Extremos da precipitação e impactes no balanço energético em Portugal

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

EXTREMOS DA PRECIPITAÇÃO E IMPACTES NO

BALANÇO ENERGÉTICO EM PORTUGAL

Dissertação de Mestrado em Engenharia do Ambiente

Maria de Fátima Ponteira Carneiro

Orientadores: Doutor João Carlos Andrade dos Santos

Doutora Margarida L. R. Liberato

EXTREMOS DA PRECIPITAÇÃO E IMPACTES NO

BALANÇO ENERGÉTICO EM PORTUGAL

Dissertação de Mestrado em Engenharia do Ambiente

Maria de Fátima Ponteira Carneiro

Composição do Júri:

Doutora Edna Carla Janeiro Cabecinha da Câmara Sampaio Doutor João Carlos Andrade dos Santos

Doutora Maria Solange Mendonça Leite Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim Doutora Margarida L. R. Liberato

-i-

AGRADECIMENTOS

À minha família, em especial aos meus pais e aos meus avós pelo apoio, carinho, compreensão e paciência concedido durante a realização deste trabalho. Agradeço particularmente ao meu irmão, pela amizade, pela força e incentivo ao longo da minha vida. Aos meus amigos de sempre, um muito obrigado.

Aos meus orientadores, o Professor Doutor João Santos e a Professora Doutora Margarida Liberato pela disponibilidade manifestada para orientar esta dissertação, por todo o apoio, dedicação, esclarecimentos e sugestões. Por todos os ensinamentos transmitidos determinantes para a realização deste trabalho, um muito obrigado.

Às entidades que disponibilizaram os seus dados, nomeadamente Direção Geral de Energia e Geologia, PORDATA, European Climate Assessment & Dataset, National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research e Climate Prediction Center/ National Oceanic and Atmospheric Administration.

À Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro pelo grande ensinamento de vida, porque aqui aprendemos o que é ser aluno.

-ii-

Este trabalho foi parcialmente apoiado por fundos do FEDER (Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional) através do Programa COMPETE (Programa Operacional Factores de Competitividade) e por fundos nacionais através da FCT (Fundação para a Ciência e a Tecnologia, Portugal), no âmbito do projecto STORMEx – Variabilidade das Depressões Extratropicais Extremas no Atlântico Norte: Diagnose, Modelação de Processos Dinâmicos e Impactos na Península Ibérica (FCOMP-01-0124-FEDER-019524; PTDC/AAC-CLI/121339/2010).

-iii-

RESUMO

Portugal é um país com elevado potencial energético renovável. Contudo, os fatores meteorológicos podem condicionar a utilização e o aproveitamento dos recursos renováveis. A forte variabilidade interanual, sazonalidade e irregularidade da precipitação tem como consequência inúmeros impactes diretos e indiretos na gestão de recursos hídricos, tal como a produção de energia. Este trabalho tem como objetivo relacionar a ocorrência de extremos da precipitação com a produção de energia renovável (hídrica, eólica e fotovoltaica) em Portugal continental, para o período entre 1998-2012 (15 anos). O objetivo principal é avaliar de que forma estes extremos contribuem para o balanço da produção de energia elétrica. Para este efeito, utilizam-se séries de precipitação (Bragança, Lisboa e Beja – 1989 a 2012) de dados provenientes do projecto European Climate Assessment & Dataset (ECA&D) e séries de produção de energia disponibilizadas pela Direção Geral de Energia e Geologia. Foram também realizados compósitos a partir de reanálises do NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/ The National Center for Atmospheric Research) de forma a caracterizar o fluxo atmosférico a larga escala nos anos extremos. Analisou-se também o impacto da Oscilação do Atlântico Norte (NAO) e do Atlântico Este (EA) na produção de energias renováveis. Os resultados do estudo destacam o papel fundamental desempenhado pela precipitação sobre a produção de energia renovável em Portugal. Foram obtidos valores de correlação positivos e estatisticamente significativos entre a precipitação e a produção de energia hídrica e eólica. Os anos chuvosos revelam um aumento de produção de energia renovável em cerca de 60% em relação aos anos secos. Tendo em conta as projeções climáticas para as próximas décadas em Portugal, esta dependência energética com a precipitação torna o setor das energias em Portugal particularmente vulnerável às alterações climáticas.

Palavras-chave: Portugal, energia renovável, energia hídrica, extremos de precipitação,

-v-

ABSTRACT

Although Portugal has high renewable energy potential, inter-annual climate variability can significantly constrain the use and exploitation of renewable resources. The strong inter-annual variability, seasonality and irregularity of precipitation lead to direct and indirect impacts on water resources management, such as on energy production. The present study relates anomalously dry/wet years to the production of renewable energy (hydro, wind and photovoltaic) in Portugal over the period 1998-2012 (15 years). The main objective is to assess the role of these extreme years on the national power production budget. For this purpose, precipitation time series recorded at three weather stations (Bragança, Lisbon and Beja – 1989 to 2012), provided by European Climate Assessment & Dataset project (ECA&D), and energy production series, from Direção Geral de Energia e Geologia, are used. Several atmospheric variables from the National Centers for Environmental Prediction/ The National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) reanalysis, are composited in order to characterize the large-scale atmospheric flow in the extreme years. The connections to the North Atlantic (NAO) and East Atlantic (EA) oscillations in the production of renewable energy are also assessed. The results highlight the key role played by precipitation on the total renewable energy production in Portugal, which is significantly and positively correlated with hydropower and wind power productions. In the annual renewable energy production, the wet years reveal an increment of 60% with respect to the dry years. Given the climate projections for the coming decades in Portugal, this energetic dependence with precipitation makes the energy sector in Portugal particularly vulnerable to climate change.

Keywords: Portugal, renewable energy, hydropower, precipitation extremes, atmospheric

-vii-

ÍNDICE

1. Introdução ... 1

1.1. Objectivos e estrutura da dissertação ...3

1.2. Contextualização das energias renováveis em Portugal ...5

2. Dados e Metodologias ... 23

2.1. Metodologia do apuramento de extremos de precipitação... 23

2.2. Metodologia do apuramento de extremos de produção ... 24

2.3. Cálculo de correlação entre produção de energia HEF e precipitação ... 25

2.4. Cálculo do balanço da produção de energia ... 27

2.5. Variáveis climáticas ... 28

2.6. Correlação entre padrões de teleconexão e produção de energia ... 29

3. Apresentação e Discussão dos Resultados ... 31

3.1. Estudo de séries de precipitação ... 31

3.1.1. Análise da série mensal ... 31

3.1.2. Análise da precipitação média mensal ... 33

3.1.3. Análise da precipitação total anual ... 36

3.2. Identificação de extremos de precipitação e produção ... 39

3.3. Produção de energia e precipitação ... 41

3.3.1. Produção de energia hídrica e precipitação ... 41

3.3.2. Produção de energia eólica e precipitação ... 42

3.3.3. Produção de energia fotovoltaica e precipitação ... 43

3.3.4. Produção de energia HEF e precipitação ... 44

3.4. Balanço da produção de energia ... 45

3.5. Análise de Compósitos ... 47

3.6. Estudo da NAO e EA ... 60

3.6.1. Produção de energia e índices de teleconexão ... 66

3.7. Alterações climáticas e projeções para a produção de energia ... 73

3.8. Considerações Finais ... 74

4. Síntese de Resultados e Conclusões ... 77

5. Trabalhos Futuros ... 79

Referências Bibliográficas ... 81

-viii-

ANEXOS EM CD:

Anexo I – Correlação entre a precipitação e a produção de energia HEF Anexo II – Compósitos das anomalias em anos de produção de energia Anexo III – Correlação entre a produção de energia e a NAO

Anexo IV – Correlação entre a produção de energia e o índice de inverno da NAO Anexo V – Correlação entre a produção de energia e a EA

Anexo VI – Correlação entre a produção de energia e o índice de inverno da EA Anexo VII – Correlação múltipla entre a produção de energia, a NAO e a EA

-ix-

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Consumo mundial de energia primária em milhões de toneladas equivalentes de petróleo

(BP, 2012). ...6

Figura 2 – Consumo de energia primária por tipo de fonte em Portugal – 2011. ...7

Figura 3 – Evolução da potência instalada das centrais de produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis: (a) representação de todas as energias em Portugal continental, (b) representação das energias menos significativas e (c) fração da potência instalada a partir de fontes renováveis em 2012. ... 11

Figura 4 – O mesmo que a figura 3, mas para a produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis. ... 14

Figura 5 – Evolução da potência hidroelétrica instalada em Portugal (REN, 2006)... 15

Figura 6 – (a) Localização geográfica dos aproveitamentos hidroelétricos, (b) precipitação média anual em Portugal continental (EDP, 2012; IPMA, 2012). ... 17

Figura 7 – Evolução da energia elétrica produzida através de renováveis, por distritos de Portugal continental. ... 18

Figura 8 – Variação trimestral da produção de energia elétrica da grande hídrica (GWh) e da precipitação (mm). ... 19

Figura 9 – Representação da NAO nos meses de janeiro, abril, julho e outubro, fase positiva (NOAA, 2012). ... 21

Figura 10 – Representação da EA nos meses de janeiro, abril, julho e outubro, fase positiva (NOAA, 2012). ... 21

Figura 11 – Representação da localização das estações meteorológicas em estudo. ... 23

Figura 12 – Representação da série padronizada de produção de energia HEF. ... 25

Figura 13 – Representação da série padronizada para a hídrica total, eólica, fotovoltaica e HEF. ... 26

Figura 14 – Udograma mensal da precipitação (mm) de Bragança, Beja e Lisboa no período de outubro de 1989 a setembro de 2012. ... 32

Figura 15 – Gráfico que representa a fração de meses sem registo de precipitação (%) em Bragança, Lisboa e Beja para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012. ... 32

Figura 16 – Gráfico da precipitação média mensal (mm) em Bragança, para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012. ... 33

Figura 17 – Tal como na Figura 16, mas para Lisboa. ... 34

Figura 18 – Tal como na Figura 16, mas para Beja. ... 34

Figura 19 – Gráfico das precipitações médias mensais (mm) em Bragança, Lisboa e Beja, para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012. ... 35

Figura 20 – Representação por ordem decrescente da precipitação total anual (mm) em Bragança para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012. ... 36

Figura 21 – Tal como na Figura 20, mas para Lisboa. ... 37

Figura 22 – Tal como na Figura 20, mas para Beja. ... 38

Figura 23 – Representação por ordem decrescente da precipitação total anual média (mm) (Bragança, Beja e Lisboa) para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012. ... 38

Figura 24 – Representação por ordem decrescente da série padronizada da produção de energia HEF. ... 39

Figura 25 – Representação do coeficiente de Pearson e coeficiente de determinação entre a precipitação e a produção de energia hídrica. O marcador preto significa que a correlação é estatisticamente significativa (nível de significância superior a 99%), caso contrário o marcador é branco. ... 41

-x-

Figura 26 – Representação do coeficiente de Pearson e coeficiente de determinação entre a precipitação e a produção de energia eólica. O marcador preto significa que a correlação é estatisticamente significativa (nível de significância superior a 99%, o marcador com tamanho maior

indica um nível de significância superior a 95%), caso contrário o marcador é branco. ... 42

Figura 27 – Tal como a Figura 25, mas para a precipitação e a produção de energia fotovoltaica. ... 43

Figura 28 – Compósitos do campo de anomalias da precipitação diária da base de dados Arkin-Xie (mm.dia-1) em Portugal continental, relativos ao período de 1998 a 2012, diferença entre os dois compósitos: (a) anos secos menos anos chuvosos, (b) anos de baixa produção menos anos de alta produção. ... 48

Figura 29 – O mesmo que a Figura 28,mas para a base de dados GPCP. ... 49

Figura 30 – O mesmo que a Figura 28, mas para o campo de anomalias da humidade relativa a 700 hPa (%). ... 50

Figura 31 – O mesmo que a Figura 28, mas para o campo de anomalias da humidade do solo (mm). . 51

Figura 32 – O mesmo que a Figura 28, mas para o campo de anomalias do vento zonal a 500 hPa (m.s -1_{)... 52}

Figura 33 – O mesmo que a Figura 28, mas para a o campo de anomalias do vento meridional a 500 hPa (m.s-1_{). ... 53}

Figura 34 – O mesmo que a Figura 28, mas para o campo de anomalias da temperatura do ar a 500 hPa (ºC). ... 54

Figura 35 – O mesmo que a Figura 34, mas a 700 hPa. ... 55

Figura 36 – O mesmo que a Figura 28, mas para o campo de anomalias da pressão ao nível do mar (hPa). ... 56

Figura 37 – O mesmo que a Figura 28, mas para o campo de anomalias da altura de geopotencial a 500 hPa (m). ... 57

Figura 38 – O mesmo que a figura 28, mas para o campo de anomalias da temperatura da superfície do oceano (ºC). ... 58

Figura 39 - Média anual do índice NAO entre o período de 1950-2012. As setas indicam os valores respetivos por estação de ano para os anos chuvosos. ... 61

Figura 40 – Tal como na Figura 39, mas para os anos secos... 61

Figura 41 – Tal como na Figura 39, mas para os anos de alta produção de energia. ... 62

Figura 42 – Tal como na Figura 39, mas para os anos de baixa produção de energia. ... 62

Figura 43 – Média anual do índice EA entre o período de 1950-2012. As setas indicam os valores respetivos por estação de ano para os anos chuvosos. ... 63

Figura 44 – Tal como na Figura 43, mas para os anos secos... 64

Figura 45 – Tal como na Figura 43, mas para os anos de alta produção de energia. ... 64

Figura 46 – Tal como na Figura 43, mas para os anos de baixa produção de energia. ... 65

Figura 47 – Representação do coeficiente de Pearson e coeficiente de determinação entre a produção de energia e a NAO: (a) valor anual da NAO, (b) valor de inverno da NAO. O marcador preto indica que a correlação é estatisticamente significativa (nível de significância superior a 95%), caso contrário o marcador é branco. ... 68

Figura 48 – Representação do coeficiente de Pearson e coeficiente de determinação entre a produção de energia e da EA (a) valor anual da EA, (b) valor de inverno da EA. O marcador preto indica que a correlação é estatisticamente significativa (nível de significância superior a 99%, o marcador com tamanho maior indica um nível de significância superior a 95%), caso contrário o marcador é branco. ... 70

-xi-

Figura 49 – Gráfico de dispersão entre os índices EA e NAO - média anual dos índices entre o período de 1950-2012 (marcadores com cor cinza indicam anos chuvosos, marcadores com cor branca indicam anos secos)... 71

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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Análise SWOT ... 16

Quadro 2 – Critério adotado para definição do ano, para cada tipo de energia ... 26

Quadro 3 – Síntese das variáveis utilizadas ... 29

Quadro 4 – Critério adotado para definição de inverno ... 30

Quadro 5 – Anos extremos de precipitação ... 39

Quadro 6 – Representação dos anos extremos de precipitação e produção ... 40

Quadro 7 – Representação dos valores de correlação entre a energia HEF vs. Precipitação ... 44

Quadro 8 – Balanço de produção de energia (anos chuvosos-anos secos) ... 46

Quadro 9 – Resultados obtidos na regressão múltipla ... 72

-xv-

LISTA DE ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS

APA – Associação Portuguesa do Ambiente APREN – Associação de Energias Renováveis

CPC/NOAA – Climate Prediction Center/ National Oceanic and Atmospheric Administration DGEG – Direção Geral de Energia e Geologia

EA – Oscilação do Atlântico Este

ECA&D – European Climate Assessment & Dataset EDP – Eletricidade de Portugal

FER – Fontes de Energia Renováveis GEE – Gases com Efeito de Estufa

GPCP – Global Precipitation Climatology Project HEF – Hídrica, Eólica e Fotovoltaica

NAO – Oscilação do Atlântico Norte

NCEP/ NCAR – National Centers for Environmental Prediction/ The National Center for Atmospheric Research

OLT – Oficina Lusíada de Televisão

PORDATA – Base de Dados de Portugal Contemporâneo REN – Rede Elétrica Nacional

RSU – Resíduos Sólidos Urbanos SPF – Sociedade Portuguesa de Física

SWOT – Forças (Strengths), Fraquezas (Weaknesses), Oportunidades (Opportunities) e Ameaças (Threats)

-1-

1.

I

Hoje em dia, a ação humana tem vindo a desencadear um conjunto de problemáticas a nível ambiental. A desflorestação prossegue, a erosão dos solos aumenta, o ar e a água apresentam níveis de poluição crescentes, a biodiversidade diminui dia após dia e as alterações climáticas induzidas pela pressão antropogénica colocam em risco a vida na Terra (Ellis et al., 2010; Liberato et al., 2011a; Varandas, 2009).

Os seres humanos estão a pressionar os ecossistemas com elevados padrões de consumo, sendo o crescimento exponencial da população humana considerado como uma das principais causas de degradação ambiental (Cabral, 2011; Proença e Pereira, 2011; Shariatmadari, 2009). Com a população e crescer a um ritmo exponencial, naturalmente haverá uma maior procura de energia (Pimentel e Pimentel, 2006). A energia, essencial ao desenvolvimento, ao progresso e bem-estar dos povos, é também um recurso natural, cuja utilização tem fortes reflexos ambientais (Fernandes et al., 2009).

A evolução do clima da Terra nas três últimas décadas colocou o problema da mudança climática na agenda internacional. Especialmente a partir da última década do século XX, tornou-se clara uma tendência de aquecimento, ainda moderada mas já acima do nível usual de variabilidade interanual (Miranda et al., 2006). A bacia do Mediterrâneo está entre as regiões onde essa mudança está a ser mais rápida (APA, 2012; Giorgi, 2006; Solomon et al., 2007).

O clima é fortemente influenciado por mudanças de concentrações atmosféricas de diversos gases, que capturam parte da radiação infravermelha proveniente da superfície da Terra e produzem o chamado “efeito de estufa”. Este “efeito de estufa” é um processo natural que mantém a temperatura média da Terra a cerca de 14 ºC. Mas as emissões de gases com efeito de estufa (GEE), resultantes da atividade antropogénica e causas naturais, aumentam a capacidade da atmosfera para absorver radiação infravermelha, alterando a forma como o clima mantém o balanço entre a energia que chega e a que sai da Terra. Entre os GEE mais comuns há que destacar o dióxido de carbono e o metano resultantes do uso e combustíveis fósseis (Fernandes et al., 2009). Devido à problemática das emissões de GEE e das alterações climáticas, há necessidade de gerir de forma eficiente o uso de energias alternativas, sendo fundamental encontrar soluções que permitam potenciar os recursos que temos à disposição.

-2-

Neste sentido, o recurso a energias renováveis tem sido alvo de investimento pois parecem ser uma das soluções mais eficientes e eficazes (Pimentel e Pimentel, 2006; Yüksel, 2010).

Portugal é um país com elevado potencial energético renovável. Contudo, os processos meteorológicos podem condicionar a utilização e o aproveitamento dos recursos renováveis. A água é um recurso natural escasso e um dos mais vitais da terra (Ellis et al., 2010; Yüksel, 2010). A precipitação, termo utilizado em hidrologia que inclui todas as formas de água no estado líquido ou sólido que chegam à superfície da terra, é vista como um dos elementos mais importantes no clima (Alencoão et al., 2002; Peixoto e Oort, 1992). Devido às condições climáticas do tipo mediterrâneo que prevalecem em Portugal, a precipitação no inverno é o fator determinante no ciclo hidrológico. A conceção e gestão de sistemas de irrigação, os sistemas de gestão de abastecimento de água e a produção de energia hidroelétrica são alguns dos sistemas dependentes da variável precipitação (Alencoão et al., 2002; Costa et al., 2012; Santos et al., 2005).

Anos com muita precipitação representam uma contribuição mensurável em termos de balanço hidrológico das bacias hidrográficas e a circulação atmosférica condiciona simultaneamente a precipitação e os regimes de vento. Pressupõe-se, então, que haja impactes positivos no balanço energético, hídrico e eólico em anos com precipitação anomalamente elevada, i.e. acima da média. Por outro lado, a disponibilidade de energia solar diária diminui nestes anos levando a uma diminuição do potencial fotovoltaico, que anulará parte do aumento associado à produção hídrica e eólica. Esta dissertação pretende assim relacionar a ocorrência de extremos de precipitação (anos excecionalmente chuvosos vs. excecionalmente secos) com a produção de energia em Portugal, tentando avaliar de que forma estes extremos contribuem positivamente ou negativamente para o balanço da produção elétrica nacional. Os dados climáticos de Portugal continental sugerem uma tendência para um aumento de eventos meteorológicos extremos na última metade do século XX, sendo comumente associada às mudanças climáticas (APA, 2012; Planton et al., 2008; Santos et al., 2001). A ocorrência de extremos de precipitação tem como consequência inúmeros impactos diretos e indiretos na gestão de recursos hídricos, agricultura, sociedade, economia e produção de energia. A sua relação com mecanismos de circulação atmosférica de larga escala, por exemplo a Oscilação do Atlântico Norte (NAO) é evidente segundo autores como Santos et al. (2007), Santos et al. (2009), Andrade et al. (2011), Vicente-Serrano et al. (2011) e

-3- Extremos da precipitação por ano

hidrológico Produção & potencial hídrico Produção & potencial fotovoltaico Produção & potencial eólico

Andrade et al. (2012). Um outro padrão importante para o Atlântico Norte é a Oscilação do Atlântico Este (EA). Embora não seja objetivo principal do estudo, pretende-se também estudar o papel que a circulação atmosférica de larga escala desempenha na produção de energia elétrica.

Avaliar os mecanismos que de certa forma potenciam a produção de energia renovável é de extrema importância, dada a crescente dependência de Portugal na produção de energia elétrica a partir de energias renováveis o que é ambientalmente e economicamente desejável.

1.1.

O

A presente dissertação tem como principais objetivos:

 Identificar anos hidrológicos extremos (analisar séries de dados (1989-2012) e identificar anos mais chuvosos e mais secos no período 1998-2012);

 Avaliar a influência dos extremos da precipitação na produção de energia hídrica, fotovoltaica e eólica, fazendo um balanço da produção de energias renováveis para anos com extremos da precipitação;

 Analisar mapas de anomalias entre extremos de precipitação e produção de energia;  Relacionar a produção de energia elétrica com padrões de circulação de larga-escala

(NAO e EA);

 Enquadrar o balanço energético nas projeções das alterações climáticas para Portugal continental.

-4-

A dissertação foi organizada em cinco capítulos. O primeiro capítulo diz respeito à introdução do tema, objetivos e contextualização das energias renováveis. No Capítulo 2 são identificadas as metodologias utilizadas para a execução do estudo, assim como a origem dos dados utilizados para o mesmo. Este encontra-se organizado em vários subcapítulos.

No Capítulo 3 é feita a apresentação e discussão de resultados. Este capítulo também se encontra organizado em subcapítulos. No subcapítulo 3.1 é feito o estudo das séries de precipitação, onde são realizadas várias análises estatísticas, tais como valores de precipitação total anual, valores máximos e mínimos e estudo das médias mensais para cada uma das séries. No subcapítulo 3.2 é feita a seleção de extremos de precipitação e produção de energia. No subcapítulo 3.3 são apresentados os resultados do estudo das correlações entre a produção de energia (hídrica, eólica e fotovoltaica) e a precipitação. O subcapítulo 3.4 incidiu sobre o cálculo do balanço energético verificado entre os extremos de precipitação e produção de energia. No subcapítulo 3.5 foram analisados compósitos de anomalias realizados a partir de reanálises. O estudo da correlação entre os padrões de circulação a larga-escala e a produção de energia foi realizado no subcapítulo 3.6. No subcapítulo 3.7 é feito um enquadramento para a produção de energia no âmbito das alterações climáticas. No subcapítulo 3.8 é realizada uma breve análise do impacto económico do sector das energias renováveis em Portugal. O Capítulo 4 contém a síntese global do estudo efetuado, a qual permitiu identificar, de entre os resultados obtidos, os mais significativos. Para finalizar apresentam-se, no Capítulo 5, algumas sugestões para continuação do estudo.

-5-

1.2.

C

P

Os humanos sempre estiveram dependentes da energia. Antes da Revolução Industrial a energia era facilmente aproveitada a partir da queima de madeira (Brown e Skipsey, 1986). Mas se observarmos o comportamento humano a partir da Revolução Industrial, verificamos que o consumo mundial de energia primária tem sido dominado pelo uso de combustíveis fósseis, nomeadamente o petróleo, o gás natural e o carvão, onde temos ido buscar praticamente toda a energia para o desenvolvimento (Ellis et al., 2010; INOFOR, 2002; OLT, 2010). Na Figura 1 encontra-se representado o consumo mundial de energia primária (em milhões de toneladas equivalentes de petróleo) desde 1986 a 2011, onde se pode confirmar a elevada e crescente dependência mundial do uso de combustíveis fósseis. A utilização de carvão tem-se mantido relativamente estável, mas tem aumentado de forma mais marcante desde 2003. Já o consumo através de energias renováveis começa a aumentar a partir de 2000, embora de uma forma pouco significativa comparando com as restantes energias. No panorama mundial, a hidroeletricidade não tem tanta importância como em Portugal, detendo uma pequena fração do total de consumo de energia primária (de notar que a energia hídrica não está representada como energia renovável). Com efeito, a nível mundial, a energia nuclear tem tanta importância como a energia hídrica e desde 1986 que o consumo destas energias tem sido relativamente constante. A utilização de gás natural e do petróleo tem tido uma evolução significativa, no entanto nota-se um ligeiro aumento na última década, à semelhança do carvão. O consumo de energia mundial recorrendo ao uso de combustíveis fósseis corresponde à maior fração no total de consumo mundial de energia e tem-se acentuado um pouco nos últimos anos. A este resultado não é alheio o rápido desenvolvimento dos países emergentes (e. g. China, Índia e Brasil), com fortes procuras e consumos energéticos. Esta é de facto uma evolução recente muito preocupante do ponto de vista ambiental, até porque estes países mantêm valores de consumo per capita muito inferiores aos de países como os EUA, colocando fortes entraves às negociações ambientais, nomeadamente nas conferências do clima.

-6-

Estas fontes de energia não renováveis começaram por ter um baixo custo e podem ser facilmente utilizadas em edifícios, na indústria, nos transportes e eletricidade, daí a sua ampla utilização (OLT, 2010). Mas a natureza tem limitações, tal como, o facto de esta não ser capaz de repor em tempo útil os recursos fósseis que tão depressa estamos a gastar (fontes esgotáveis). Desde os anos 80 que a taxa de extração é superior à taxa de descoberta de reservas petrolíferas, o que evidencia a insustentabilidade dos consumos energéticos atuais e a necessidade premente de mudança do paradigma energético a nível mundial (Collares-Pereira, 1998; OLT, 2010).

Portugal é um país fortemente dependente de recursos energéticos importados, nomeadamente petróleo bruto, carvão e gás natural. Entre 1999 e 2009, a dependência da União Europeia (UE-27) em energia importada aumentou, atingindo 53,9% em 2009. O nosso país importa cerca de 80,9% da energia que consome – 6000 M €/ano de importações, e tem um dos piores níveis de eficiência dos 27 estados membros na utilização de energia (Collares-Pereira, 1998; Fernandes et al., 2009; OLT, 2010; PORDATA, 2012).

O constante aumento do uso de combustíveis fósseis, associado ao aumento do custo do petróleo bruto ocorrido na década de 70 e que se tem vindo novamente a intensificar nos

-7-

últimos anos e as preocupações ambientais associadas à sua utilização (emissões de dióxido de carbono e de outros poluentes), são alguns dos fatores que levam a que exista interesse na sua substituição por fontes renováveis (INOFOR, 2002). As fontes de energias renováveis têm ganhado uma crescente importância nos mercados energéticos europeus e globais, devido a vários benefícios associados à sua utilização: diminuição das importações; diversificação das fontes de produção e portanto menor vulnerabilidade; contribuição para um desenvolvimento sustentável e garantia da segurança e abastecimento nacional (REN, 2006). Com claras vantagens sobre os combustíveis fósseis relativamente à emissão de poluentes, as energias renováveis representam apenas uma pequena parte do consumo total de energia em Portugal (INOFOR, 2002; Pimentel e Pimentel, 2006; Resch et al., 2008). Em 2011, segundo dados consultados no portal da PORDATA (Base de Dados de Portugal Contemporâneo), apenas 22,8% do consumo de energia primária teve origem em fontes renováveis (ver Figura 2). Já o petróleo é largamente dominante, ainda suportando quase metade do consumo de energia em Portugal. O gás natural isoladamente tem um suporte semelhante ao de todas as fontes renováveis. O carvão, comparativamente com outros países desenvolvidos não tem uma proporção muito elevada no “blend” energético nacional.

-8-

Ao contrário do que habitualmente se julga, Portugal é um país rico em recursos energéticos renováveis. São inúmeras as opções desde a água, o sol, o vento, biomassa e até a geotermia. Esta última muito importante no arquipélago dos Açores, em consequência da sua localização junto da Crista Médio Atlântica, localização geo estrutural que favorece a geotermia (Fernandes et al., 2009; REN, 2006). No entanto, a geotermia não é considerada no estudo por ser economicamente inviável em Portugal continental.

Na Figura 3a encontra-se representada a evolução da potência instalada a partir de FER (Fontes de Energia Renováveis) em Portugal. Note-se aqui que a potência instalada não tem uma relação direta com os consumos analisados anteriormente, nomeadamente porque a gestão da distribuição, armazenamento e comercialização da energia implica alterações entre os padrões de consumo e produção. Como se verá posteriormente, a produção também depende de outros fatores além da potência instalada, nomeadamente de fatores atmosféricos. Entre 1998 e 2003, a potência total instalada a partir de fontes renováveis foi relativamente estável, com a energia hídrica a dominar o panorama nacional renovável. A energia hídrica é considerada uma fonte de energia renovável e endógena. Ao longo da história, as barragens e reservatórios têm sido usados com sucesso na recolha, armazenamento e abastecimento da água para sustentar a civilização (Brown e Skipsey, 1986; Fernandes et al., 2009; Madureira e Baptista, 2002). Mas nem sempre a hídrica é vista como uma fonte de energia renovável, tal como se pode verificar na Figura 1, em que a energia hídrica não aparece incluída nas energias renováveis. Devido às inúmeras vantagens que esta energia possui, algumas apresentadas no Quadro 1, a energia hídrica é considerada renovável no decorrer do presente estudo.

Depois de um período estável, nos últimos anos a potência instalada a partir de FER tem aumentado de forma significativa. Este aumento deve-se sobretudo à energia eólica, que desde 2005 tem tido um crescimento sustentado e significativo. Segundo estatísticas da DGEG (Direção Geral de Energia e Geologia), a potência total instalada nas centrais de produção de energia renovável em 2012 rondava os 10836 MW, com 5539 MW na hídrica e 4450 MW para a eólica (ver Figura 3a). Estas são as energias renováveis com maior destaque em Portugal continental representando mais de 90% (Figura 3c) da potência total de energias renováveis instalada (DGEG, 2012). Seguido da energia hídrica e eólica, temos a biomassa, a fotovoltaica, os resíduos sólidos urbanos (RSU) e o biogás.

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A biomassa destaca-se pelo papel importante como combustível, assumindo relevo atual na sua transformação em eletricidade. As centrais a biomassa destacam-se pela capacidade de poderem produzir energia quando esta é necessária, uma vez que a biomassa pode ser armazenada. Ao longo dos últimos anos tem havido uma evolução positiva na potência instalada, embora com apenas 4% do total de potência instalada (Figura 3c). Perspetiva-se um aumento do uso da biomassa, devido ao interesse de comercialização de tecnologias que permitem obter, directamente a partir da floresta, biocombustíveis líquidos (Fernandes et al., 2009). Atualmente a biomassa é a terceira fonte renovável em Portugal, claramente acima da fotovoltaica (Figura 3b, c). Algumas dificuldades com a obtenção de matéria-prima para esta fonte de energia, nomeadamente a escalada dos preços dos produtos e coprodutos agrícolas, têm criado alguns entraves à sua expansão nos últimos anos.

A energia solar fotovoltaica, que permite a conversão direta da energia solar em eletricidade (por meio do efeito fotoelétrico) é a quarta fonte renovável em Portugal. Atualmente a Europa é o grande centro dinamizador da investigação, produção e instalação destes sistemas (Fernandes et al., 2009). Em Portugal tem havido uma evolução significativa na capacidade instalada destes sistemas, principalmente a partir de 2006. Em 2012 representava apenas 2% da potência instalada a partir de FER, valor conservador tendo em conta o potencial nacional de recursos solares (Figura 3b e c). A maior limitação desta fonte renovável continua a ser baixa eficiência de produção energética das células fotovoltaicas existente no mercado (tipicamente <20%). Algumas tecnologias mais avançadas permitem eficiências muito superiores (cerca de 40%), mas ainda são incomportáveis em termos de custos de instalação e manutenção (SPF, 2012).

A produção de energia a partir de RSU, também denominada biogás de aterro, resulta da degradação biológica dos RSU, dos quais resulta um efluente líquido e um gasoso (biogás). Aplica-se para produção de energia elétrica e térmica, sendo que a primeira pode ser usada para consumo próprio, ou para vender à rede elétrica, e a segunda pode ser aproveitada para aquecimento de águas sanitárias (Fernandes et al., 2009). A potência instalada em RSU tem sido estável nos últimos anos com aproximadamente 90 MW, ocupando assim o quinto lugar (valor de 1998 não disponibilizado pela DGEG). Em 2012, os RSU detêm apenas 1% de potência instalada no total de FER (Figura 3 b e 3c). Embora com uma contribuição pouco significativa para a produção a nível nacional, é importante pois as tecnologias de valorização

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energética de biogás permitem a redução de emissões de metano e contribuem assim, para o cumprimento das metas europeias de emissão de GEE.

O biogás, resultante da decomposição de matéria orgânica, tem um papel importante como combustível, na sua produção em energia elétrica e térmica (Fernandes et al., 2009). A potência instalada para o aproveitamento deste recurso tem evoluído, principalmente a partir de 2006 (Figura 3b). Em 2012, o biogás ocupa assim o último lugar com apenas 1% de potência instalada no total de FER (Figura 3b e 3c).

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Figura 3 – Evolução da potência instalada das centrais de produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis: (a) representação de todas as energias em Portugal continental, (b) representação das energias menos significativas e (c) fração da potência instalada a partir de fontes renováveis em 2012.

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Verifica-se que a produção total de energias renováveis é fortemente dependente da variação da hidroeletricidade, dado que esta representa uma parte significativa da produção total de eletricidade em Portugal (ver Figura 4a). De salientar aqui a clara distinção entre a potência instalada e a produção efetiva de energia. Nos últimos anos tem-se verificado um aumento muito significativo na produção total de energias renováveis, maioritariamente devido à produção de energia eólica. A produção de energia a partir da biomassa, RSU, fotovoltaica e biogás é muito baixa, tal como se pode confirmar com a observação da Figura 4b. Estes resultados estão em linha com as potências instaladas (Figura 3). Note-se que a produção total renovável tem um grande paralelismo com a produção hídrica total, apresentando uma forte variabilidade interanual, o que sugere uma relação significativa com as precipitações anuais. Mais especificamente, no ano de 2012 verificou-se uma quebra na produção total de energia elétrica a partir de FER. Segundo a DGEG a produção diminuiu 17%, relativamente a 2011. Para esta quebra contribuiu fortemente o comportamento da energia hídrica que decresceu 46% em 2012, devido à pouca precipitação que se verificou nesse ano. Já a produção de energia eólica cresceu 11% relativamente a 2011 e a fotovoltaica 36% (DGEG, 2012). Apenas no ano de 2012 a produção de energia eólica foi superior à produção de energia hídrica e contribuiu com 32% para a produção de energia elétrica em Portugal continental. Este facto é particularmente notório, até porque a eólica representou cerca de 50% da produção de energia renovável total. Estas duas energias contribuíram com mais de 80% da produção renovável nacional. A biomassa representou 13% da geração de energia renovável, os RSU e a fotovoltaica apenas 2%, o que demonstra que Portugal não tem potenciado o aproveitamento destas fontes de energia. Por último, o biogás representou apenas 1% no total de renováveis (Figura 4c). Estes dados são bastantes elucidativos da importância da precipitação na determinação das produções de energias renováveis em Portugal e nas contribuições relativas para a produção total renovável nacional.

Devido à grande importância que a energia hídrica tem desempenhado em Portugal, vai ser dado um maior destaque a esta fonte de energia ao longo da dissertação. O principal objetivo do estudo prende-se com a necessidade de quantificar o balanço de produção em função da precipitação, em virtude da grande influência que esta aparenta ter na produção de energia renovável em Portugal.

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Figura 4 – O mesmo que a figura 3, mas para a produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis.

Pelo exposto, conclui-se que a produção hidroelétrica tem um papel fundamental no balanço energético nacional total e renovável. Em Portugal, a utilização da energia hídrica inicia-se apenas na última década do século XIX, a evolução da potência instalada encontra-se representada na Figura 5 (Madureira e Baptista, 2002). A partir de 1930 inicia-se o aproveitamento da energia potencial e cinética da água dos rios para a produção de eletricidade, tendo como objetivo o desenvolvimento industrial e económico do país. Na década de 50 atingiu-se o auge com a construção dos grandes aproveitamentos hidroelétricos com albufeiras de grandes capacidades de regularização. As décadas de 70 e 80 são assinaladas por elevadas taxas de crescimento dos consumos de eletricidade, resultado não só do desenvolvimento económico, mas também da eletrificação em superfície e do choque dos preços do petróleo dos anos 70. A produção hidroelétrica volta a ganhar interesse, constatando-se em Portugal o desenvolvimento de know-how específico na área de projecto, construção e exploração de aproveitamentos hidroelétricos (Madureira e Baptista, 2002). Desde 2005 que a evolução de potência instalada tem sido estável, tal como se pode verificar

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na Figura 3. A entrada em funcionamento da barragem do Alqueva contribuiu significativamente para o aumento recente da potência instalada.

Figura 5 – Evolução da potência hidroelétrica instalada em Portugal (REN, 2006).

A energia hídrica pode ter um duplo papel de produção direta de eletricidade e de regulador global do sistema elétrico, em momentos em que a oferta exceda a procura (por exemplo, durante a noite), através da instalação de bombagem e de grupos reversíveis, bem como no aumento da capacidade atualmente instalada (Fernandes et al., 2009). Das inúmeras vantagens que a energia hídrica proporciona apresenta-se em síntese uma análise SWOT (Quadro 1):

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Quadro 1 – Análise SWOT

Pontos fortes Pontos fracos Forças Fraquezas

Interna

Fonte renovável endógena com pouca emissão de gases nocivos e poluentes e elevado rendimento energético de 80 a 90%.

Inundação de território com

potenciais perdas de habitat e custos sociais, no caso de grandes

albufeiras. Capacidade de armazenamento

(reserva) de energia e satisfação de pedidos de consumo na base e em pontas (fator de estabilização e fiabilidade da rede devido à sua resposta rápida).

Impactes no regime e qualidade dos rios, na migração de peixes, retenção de material sólido e risco a jusante potencialmente acrescido.

Custos de exploração relativamente reduzidos, tecnologia fiável e tempo de vida útil longo.

Eventual conflito com zonas protegidas (dificuldades no licenciamento).

Gama intensa de potência instalada (nível local a nacional) e dimensões de obra muito variadas (grandes barragens e pequenos açudes).

Albufeiras com fins múltiplos quando possíveis.

Tempo de implementação relativamente longo.

Oportunidades Ameaças

Externa

Criação de novas empresas para trabalharem neste ramo e criação de mais postos de trabalho.

Concorrência com outras energias renováveis, nomeadamente a eólica que está em grande desenvolvimento. Criação de cursos especializados na

área e desenvolvimento de tecnologia. Investimentos iniciais elevados.

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A grande parte da produção hidroelétrica pertence à EDP (Eletricidade de Portugal) e está maioritariamente concentrada nas regiões centro e norte do país, tal como se pode observar na Figura 6.

Figura 6 – (a) Localização geográfica dos aproveitamentos hidroelétricos, (b) precipitação média anual em Portugal continental (EDP, 2012; IPMA, 2012).

Em Portugal, as regiões do centro e do norte do país oferecem melhores condições de produção de energia elétrica que as restantes regiões, dado as características das bacias hidrográficas relativamente ao relevo e hidrografia. Verifica-se que a elevada variabilidade espacial é uma das singularidades mais notórias do regime de precipitação em Portugal. A análise espacial baseada nas normais de 1961/90 mostra que a precipitação média anual tem valores mais altos no Minho e Douro Litoral e valores mais baixos no interior do Baixo Alentejo. Por esta razão, as regiões Norte e Centro do país têm um maior potencial hidroelétrico. Os primeiros empreendimentos foram realizados no norte, apenas algumas décadas depois se começou a explorar o potencial hidroelétrico do sul do país (IPMA, 2012; Oliveira e Leite, 2003).

-18-

A importância da produção hidroelétrica tem variado nos últimos anos. Os distritos que têm maior produção de energia elétrica a partir de FER são: Viseu, Coimbra, Vila Real, Bragança, Castelo Branco, Viana do Castelo e Braga. De realçar o distrito de Bragança que tem sido o distrito com uma maior produção de energia a partir de renováveis, muito por conta das várias barragens instaladas no Douro. Embora em 2012 Viseu tenha alcançado valores superiores a Bragança, aqui justificáveis pela importância dos parques eólicos instalados neste distrito (DGEG, 2012). Através da análise do gráfico da Figura 7, verifica-se que a variabilidade interanual é muito semelhante entre os vários distritos, o que deixa antever o papel determinante da precipitação nas produções nacionais, independentemente da região.

Figura 7 – Evolução da energia elétrica produzida através de renováveis, por distritos de Portugal continental.

A variabilidade das FER depende da produção de energia hídrica e esta, por sua vez, depende da precipitação anual, tal como se pode verificar na Figura 8, onde está representada a variação trimestral da produção de energia da grande hídrica (não estão disponíveis valores

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trimestrais de hídrica total) e da precipitação. Os valores de produção de energia hídrica apresentam oscilações significativas entre anos secos e chuvosos. Os anos de grande produção de energia elétrica, são os anos de maior precipitação como por exemplo 2010 e 2011. O mesmo acontece em anos de baixa produção de energia elétrica, como por exemplo 2005 e 2009, que são dois dos casos mais acentuados que ocorreram. Claramente se verifica que a produção de energia elétrica alcançou valores máximos nos anos chuvosos, devido à grande importância que a hídrica representa no total de energia produzida. Posto isto, foi calculada a correlação entre a precipitação e a produção da grande hídrica. Foi obtido um valor estatisticamente significativo (nível de significância superior a 99%) entre a precipitação e a produção da grande hídrica, com um coeficiente de Pearson de 0,65 e um coeficiente de determinação de 42%. O elevado valor de correlação obtido reforça mais uma vez a importância que a precipitação desempenha na produção de energia hídrica.

Figura 8 – Variação trimestral da produção de energia elétrica da grande hídrica (GWh) e da precipitação (mm).

Em Portugal a relação entre a precipitação e a produção de energia hídrica é sem dúvida evidente. Por sua vez, a precipitação está relacionada com a circulação atmosférica de larga escala (Liberato et al., 2012). A Oscilação do Atlântico Norte (NAO) é um dos mecanismos evidentes segundo autores como Hurrell (1995), Santos et al. (2007), Santos et al. (2009), Andrade et al. (2011), Vicente-Serrano et al. (2011) e Andrade et al. (2012). A NAO está relacionada com a variabilidade da pressão ao nível do mar no Atlântico Norte. O padrão

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espacial da NAO consiste num dipolo, com orientação aproximada Norte/Sul, com um dos centros localizado sobre a Islândia e o outro, de sinal oposto, na zona dos Açores. A NAO tem uma grande influência nas condições meteorológicas da Europa e na parte leste da América do Norte, nomeadamente na temperatura à superfície, precipitação e vento. Como resultado, a variabilidade da NAO tem impactos muito importantes nos recursos hídricos em Portugal. A fase positiva da NAO significa que uma depressão intensa na Islândia tende a ocorrer com um anticiclone forte nos Açores. Esta fase está associada a anos com uma menor precipitação em Portugal. Por outro lado, a fase negativa da NAO significa uma depressão fraca na Islândia e tende a ocorrer com um anticiclone fraco nos Açores (Figura 9). Esta fase está associada a um deslocamento para sul da trajetória das depressões no Atlântico Norte, à ocorrência de tempestades extremas com elevados impactos socioeconómicos na Península Ibérica e a anos com uma maior precipitação em Portugal (Liberato et al., 2011b; Liberato et al., 2013). Nos últimos anos houve um grande número de estudos no sentido de perceber a influência que a NAO tem na Península Ibérica (Barnston e Livezey, 1987; Cullen et al., 2002; Hurrell, 1995; IPMA, 2012; Peixoto e Oort, 1992; Qian et al., 2000; Rodríguez-Puebla et al., 1998; Santos et al., 2007; Trigo et al., 2002a; Trigo et al., 2002b; Ulbrich et al., 1999; Wibig, 1999).

Um outro padrão importante para o Atlântico Norte é a Oscilação do Atlântico Este (EA), estruturalmente semelhante à NAO. O padrão do EA consiste num dipolo norte-sul de centros de anomalias que abrangem todo o Atlântico Norte, de este a oeste (Figura 10). Os centros de anomalias do padrão EA são deslocados a sul-este dos centros aproximados do padrão da NAO (deCastro et al., 2006; Rodríguez-Puebla et al., 1998; Rodríguez-Puebla et al., 2001). Valores positivos do índice EA estão associados com a precipitação anomalamente elevada na Península Ibérica. Segundo Trigo et al. (2013), durante a predominância da NAO na fase positiva, o índice do EA é caracterizado por valores negativos à exceção de dezembro. Nesta dissertação serão avaliadas as relações entre estes índices de teleconexão, a precipitação e produção energética em Portugal (Secção 3.6).

-21-

Figura 9 – Representação da NAO nos meses de janeiro, abril, julho e outubro, fase positiva (NOAA, 2012).

-23-

2.

D

M

2.1.

M

A análise deste trabalho vai-se limitar a três séries cronológicas de precipitação, registadas em três estações meteorológicas (ver Figura 11), pertencentes ao Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA): Bragança (latitude 41º 48' N, longitude 6º 44' W e altitude 690 m), Lisboa (latitude 38º 43' , longitude 9º 8' e altitude 77 m) e Beja (latitude 38º 4', longitude 7º 55' e altitude 194 m) (IPMA, 2012). Estas estações são representativas do país, assegurando uma cobertura razoável do território nacional, pois Bragança situa-se no norte, Lisboa no centro e Beja no sul de Portugal (Santos et al., 2007). Inicialmente foi ponderada a utilização de outras séries, mas dado o elevado número de dados em falta, optou-se por utilizar apenas as três referidas.

Figura 11 – Representação da localização das estações meteorológicas em estudo.

Os valores de precipitação foram fornecidos pelo projecto European Climate Assessment & Dataset (ECA&D) (ECA&D, 2012; Klein Tank et al., 2002). Os valores disponibilizados são

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diários pelo que foi necessário realizar um tratamento estatístico que possibilitou a posterior seleção dos anos extremos. A partir desta série de valores foram elaborados séries de precipitação mensal acumulada, cálculo da média mensal, valores máximos e mínimos de precipitação, amplitude, entre outras características. Posteriormente foi calculado o valor da precipitação anual de cada série e a precipitação anual média das três estações meteorológicas. Os extremos de precipitação considerados dizem respeito à precipitação anual média das três estações meteorológicas. Consideram-se anos chuvosos os cinco anos com maior precipitação e secos os cinco anos com menor precipitação.

Os anos referidos nas séries de precipitação ao longo deste texto referem-se a anos hidrológicos ou seja, com início a 1 de outubro de um determinado ano e fim a 30 de setembro do ano seguinte. O período analisado compreende 22 anos (1990-2012). Foi também realizado um estudo à parte considerando os anos civis, mas só considerados nas correlações entre a produção de energia eólica e fotovoltaica e no cálculo do balanço.

2.2.

M

O apuramento de extremos de produção resulta da recolha inicial de dados de produção de energia e potência instalada, provenientes de relatórios da DGEG (Estatísticas Rápidas – 2005 a 2012). Tendo a presente dissertação sido desenvolvida no decorrer do ano letivo de 2012/13, os dados históricos mais recentes diziam respeito ao ano de 2012. No entanto estes dados são provisórios, apesar de serem considerados no estudo de modo a abranger um intervalo temporal maior.

As fontes de energia renovável consideradas foram a hídrica, a eólica e a fotovoltaica. Quando é feito o estudo considerando as três fontes de energia é utilizado o acrónimo HEF (hídrica, eólica e fotovoltaica), de forma a simplificar a escrita. Os valores de produção de energia e potência instalada disponibilizados são anuais (anos civil). Os dados foram normalizados de acordo com o rácio produção de energia e potência total instalada (produção de energia hídrica dividida pela potência instalada hídrica, e.g.). A potência instalada na hídrica total não tem tido muitas variações nas últimas décadas, o mesmo não se verificou na potência instalada da eólica, em que a evolução tem sido significativa nos últimos anos tal como se verificou no subcapítulo 1.2. Se a potência instalada é superior logicamente a

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produção de energia também é maior, daí este procedimento. De notar que a partir desta secção quando se refere produção de energia, a série utilizada é o rácio da produção de energia e potência total instalada. Por uma questão de uniformização de valores, a série estudada foi padronizada considerando média nula e variância unitária e encontra-se representada na Figura 12. Posteriormente, foram selecionados os anos de maior e menor produção de energia HEF, cujo objetivo foi a verificação da concordância entre anos extremos de precipitação e extremos de produção de energia HEF.

Figura 12 – Representação da série padronizada de produção de energia HEF.

2.3.

C

HEF

O passo seguinte foi determinar a correlação entre a produção de energia renovável e a precipitação. Foram considerados valores anuais (ano civil) de produção de energia renovável e valores anuais totais de precipitação desde 1998 a 2012 (15 anos). Optou-se pela escolha do ano hidrológico de precipitação para o cálculo da correlação da energia hídrica e energia HEF (soma da produção de energia hídrica, eólica e fotovoltaica), dado que o volume das recargas das barragens durante o inverno contribui para a produção de energia hidroelétrica durante as

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estações seguintes. Para as restantes energias optou-se pelo ano civil de precipitação. Este procedimento encontra-se esquematizado no Quadro 2.

Quadro 2 – Critério adotado para definição do ano, para cada tipo de energia

Ano Energia

Renovável Civil Hidrológico

Hídrica ×

Eólica ×

Fotovoltaica ×

HEF ×

Por uma questão de uniformização, a série de precipitação estudada também foi padronizada considerando média nula e variância unitária e encontra-se representada na Figura 13. Pela análise da figura é de esperar que os valores mais significativos se obtenham entre a produção de energia hídrica, HEF e precipitação.

Nesta análise é calculado o coeficiente de correlação de Pearson (R de Pearson). Este coeficiente mede o grau de correlação entre duas variáveis. No entanto, o cálculo de

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correlação depende do número de dados considerados na série em estudo, notando que a série em estudo é muito pequena. De modo a facilitar a representação gráfica, optou-se por colocar um marcador preto quando a correlação é estatisticamente significativa, caso contrário o marcador é branco. É também calculado o coeficiente de determinação (R2, que indica a percentagem da variância de uma variável explicada pela outra. Os resultados obtidos são apresentados através de figuras no capítulo 3. Os resultados obtidos estão presentes no anexo I, estão representados os resultados mais em detalhe das análises de correlação.

2.4.

C

Um dos objetivos específicos do estudo é calcular o balanço de produção de energia (série produção a dividir por potência) para perceber os efeitos dos extremos de precipitação na produção de energia renovável. Para o cálculo do balanço de energia em função da precipitação utilizou-se a seguinte fórmula:

em que representa o balanço em função da precipitação, a

diferença entre produção média de energia nos cinco anos mais chuvosos e nos cincos anos mais secos e

representa a produção média de energia no período de estudo (1998 a

2012). A título de comparação foi realizado o mesmo cálculo, mas para os anos civis.

Foi também calculada uma estimativa de custo de energia ao contribuinte. Para isso foram utilizados valores de preço da energia de 0,1405 (€/kWh), disponibilizados pela EDP, para uma potência média contratada entre os 3,45 kVA e os 6,9 kVA e um tarifário simples. Para o cálculo do custo de energia utilizou-se a seguinte fórmula:

- 28 -

em que representa o custo de energia ao contribuinte, representa o balanço

em função da precipitação,

representa a produção média de energia (GWh) no

período de estudo (1998 a 2012) e é o preço de energia considerado pela EDP.

2.5.

V

De forma a identificar anomalias associadas aos anos extremos de precipitação e produção de energia foram realizados mapas. Os mapas foram obtidos através de reanálises obtidas do NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/ The National Center for Atmospheric Research). A principal vantagem do uso de reanálises é analisar várias variáveis a vários níveis, com imagens que abrangem áreas com dimensões continentais. Neste trabalho foram utilizados compósitos de anomalias, aos quais foram retiradas as respetivas médias climáticas. Para a realização destes compósitos foram considerados anos hidrológicos de menor precipitação e de maior precipitação. O volume das recargas das barragens durante o inverno contribui para a produção de energia hidroelétrica durante as estações seguintes, e como a energia hídrica tem um maior peso na produção de energia HEF, adotou-se por este procedimento. Para a realização dos compósitos de produção foram considerados anos civis de menor e maior produção, dado que a série compilada considera anos civis. Foram também realizados compósitos para os anos civis, presentes no Anexo II, a termo de comparação com os anos extremos de precipitação. Foram consideradas as variáveis apresentadas no Quadro 3:

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Quadro 3 – Síntese das variáveis utilizadas

Nome Unidades Nível Resolução

Precipitação mm.dia-1 Superfície 2,5° latitude × longitude

Humidade relativa % 700 hPa 2,5° latitude × longitude

Humidade do solo mm Superfície 0,5° latitude × longitude Temperatura da superfície do

oceano

°C Superfície 2,0° latitude × longitude Temperatura do ar °C 500 e 700 hPa 2,0° latitude × longitude Pressão ao nível do mar hPa Superfície 2,5° latitude × longitude Altura de geopotencial m 500 hPa 2,5° latitude × longitude Componente zonal do vento m.s-1 500 hPa 2,5° latitude × longitude Componente meridional do vento m.s-1 500 hPa 2,5° latitude × longitude

Na precipitação foram consideradas duas bases de dados: Arkin-Xie (Xie e Arkin, 1997) e GPCP (Global Precipitation Climatology Project).

Os dados obtidos foram exportados e tratados com o programa Panoply1_{. Devido à falta de}

dados de duas variáveis (humidade do solo e temperatura da superfície do oceano) foram exportadas imagens diretamente disponibilizadas pelo portal do NCEP/NCAR.

2.6.

C

Na parte final do estudo foram realizados diagramas de caixa onde se observa o valor médio por estação de ano (DJF – inverno, MAM – primavera, JJA – verão e SON – outono) do índice

da NAO. Nos diagramas de caixa encontram-se indicados por setas os valores médios por estação de ano, nos anos extremos de precipitação e de produção, respetivamente. Estudo similar foi realizado para a EA. O intervalo temporal considerado é de 1950 a 2012 (anos hidrológicos). Na fase final do estudo recorremos à análise de correlação entre os padrões de teleconexão da NAO e EA (valores anuais e índice de inverno) com a produção de energia. Para o cálculo dos valores anuais da NAO e da EA adotou-se o mesmo critério presente no Quadro 2. Para o cálculo dos valores do índice de inverno adotou-se o critério presente no Quadro 4.

- 30 -

Quadro 4 – Critério adotado para definição de inverno

Inverno Energia Renovável DJF JFM Hídrica × Eólica × Fotovoltaica × HEF ×

O método do cálculo de correlação utilizado é igual ao realizado na secção 3.3. Os resultados obtidos são apresentados nos anexos III, IV, V e VI. Os valores do índice da NAO e EA são disponibilizados pelo Climate Prediction Center/ National Oceanic and Atmospheric Administration (CPC/NOAA).

-31-

3.

A

D

R

3.1.

E

3.1.1.ANÁLISE DA SÉRIE MENSAL

Na fase inicial do estudo das séries de precipitação, foi realizado um udograma mensal por estação meteorológica, representados na Figura 14. Este resulta da sobreposição dos valores da precipitação mensal acumulada. Verifica-se a variabilidade da precipitação mensal e também a presença de uma variação sazonal. Registam-se valores máximos acentuados nos meses de inverno, e valores mínimos de precipitação nos meses de verão. Para a série que estamos a analisar podemos afirmar que em Bragança, Lisboa e Beja, a precipitação média mensal é de 64 mm, 66 mm e 47 mm. O valor máximo registado em Bragança é de aproximadamente 364 mm e verificou-se em Março de 2001. O máximo de 376 mm registou-se em Novembro de 1997 em Lisboa e ultrapassa a precipitação total acumulada durante o ano mais seco desta estação meteorológica (2004/05). O valor máximo registado em Beja é de aproximadamente 293 mm e verificou-se em Janeiro de 1996. O valor mínimo registado é de 0 mm, sendo comum em todas as estações meteorológicas, principalmente nos meses de verão, indicando que durante esses meses não se registou precipitação. Lisboa e Beja são as estações que apresentam maior percentagem de meses sem registo de precipitação (Figura 15) com 11% e 18%. A localidade de Bragança apresenta apenas 4%.

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Figura 14 – Udograma mensal da precipitação (mm) de Bragança, Beja e Lisboa no período de outubro de 1989 a setembro de 2012.

Figura 15 – Gráfico que representa a fração de meses sem registo de precipitação (%) em Bragança, Lisboa e Beja para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012.

- 33 -

3.1.2.ANÁLISE DA PRECIPITAÇÃO MÉDIA MENSAL

Da análise da Figura 16, constata-se que a precipitação média anual em Bragança é de aproximadamente 775 mm. Em média, o mês de dezembro é o mais chuvoso e regista 124 mm. Contudo, os meses de outubro, novembro e janeiro registam também precipitações médias mensais elevadas de 108 mm, 97 mm e 102 mm. Os meses de julho e agosto são os menos chuvosos do ano, com uma precipitação média mensal de 14 mm e 19 mm, respetivamente.

Figura 16 – Gráfico da precipitação média mensal (mm) em Bragança, para o período de outubro de 1989 a setembro de 2012.

Da análise da Figura 17, conclui-se que a precipitação média anual em Lisboa é de aproximadamente 796 mm. Os meses de outono e inverno são os mais chuvosos. O mês de dezembro é, em média, o mais chuvoso e regista 129 mm. Apesar disso, os meses de outubro e novembro registam também precipitações médias mensais elevadas de 111 mm e 126 mm. Os meses de julho e agosto são os mais secos do ano, com uma precipitação média mensal de 2 mm e 6 mm, respetivamente.

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Figura 17 – Tal como na Figura 16, mas para Lisboa.

A precipitação média anual em Beja é de aproximadamente 575 mm (Figura 18). O mês de dezembro é, em média, o mais chuvoso e regista 104 mm. Outubro é o segundo mês mais chuvoso com 86 mm. O mês de janeiro regista apenas 66 mm. Os meses de julho e agosto são menos chuvosos do ano, com uma precipitação média mensal de 1 mm e 4 mm, respetivamente.