rochas ou ´agua a temperatura elevada. A produ¸c˜ao de eletricidade ´e feita a partir de uma turbina movida a vapor de ´agua, que ´e produzida pelo aquecimento do interior da Terra. Todos os fluxos de ´agua geot´ermicos cont´em gases dissolvidos sendo enviados para a central de produ¸c˜ao de energia junto com o vapor de ´agua, no entanto estes gases acabam por se espalhar na atmosfera mas n˜ao s˜ao respons´aveis pelo efeito de estufa, (APREN, 2013).
A UE est´a a fazer progressos no sentido de cumprir a meta para 2020 que ´e de 20% de consumo de energia a partir das energias renov´aveis. Em 2010, a utiliza¸c˜ao de energias renov´aveis foi de 12,7% e em 2005 de 8,5%. Quando n˜ao havia quadro regulamentar (1995 - 2000) a energia renov´avel crescia 1,9% por ano, no entanto quando se introduziu novas metas (2001 – 2010), a parcela de energia renov´avel cresceu para 4,5% ao ano. Para que se atinga o valor de 20% em 2020, ser´a necess´ario
1.1. O PAPEL DAS BATERIAS NO APOIO AOS SISTEMAS DE ENERGIA EL´ETRICA 9
atingir uma m´edia de 6,3% de produ¸c˜ao de energia renov´avel, (Commissian, 2013). Quando se fala das energias renov´aveis, existe a perce¸c˜ao de que estas n˜ao est˜ao in-teiramente dispon´ıveis e que quando n˜ao s˜ao utilizadas de imediato na convers˜ao e produ¸c˜ao, que s˜ao desperdi¸cadas. Por isso, pretende-se demonstrar que a forma mais habitual de garantir que o desperd´ıcio ´e minimizado, recorrendo ao armaze-namento em reservat´orios que se materializam como baterias eletroqu´ımicas, sendo estas carregadas quando existe um excesso de energia n˜ao consumida de imediato e posteriormente fornecer˜ao a energia necess´aria `a carga quando a produ¸c˜ao for insignificante.
Caso se obtenha energia el´etrica ser´a convertida pela pr´opria bateria em energia qu´ımica, atrav´es de processo de eletr´olise, caso a energia resultante seja mecˆanica ser´a necess´ario transform´a-la em energia el´etrica atrav´es da utiliza¸c˜ao de equipa-mento intermedi´ario, tais como, motores, geradores ou alternadores, de modo que depois possa ser armazenada em baterias.
Para ser especialista na sele¸c˜ao destas baterias, efetuando a escolha da tecnologia mais eficiente e adequado a cada tipo de sistema energ´etico, ser´a necess´ario conhecer todas as carater´ısticas fundamentais na sua escolha, tais como, o peso, capacidade, regime de carga, regime de descarga, profundidade de descarga (PD), estado de carga, c´elula, tens˜ao de corte, auto-descarga, ciclo de vida, rendimento energ´etico, densidade de energia por unidade de volume, energia espec´ıfica, potˆencia espec´ıfica, vantagens, condicionantes, e aplica¸c˜oes.
As baterias eletroqu´ımicas s˜ao classificadas de recarreg´aveis ou n˜ao recarreg´aveis, e podem ser utilizadas em aplica¸c˜oes port´ateis, tais como, rel´ogios, telem´oveis, compu-tadores, m´aquinas fotogr´aficas, consolas de jogos port´ateis, r´adios e lanternas. Mas, para sistemas de armazenamento excedente de energia renov´avel, ser˜ao utilizadas baterias recarreg´aveis. As que atualmente circulam no mercado e que apresentam maior relevˆancia, s˜ao as baterias de L´ıtio, N´ıquel, Chumbo, S´odio, Magn´esio e as de Fluxo.
Atualmente, as baterias de L´ıtio s˜ao as que apresentam maior eficiˆencia e um fu-turo de energia promissor. As pesquisas e os trabalhos elaborados ao longo de dois s´eculos demonstram que entre as tecnologias poss´ıveis, este m´etodo de armazena-mento ´e mais interessante em termos da densidade de energia, ´e mais leve, o mais
eletronegativo de todos os metais, muito atrativo do ponto de vista eletroqu´ımico, porque apresenta potencial de redu¸c˜ao (E0) mais negativo, maior equivalente
ele-troqu´ımico (ε). No entanto, o l´ıtio reage violentamente com a ´agua e o nitrog´enio. Novas baterias come¸cam a surgir e parecem ter grande importˆancia e eficiˆencia em aplica¸c˜oes como ve´ıculos el´etricos, que ´e o caso das baterias de S´odio, Magn´esio, N´ıquel-Hidreto met´alico, baterias de fluxo, entre outras.
Para aplica¸c˜oes como habita¸c˜oes unifamiliares, em vez de a energia excedente ser direcionada para a rede p´ublica, podemos utilizar as baterias eletroqu´ımicas como alternativa ao armazenamento.
Pretende-se demonstrar que de facto as baterias eletroqu´ımicas recarreg´aveis podem ser algo promissor para associar `as tecnologias de produ¸c˜ao de energia renov´avel.
1.2
Motiva¸c˜
ao e objetivos
Devido `a consciencializa¸c˜ao crescente para as altera¸c˜oes clim´aticas, `a escassez dos combust´ıveis f´osseis e tamb´em pela necessidade que existe de obter m´etodos de produ¸c˜ao de energia amigos do ambiente, ´e necess´ario alcan¸car o mais rapidamente poss´ıvel, m´etodos alternativos e eficientes. A solu¸c˜ao ´e utilizar sistemas energ´eticos, como os de energias renov´aveis, com base no desenvolvimento de tecnologias de baixa emiss˜ao de gases de efeito de estufa e desenvolver elevada eficiˆencia atrav´es de fontes de energia econ´omicas, limpas e inesgot´aveis, procurando que seja institu´ıdo o novo paradigma energ´etico.
No entanto, a energia proveniente dos sistemas de energia renov´avel ´e muita das vezes produzida em excesso, da´ı que existe a necessidade de se acoplar sistemas de armazenamento de energia. Sendo que as aplica¸c˜oes de energia renov´aveis podem es-tar localizadas em zonas remotas onde a dificuldade de acesso `a rede de distribui¸c˜ao el´etrica ´e maior, podemos comprovar que as baterias eletroqu´ımicas sendo um sis-tema port´atil, podem ser solu¸c˜ao para utiliza¸c˜ao como sissis-tema de amazenamento de energia, para utiliza¸c˜ao posterior de energia el´etrica.
Sendo que a tendˆencia ´e n˜ao utilizar baterias e converter diretamente para a rede de distribui¸c˜ao, o principal foco e motiva¸c˜ao desta disserta¸c˜ao ´e mesmo mostrar que se
1.3. ORGANIZAC¸ ˜AO DA DISSERTAC¸ ˜AO 11
deve armazenar energia para deslocar o pico de produ¸c˜ao para o pico de consumo. Demonstram-se exemplos de sistemas atualmente existentes, como instala¸c˜oes de sistemas e´olicos e solares em locais isolados, assim como a nova tendˆencia de ve´ıculos denominados de V2G, que al´em de consumirem energia para sua pr´opria utiliza¸c˜ao, tamb´em acumulam para posteriormente fornecerem `a rede de distribui¸c˜ao el´etrica, nos per´ıodos em que o ve´ıculo se encontra em repouso.
1.3
Organiza¸c˜
ao da disserta¸c˜
ao
Este documento ´e composto por seis cap´ıtulos, cujo conte´udo ´e brevemente descrito de seguida.
No presente cap´ıtulo ´e analisado o enquadramento sobre os problemas, as tendˆencias e o que existe atualmente sobre as energias renov´aveis e as baterias eletroqu´ımicas. O cap´ıtulo 2 descreve todos os m´etodos de produ¸c˜ao de energia a partir de fontes renov´aveis, assim como pesquisas cient´ıficas realizadas a estes recursos.
No cap´ıtulo 3´e feito o levantamento do estado da arte das baterias eletroqu´ımicas existentes e a carateriza¸c˜ao das mesmas, assim como as suas vantagens, desvanta-gens, limita¸c˜oes e eletr´onica associada e as utiliza¸c˜oes que estas podem ter.
No cap´ıtulo 4 faz-se referˆencia ao facto de existirem outros m´etodos de armazena-mento de produ¸c˜ao de energia assim como as suas compara¸c˜oes com as baterias eletroqu´ımicas e aplica¸c˜oes com as energias renov´aveis.
No cap´ıtulo 5 pretende-se fazer uma compara¸c˜ao t´ecnico-econ´omica, das baterias eletroqu´ımicas com os outros sistemas de armazenamento. E tamb´em uma mode-liza¸c˜ao pr´atica para compara¸c˜ao do comportamento de diferentes tipos de baterias. Finalmente, o cap´ıtulo 6 faz uma an´alise das mat´erias estudadas na disserta¸c˜ao e apresenta as conclus˜oes obtidas ao longa da sua elabora¸c˜ao, assim como perspetivas de trabalho futuro, visto que os sistemas de energias renov´aveis com aplica¸c˜oes de t´ecnicas de armazenamento de energia em baterias eletroqu´ımicas est˜ao longe de se tornar uma ´area fechada, e os principais problemas, que foram vistos durante a pesquisa, continuam em desenvolvimento e investiga¸c˜ao para aperfei¸coamento.
2
Produ¸c˜
ao de energia renov´
avel
Os processos de industrializa¸c˜ao e desenvolvimento econ´omico necessitam de energia (Hernandez-Escobedo et al., 2010). A procura de energia aumentar´a nos pr´oximos anos e, em parte, deve-se ao crescimento exponencial da popula¸c˜ao (Demirbas,2008). As fontes de energia renov´aveis podem ser definidas como um recurso simples, sus-tent´avel e dispon´ıvel a longo prazo, com um custo razo´avel que pode ser utilizado em qualquer servi¸co sem efeitos adversos significativos. Os investigadores conside-ram que as fontes de energia renov´aveis s˜ao limpas e que a utiliza¸c˜ao desses recursos ´e ´otima para minimizar impactos ambientais, apresentando res´ıduos secund´arios m´ınimos e, em simultˆaneo, ´e sustent´avel de acordo com as necessidades econ´omicas e sociais atuais e futuras (Panwar et al.,2011). Os pontos positivos na utiliza¸c˜ao das fontes de energia renov´aveis s˜ao o aumento da diversidade de op¸c˜oes de fontes de energia, tanto para pa´ıses desenvolvidos como para os pa´ıses em desenvolvimento, menor dependˆencia de combust´ıveis f´osseis, novos postos de trabalho, cria¸c˜ao de mercados de exporta¸c˜ao e redu¸c˜ao nas emiss˜oes de gases de efeito de estufa e al-tera¸c˜oes clim´aticas (Manzano-Agugliaro et al., 2013).
Atualmente, as fontes de energias renov´aveis completam 14% da procura total de energia no mundo, mas est´a previsto um aumento significativo, cerca de 30% a 80% em 2100 (Panwar et al., 2011).
O total da potˆencia instalada renov´avel atingiu 10.389 MW, no final de junho de 13
2012. O aumento da potˆencia instalada, relativamente ao mˆes de maio, verificou-se nas centrais e´olicas. A produ¸c˜ao de energia el´etrica, a partir de fontes de ener-gia renov´avel, registou no primeiro semestre de 2012, uma quebra de 33%. Este comportamento, deve-se fundamentalmente `a sua componente h´ıdrica que decres-ceu 64%. No mesmo per´ıodo, a produ¸c˜ao e´olica subiu 11% e a fotovoltaica 33%, (Freitas, 2013).
2.1
Cadeia de energia el´
etrica
A energia el´etrica aparece de modo espontˆaneo em alguns fen´omenos da natureza. No entanto, para a podermos utilizar convenientemente, ´e necess´ario que esteja dispon´ıvel de forma est´avel e previs´ıvel. Para alcan¸car estes objetivos, torna-se necess´ario efetuar diversos procedimentos de produ¸c˜ao da energia el´etrica sem de-pender de fen´omenos naturais espor´adicos.
A produ¸c˜ao de energia el´etrica, tal como outros processos industriais, realizam-se normalmente longe das zonas urbanas, isto ´e, longe dos consumidores, quer por restri¸c˜oes urban´ısticas e ecol´ogicas como pela localiza¸c˜ao dos pr´oprios recur-sos energ´eticos. No entanto, ´e necess´ario transportar a energia el´etrica do ponto onde ´e produzida para pontos pr´oximos do consumidor, e depois de se dispor desta energia em determinados pontos estrat´egicos (centros de consumo), ´e necess´ario dis-tribuir aos consumidores de modo que tenham uma utiliza¸c˜ao fi´avel e segura.
Ao processo de Produ¸c˜ao, Transporte, Distribui¸c˜ao e Utiliza¸c˜ao de energia, denomina-se de cadeia de energia el´etrica.
No entanto, a situa¸c˜ao atual ´e que a maioria dos blackouts ou quedas de tens˜ao, po-dem ser evitadas se temos dispositivos de comunica¸c˜ao melhores e mais r´apidos em tecnologias para a rede el´etrica. A fim de tornar a atual rede de energia el´etrica numa Smart Grid, a conce¸c˜ao e implementa¸c˜ao de uma nova infra-estrutura de comunica¸c˜ao para a rede s˜ao importantes campos de pesquisa. A Smart Grid ´e pro-jetada para integrar tecnologias avan¸cadas de comunica¸c˜ao/networking avan¸cadas em redes de energia el´etrica para torn´a-las mais inteligente. Geralmente, Smart Grid ´e uma rede de comunica¸c˜oes de dados integrados com a rede el´etrica que recolhe e analisa os dados quase em tempo real sobre a transmiss˜ao de energia, distribui¸c˜ao e
2.1. CADEIA DE ENERGIA EL´ETRICA 15
consumo (Gao et al., 2012).
2.1.1
Produ¸c˜
ao
A produ¸c˜ao industrial de energia el´etrica ´e conseguida a partir de outras formas de energia, em centrais el´etricas. No entanto como existem diversos meios de produ¸c˜ao de energia, o aproveitamento de diferentes formas de energia dispon´ıveis, d´a lugar a diversos tipos de centrais, tais como, centrais e´olicas, hidroel´etricas, geot´ermicas, centrais solares fotovoltaicas ou centrais de biomassa.
O modo de produ¸c˜ao de energia de cada tipo de central est´a mencionado mais detalhadamente na sec¸c˜ao 2.3. No entanto, pode-se referir que qualquer uma destas centrais produz energia a partir do movimento de rota¸c˜ao de um gerador de tens˜ao alternada sinusoidal, que transforma este movimento em energia el´etrica, exceto numa central fotovoltaica que produz a pr´opria energia el´etrica a partir de um conjunto de c´elulas de sil´ıcio contidas num painel.
´
E de salientar que as centrais produtoras de energia el´etrica podem estar interligadas, de modo a minimizar o problema do consumo vari´avel de energia. Este processo de interliga¸c˜ao consiste em fazer trabalhar os respetivos geradores em paralelo e, por interm´edio dos respetivos sistemas de comando, distribuir o consumo nas propor¸c˜oes mais convenientes (Alves, 1999). A interliga¸c˜ao ´e realizada de modo hier´arquico, ou seja, interligam-se centrais isoladas aos sistemas regionais, depois interligam-se sistemas regionais aos sistemas nacionais (Moura and Barbosa, 1987).
As vantagens da produ¸c˜ao cooperativa de energia s˜ao (Moura and Barbosa, 1987): • Menor potˆencia instalada (menor dimens˜ao de cada central isolada), o que
contribui, para diminui¸c˜ao do custo de energia el´etrica produzida, para uma imobiliza¸c˜ao de capital;
• Menor encargo com sistemas de reserva, devido `a gest˜ao coletiva destes siste-mas;
• Melhoria da qualidade do servi¸co de fornecimento de energia el´etrica, uma vez que os efeitos de uma avaria central poder˜ao ser minimizados atrav´es do abastecimento pelas restantes centrais da mesma rede;
No entanto, existem inconvenientes, como maiores encargos com linhas e equipamen-tos associados e, maiores despesas de coordena¸c˜ao de sistemas de grande e pequena dimens˜ao (Moura and Barbosa, 1987).
2.1.2
Transporte
Quanto maior for a intensidade da corrente el´etrica (I), maior o efeito de aquecimento dos condutores e maior a queda de tens˜ao (U) ao longo das linhas de transporte de energia el´etrica. Este efeito traduz-se numa perda energ´etica indesej´avel, pelo que para reduzir este efeito deve-se utilizar condutores de maior sec¸c˜ao e, consequente-mente mais onerosos e pesados.
Como a potˆencia el´etrica ´e igual ao produto da tens˜ao com a corrente na linha, podemos reduzir a corrente, mantendo a potˆencia el´etrica, se se aumentar propor-cionalmente a tens˜ao. Ou seja, com uma tens˜ao elevada, consegue-se transmitir a mesma potˆencia mas com menos perdas. No entanto, surge um problema associado a eleva¸c˜ao do valor de tens˜ao, ou seja, equipamento para transporte em seguran¸ca, como o isolamento t´ermico do material necess´ario, implicando assim um aumento do custo associado.
Sempre que se pretender elevar ou baixar o valor da tens˜ao el´etrica, recorre-se ao uso de transformadores. Os transformadores conservam a energia da entrada para a sa´ıda e, reduzem ou aumentam o valor de tens˜ao.
Figura 2.1 – Esquema simplificado do transformador (Alves,1999).
2.1. CADEIA DE ENERGIA EL´ETRICA 17
condutores, isoladores e os suportes, e pode ser transportado/distribu´ıdo por linha a´erea ou cabo subterrˆaneo. A rede de transporte ´e formada por linhas a´ereas cons-titu´ıdas por condutores nus (cobre, alum´ınio, ligas de alum´ınio ou cabos mistos de alum´ınio/a¸co), isto ´e, sem isolamento el´etrico, e est˜ao apoiados ou suspensos em postes (madeira, bet˜ao ou metal) com a interposi¸c˜ao de isoladores. Os cabos sub-terrˆaneos s˜ao utilizados quando as linhas a´ereas se tornam impratic´aveis, ou seja, em ´areas urbanizadas, quer pelo custo de implementa¸c˜ao de postes ou pelas disposi¸c˜oes de seguran¸ca necess´arias.
2.1.3
Distribui¸c˜
ao
Depois de feito o transporte de energia el´etrica em alta tens˜ao (AT) at´e `as su-besta¸c˜oes, realiza-se a distribui¸c˜ao em v´arias linhas de modo a alimentar a zona pretendida. Das linhas de distribui¸c˜ao AT s˜ao tiradas deriva¸c˜oes para postos de transforma¸c˜ao (PT) que transformam a energia el´etrica para baixa tens˜ao (BT) de forma a ser entregue ao utilizador. A tens˜ao de distribui¸c˜ao a montante do PT encontra-se na gama de 15 a 60 kV. Em Portugal, a tens˜ao de utiliza¸c˜ao, a jusante do PT, mais comum ´e de 400/230V. Instala¸c˜oes como f´abricas, hospitais e outros gran-des edif´ıcios tˆem geralmente um PT pr´oprio. No caso de ve´ıculos el´etricos, utiliza-se a tens˜ao cont´ınua de 550V, que ´e obtida a partir de subesta¸c˜oes que disp˜oem de um sistema de retifica¸c˜ao da corrente alternada.
2.1.4
Utiliza¸c˜
ao
O consumidor recebe a energia el´etrica e no arm´ario de distribui¸c˜ao el´etrica pos-sui o equipamento destinado a fazer a sua contagem, assim como os dispositivos de prote¸c˜ao geral da instala¸c˜ao e um interruptor de corte geral. Nesse mesmo arm´ario, s˜ao separados diferentes circuitos que v˜ao alimentar diferentes sec¸c˜oes, por condu-tores que se dirigem aos diferentes rececondu-tores.
2.2
Panorˆ
amica geral das energias renov´
aveis
Um dos fatores que pode promover o desenvolvimento e utiliza¸c˜ao das fontes de energias renov´aveis ´e a investiga¸c˜ao. A an´alise da investiga¸c˜ao e das tendˆencias ´e realizado atrav´es da an´alise peri´odica de publica¸c˜oes cient´ıficas (Manzano-Agugliaro et al., 2013).
2.2.1
An´
alise global de investiga¸c˜
ao cient´ıfica das fontes de
energia renov´
aveis
De acordo com o relat´orio da Agˆencia Internacional de energia (IEA) de 2011, a produ¸c˜ao de energia el´etrica a partir de fontes renov´aveis em todo mundo em 1990 foi de 19,5% e cresceu numa m´edia de 2,7% ao ano, enquanto que a produ¸c˜ao total de eletricidade cresceu 3% anualmente e, em 2008, a percentagem de energia el´etrica a partir de fontes de energias renov´aveis era de 18,5% (Manzano-Agugliaro et al.,
2013). Esta diminui¸c˜ao deve-se principalmente ao crescimento lento da principal fonte de energia renov´avel, a energia hidroel´etrica, nos pa´ıses da OCDE (Organiza¸c˜ao para a Coopera¸c˜ao e Desenvolvimento Econ´omico) (Agency, 2011a).
Em 2010, a contribui¸c˜ao das fontes de energia renov´aveis para a produ¸c˜ao global de energia foi estimada em 16,6% para as grandes e pequenas centrais h´ıdricas, 2,56% para a energia e´olica, 1,95% de biomassa, 0,67% energia geot´ermica, 0,13% de energia solar tanto fotovoltaica como t´ermica e 0,01% da energia das ondas e mar´es (Glasnovic and Margeta, 2011;Council, 2006).
2.2. PANOR ˆAMICA GERAL DAS ENERGIAS RENOV ´AVEIS 19
Na figura 2.3, apresenta-se as percentagens de todas as publica¸c˜oes cient´ıficas com base nos dados do Instituto Internacional de Estat´ıstica (ISI) relacionado com as energias renov´aveis no per´ıodo de 1979 a 2009. ´E de salientar que mais de metade da investiga¸c˜ao publicada (56%) tem sido relacionada com a utiliza¸c˜ao de biomassa como energia renov´avel, seguido pela energia solar (26%), e a energia e´olica (11%). Estes valores sendo mais elevados, desperta logo para a aten¸c˜ao do foco relativamente baixo, 2%, na pesquisa de energia h´ıdrica, que ´e a energia renov´avel que produz mais energia (Manzano-Agugliaro et al., 2013). A explica¸c˜ao que se encontra para este valor demasiado baixo deve-se a dois fatores: o facto desta fonte estar limitada a ´areas muito espec´ıficas do planeta, ou seja consoante a disponibilidade dos recursos de ´agua (10 pa´ıses produzem 69,8% desta energia) (Agency, 2010); e a tecnologia de energia h´ıdrica ser considerada a mais aperfei¸coada de todos as fontes de energia renov´aveis, (Institute, 2010).
Figura 2.3 – Distribui¸c˜ao da pesquisa de publica¸c˜oes cient´ıficas, de 1979 a 2009, por energias renov´aveis (Manzano-Agugliaro et al.,2013).
Algumas das tecnologias associadas `a biomassa ainda est˜ao em desenvolvimento, como a gaseifica¸c˜ao e combust˜ao. A energia e´olica tamb´em se encontra em fase de desenvolvimento na tecnologia offshore. Tendo em conta a evolu¸c˜ao de pesquisa, na figura 2.4, pode-se considerar que a energia h´ıdrica e a geot´ermica, tem sido est´avel nos ´ultimos 30 anos. A biomassa, energia solar e e´olica s˜ao as menos est´aveis a n´ıvel de investiga¸c˜ao e desenvolvimento, seguindo uma tendˆencia exponencial, desde 1991, houve uma acelera¸c˜ao na sua investiga¸c˜ao, quando come¸caram a mos-trar diferen¸cas significativas entre as publica¸c˜oes das diferentes energias renov´aveis (Manzano-Agugliaro et al., 2013).
Figura 2.4 – Evolu¸c˜ao de publica¸c˜oes cient´ıficas, relacionada com as energias renov´aveis, de 1979 a 2009 (Manzano-Agugliaro et al.,2013).
2.2.2
An´
alise da produ¸c˜
ao cient´ıfica por pa´ıs em cada fonte
de energia renov´
avel
Energia solar
Na figura 2.5, mostra o n´umero de publica¸c˜oes cient´ıficas sobre a energia solar, no per´ıodo de 1979 a 2009, em todos os pa´ıses. Os pa´ıses que contribu´ıram com mais publica¸c˜oes cient´ıficas foram: EUA (24,4%), Jap˜ao (7,2%), Alemanha (7,1%), Reino Unido (6,1%), China (5,5%), Fran¸ca (4,7%), ´India (4%), It´alia (3,6%), R´ussia (3,2%), Espanha (2,8%), Su´ı¸ca (2,2%), Canad´a (2,1%) e Austr´alia (1,9%). Entre 233 pa´ıses, s´o 13 pa´ıses mencionados, contribu´ıram com 75% da produ¸c˜ao cient´ıfica relacionada com a energia solar (Manzano-Agugliaro et al., 2013).
No entanto, os pa´ıses que realizaram a maioria das pesquisas neste sector, n˜ao s˜ao necessariamente aqueles com maior parte desse recurso, exceto a Austr´alia (figura
2.6). No entanto, se compararmos com um mapa de potencial de energia solar, observa-se que o Norte de ´Africa e o M´edio Oriente (figura 2.7) s˜ao os que possuem maior m´edia de potencial de energia solar por ano em kWh/m2, mas n˜ao realizam
pesquisas sobre este recurso. No deserto do Sahara, o potencial de produ¸c˜ao de energia el´etrica pode atingir 500 vezes mais o consumo de energia el´etrica do Estados Membros da UE.
