Estudo Comparativo entre Sistema de Produção Clássico e Sistema com Energias Alternativas

Estudo Comparativo entre Sistema de Produção

Clássico e Sistema com Energias Alternativas

Dimensionamento Energético de uma Estação de

Telecomunicações

Jorge Manuel Martins Albano

Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri

Presidente: Professor Doutor Paulo José da Costa Branco

Orientador: Professor Doutor João José Esteves Santana

Vogal: Professor Doutor Rui M. G. Castro

ii

Agradecimentos

Este trabalho significou um novo regresso à vida académica passados quase 10 anos desde a minha licenciatura. Embora especializado no ramo das telecomunicações, sempre gostei da problemática em torno da geração de energia e com esta pós-graduação quis aproveitar a oportunidade e aprofundar esse ramo.

Agradeço assim ao Professor João Santana que após lhe ter exposto o meu interesse em fazer a dissertação na área da energia, disponibilizou-se de imediato como meu orientador, propondo-me um trabalho ainda assim com alguma ligação às telecomunicações. Sempre com boa disposição e disponibilidade, sugeriu-me que frequentasse as aulas de Energia Renováveis do Professor Rui Castro, onde tive a oportunidade de aprender muito sobre esta matéria e ao qual muito lhe tenho a agradecer pelo excelente professor que é.

Agradeço também à minha família, em especial à minha namorada, por acreditarem sempre no meu sucesso dando-me coragem para nunca desistir.

Querendo aproximar este trabalho o mais próximo da realidade possível, quero ainda agradecer aos meus colegas de trabalho (Nokia Siemens Networks) que me disponibilizaram alguma informação e ideias do que poderia fazer.

Não querendo esquecer ninguém, agradeço a todos os que colaboraram para que este trabalho fosse possível.

iii

Resumo

A presente dissertação descreve e dimensiona a concepção física de um sistema de alimentação eléctrico a uma dada aplicação remota que não esteja ligada à rede nacional de energia, como por exemplo uma instalação de telecomunicações.

De forma a encontrar qual a melhor solução, serão analisadas as soluções clássicas de produção de energia versus solução baseada unicamente em energias renováveis. Descreve-se assim a produção das várias energias, clássicas e renováveis, a caracterização da estação remota (SRA4) em termos de consumo e quais as melhores soluções energéticas para a sua alimentação. Com base nos resultados somos levados a estudar em detalhe a produção fotovoltaica, a produção eólica, e as possíveis alternativas de armazenamentos da energia. Combinando estas possibilidades de produção e armazenamento, e confrontando-as também com o fornecimento ligado ao rede nacional eléctrica, ou via central motor diesel, procura-se encontrar assim a melhor solução na perspectiva técnica e económica (Ca, VAL, TIR).

Adicionalmente, e após encontrada a solução ideal, admite-se esta instalada numa habitação a funcionar em Microgeração, tentando-se então perceber em que ano se dá o retorno do investimento.

A elaboração deste trabalho envolveu uma profunda pesquisa a diversos fabricantes de forma a identificar os melhores painéis fotovoltaicos, turbinas eólicas, baterias, e componentes de electrónica de potência de acordo com a arquitectura seleccionada (DC Coupled).

Palavras-chave: Produção Clássica, Energias Renováveis, Sistemas Híbridos, Estação de

Telecomunicações, Eólica, Fotovoltaica, Baterias Estacionárias, DC Coupled, Microgeração

iv

Abstract

The present thesis describes and develops the physical conception of an electrical power supply for a given remote application not connected to the national electrical supplier, as for instance a given telecommunication station.

In order to find the best solution for our system several alternatives will be analyzed as the traditional technology solutions, or solely on renewable energy. It describes the production of the various energies, classical and renewable, the characterization of the remote station in terms of power consumption, and the best energetic solutions for its support. Based on the results we are lead to study in detailed the photovoltaic, wind generation, and the possible alternatives for storing energy. Combining these possibilities of production and storage of energy, also comparing it to the electric network solution supplier, or even by means of using a diesel engine station, we look up to find the best solution from a technical and economical perspective (Ca, VAL, TIR).

In addition, and after found the ideal solution, it is assumed to be installed at a residence house working in Microgeneration, and trying to understand in which year the return of the investment will come.

The realization of this work involved a deeply manufactures research to find out the best photovoltaic panels, wind turbines, batteries, and high power electronic components according with the chosen architecture (DC Coupled).

Key-words: Classic Production, Renewable Energy, Hybrid Systems, Telecommunications

Station, Wind, Photovoltaics, Stationary Batteries, DC Coupled, Microgeneration

v

ÍNDICE

Agradecimentos... ii

Resumo ... iii

Abstract ... iv

Lista de Figuras ... vii

Lista de Tabelas... viii

Lista de Siglas... ix

Lista de Símbolos ... x

1.

Introdução ... xiii

1.1

Estrutura da Dissertação ...xiii

2.

Produção de Energia Eléctrica... 1

2.1

A Produção Eléctrica ... 1

2.1.1 Ciclo Clássico de Produção ... 1

2.1.2 Cadeia Eólica ou Hidráulica ... 2

2.1.3 Cadeia Solar Fotovoltaica ... 3

2.2

Produção Clássica de Energia... 3

2.2.1 Centrais Termoeléctricas... 4

2.2.2 Centrais Nucleares ... 4

2.2.3 Centrais a Gás... 4

2.2.4 Centrais de Ciclo Combinado... 5

2.2.5 Centrais a Motor Diesel... 5

2.3

Fontes de Energia Renováveis ... 5

2.3.1 Eólica ... 6 2.3.2 Hidroeléctrica... 7 2.3.3 Mini-Hídrica ... 7 2.3.4 Oceanos ... 7 2.3.5 Energia Geotérmica... 8 2.3.6 Bio-Energia... 8 2.3.7 Solar ... 9

2.4

Transporte e Distribuição de Energia... 10

2.5

Situação Energética em Portugal... 11

2.5.1 Evolução e Situação Energética ... 11

2.5.2 Custo Médio da Energia Eléctrica ... 13

2.6

Microgeração (Decreto-Lei nº363/2007) ... 14

3.

Caracterização da Estação Remota de Telecomunicações ... 16

3.1

Caracterização do Consumo da Estação Remota... 16

3.1.1 Estação Remota de Telecomunicações... 16

3.1.2 Localização da Estação Remota... 21

3.2

Produção de Energia para a Estação Remota ... 22

3.2.1 Solução Baseada na Produção Clássica ... 22

3.2.2 Solução Baseada em Energias Renováveis ... 23

3.2.3 Armazenamento de Energia... 23

3.2.4 Alternativas Possíveis de Produção... 23

3.3

Potência a ser Instalada na Estação Remota ... 24

4.

Produção de Energia Fotovoltaica... 26

4.1

Utilização de Tracker’s ... 26

4.2

Selecção de Painéis Fotovoltaicos ... 26

4.3

Utilização Anual da Potência e Estimativa do Número de Painéis ... 28

4.4

Modelo Matemático da Célula Fotovoltaica... 29

4.4.1 Desenvolvimento do Modelo 1D+3P... 30

4.4.2 Aplicação do Modelo 1D+3P a Módulos/Painéis Fotovoltaicos ... 35

4.4.3 Cálculo Simplificado da Energia em Módulos/Painéis Fotovoltaicos... 36

4.4.4 Estimativa Rápida da Energia Produzida em Módulos Fotovoltaicos... 37

4.5

Estimativa da Radiação Solar Média e Temperatura Mensal... 38

vi

4.6.1 Estação Remota Localizada em São Pedro Velho, Mirandela ... 39

4.6.2 Outras Localizações da Estação Remota de Telecomunicações... 41

4.7

Balanço Mensal Energético na Estação de São Pedro Velho, Mirandela... 41

5.

Produção de Energia Eólica... 43

5.1

Utilização Anual da Potência Eólica... 43

5.2

Selecção da Turbina e Estimativa da Energia Eólica ... 44

5.3

Estimativa Rápida da Energia Produzida por um Gerador Genérico... 46

5.4

Energia Mensal e Anual Produzida nas Estações Remotas... 47

5.4.1 Modelo de Vento Quase-Estacionário... 48

5.4.2 Estimativa do Perfil de Ventos nas Diversas Estações... 50

5.4.3 Rugosidade do Solo (Lei de Prandlt) ... 52

5.4.4 Energia Eólica Mensal e Anual Produzida nas Estações ... 52

5.5

Balanço Mensal Energético na Estação de São Pedro Velho, Mirandela... 55

6.

Dimensionamento do Sistema ... 56

6.1

Sistemas de Armazenamento de Energia... 56

6.1.1 Energia Potencial da Água... 56

6.1.2 Pilhas de Combustível... 57

6.1.3 Banco de Baterias ... 59

6.2

Selecção das Baterias a Utilizar ... 64

6.3

Arquitectura do Sistema e Electrónica de Potência... 64

6.3.1 Arquitectura AC-Coupled... 64

6.3.2 Arquitectura DC-Coupled ... 65

6.3.3 Selecção da Arquitectura ... 66

6.4

Determinação das Perdas no Sistema... 68

6.5

Dimensionamento das Baterias ... 69

6.6

Dimensionamento do Sistema Híbrido... 70

6.6.1 Energia Mensal Requerida pelo Sistema... 71

6.6.2 Energia Mensal e Anual Produzida nas Estações ... 72

6.6.3 Balanço Mensal Energético na Estação São Pedro Velho, Mirandela ... 73

7.

Avaliação Económica do Projecto... 75

7.1

Introdução Económica ... 75

7.1.1 Modelo Simplificado do Custo Unitário Médio Actualizado... 75

7.1.2 Indicadores de Avaliação de Investimentos (VAL, TIR)... 77

7.1.3 Investimento Inicial Actualizado com Armazenamento... 79

7.2

Sistema Baseado em Energias Renováveis ... 80

7.2.1 Implementação do Projecto em São Pedro Velho, Mirandela ... 80

7.2.2 Solução Híbrida em Substituição dos Repetidores Passivos ... 84

7.2.3 Repetidor Activo sem Protecção Instalado em São Pedro Velho ... 86

7.3

Sistema Baseado na Solução Clássica... 88

7.3.1 Avaliação da Solução Ligação à Rede Pública Eléctrica... 88

7.3.2 Avaliação da Utilização de um Gerador Diesel... 90

7.3.3 Utilização da Linha Eléctrica com Redução do Banco de Baterias ... 91

7.4

Utilização do Sistema Híbrido Dimensionado em Microgeração ... 92

8.

Conclusões... 95

8.1

Perspectivas de Trabalho Futuro ... 97

9.

Referências e Anexos ... 98

9.1

Referências Bibliográficas ... 98

9.2

Anexos ... 99

vii

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Ciclo Clássico de Produção Eléctrica...2

Figura 2.2 – Cadeia Eólica ou Hidráulica de Produção de Electricidade...2

Figura 2.3 – Cadeia Solar Fotovoltaica de Produção Eléctrica ...3

Figura 2.4 – Central de Ciclo Combinado (Gás & Vapor) ...5

Figura 2.5 – Evolução Energética em Portugal por Sectores de Produção ...12

Figura 3.1 – Rede Típica de Telecomunicações Móveis em Microondas ...17

Figura 3.2 – Componentes da Estação Remota de Telecomunicações (SRA4)...18

Figura 3.3 – Repetidor Activo de Telecomunicações com Links STM-1 (SRA4 1+1)...19

Figura 3.4 – Mapa das Localizações das Estações Remotas de Telecomunicações ...22

Figura 3.5 – Energia Consumida Mensalmente na Estação com 30% de Perdas no Sistema...25

Figura 4.1 – Índice kWh/Wp (

h

aexpressa em kh) em Sistemas Fotovoltaicos ...28

Figura 4.2 – Circuito Eléctrico Equivalente de uma Célula Fotovoltaica com Carga Z...30

Figura 4.3 – Curva I-V de Duas Células Fotovoltaicas Diferentes...31

Figura 4.4 – Curva I-V e P-V de Uma Célula Típica de Silício Cristalino, condições STC ...32

Figura 4.5 – Variação da Curva I-V com a Temperatura...33

Figura 4.6 – Variação da Curva I-V com a Radiação...34

Figura 4.7 – Esquema de um Gerador Fotovoltaico Ligado à Rede...37

Figura 4.8 – Energia Média Mensal Produzida por 20 Painéis Fotovoltaicos PV 155-M ...40

Figura 4.9 – Energia Fotovoltaica Necessária/Disponibilizada em Mirandela – 30% Perdas ...42

Figura 5.1 – Utilização Anual Equiv. da Potência Instalada para um Gerador de 2MW ...43

Figura 5.2 – Comparação das Curvas de Potência Entre o Modelo e um Fabricante...46

Figura 5.3 – Curva de Potência da Turbina Whisper 100 ...49

Figura 5.4 – Perfil de Vento Global em Outeiro dos Fiéis (IN_27)...50

Figura 5.5 – Parâmetros Mensais de Weibull em Outeiro dos Fiéis (IN_27) ...51

Figura 5.6 – Perfil de Ventos no mês de Janeiro em São Pedro Velho (Mirandela)...51

Figura 5.7 – Característica de Potência da Turbina Whisper 100 ...53

Figura 5.8 – Energia Média Mensal Produzida por 3 Turbinas Whisper 100, em Mirandela...53

Figura 5.9 – Energia Eólica Necessária e Disponibilizada em Mirandela com 30% de Perdas..55

Figura 6.1 – Representação Esquemática de uma Pilha de Combustível (FC)...57

Figura 6.2 – Esquema Simplificado de uma Célula de Bateria ...60

Figura 6.3 – Tempo de Vida Útil das Baterias com a Profundidade de Descarga ...61

Figura 6.4 – Sistema Híbrido Off-Grid com Arquitectura AC-Coupled ...65

Figura 6.5 – Sistema Híbrido Off-Grid com Arquitectura DC-Coupled ...66

Figura 6.6 – Arquitectura DC-Coupled Híbrida da Estação Remota de Telecomunicações...67

Figura 6.7 – CARGA, Perdas Conv. e Armazenamento no Sistema Híbrido (DC Coupled) ...71

Figura 6.8 – Balanço Mensal Energético em São Pedro Velho no Sistema Híbrido...73

Figura 6.9 – Balanço Energético em S. Pedro Velho com Prod. Mensal acima dos 20% ...74

Figura 7.1 – Variação do VAL com a Taxa de Actualização, Definição do TIR ...78

Figura 7.2 – Distribuição de Custos da Solução Híbrida em São Pedro Velho ...83

Figura 7.3 – Distribuição Energética Anual da Solução Híbrida em São Pedro Velho...83

viii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 – Potência Instalada em Portugal por Sectores de Fontes de Energia [REN 2008] .12

Tabela 2.2 – Preço de aquisição Médio da PRE por Tecnologia [ERSE, 2008]...14

Tabela 2.3 – Percentagem da TUR e Limites de Aplicação Consoante a Tecnologia [Jan09] ...15

Tabela 3.1 – Características Ambientais das Unidades IDU e ODU do Sistema SRA4 ...19

Tabela 3.2 – Consumo Energético das Unidades IDU e ODU do Sistema SRA4...20

Tabela 3.3 – Consumo Energético da Estação Remota de Telecomunicações...20

Tabela 3.4 – Localização das Estações Remotas de Telecomunicações – Norte Oeste ...21

Tabela 3.5 – Alternativas Possíveis de Produção de Energia para a Estação Remota ...24

Tabela 4.1 – Características Técnicas dos Painéis Fotovoltaicos SolarWorld e Renewis...27

Tabela 4.2 – Estimativa da Radiação e Temperatura Média Mensais nas 4 Localizações ...38

Tabela 4.3 – Estimativa Rápida do Modelo (Erro 20%) em São Pedro Velho, Mirandela ...39

Tabela 4.4 – Cálculo Simplificado do Modelo (Erro 2%) em São Pedro Velho, Mirandela...39

Tabela 4.5 – Determinação Exacta do Número Painéis em São Pedro Velho, Mirandela ...40

Tabela 4.6 – Energia Mensal e Anual nas Diversas Localizações da Estação Remota ...41

Tabela 5.1 – Características Técnicas Principais das Quatro Turbinas – Windpower ...44

Tabela 5.2 – Energia Média Mensal Produzida nas Diversas Estações (Whisper 100)...54

Tabela 6.1 – Características de diversos Tipos de Pilhas de Combustível (FC)...58

Tabela 6.2 – Aplicações Diversas das Pilhas de Combustível (FC)...58

Tabela 6.3 – Características Principais da Gama de Baterias Sonnenschein...64

Tabela 6.4 – Características Técnicas Principais do OutbackFlexmax 60 ChargeController...67

Tabela 6.5 – Perdas de Conversão e Armazenamento na Arquitectura DC Coupled...68

Tabela 6.6 – Energia Média Mensal Produzida e Balanço Energético nas Diversas Estações..72

Tabela 6.7 – Energia Média Mensal & Balanço Energético acima dos 20% em Mirandela ...74

Tabela 7.1 – Alternativas Possíveis de Investimento em Energias Renováveis ...81

Tabela 7.2 – Estrutura e Distribuição de Custos da Solução Híbrida em São Pedro Velho...82

Tabela 7.3 – Custos da Solução Híbrida em Esposade e Vilarinho das Furnas ...85

Tabela 7.4 – Custo Estimado do Sistema Activo (SRA4 1+1) Incluindo a Torre Metálica ...85

Tabela 7.5 – Comparação de Investimentos entre Repetidores Passivos e Activos...86

Tabela 7.6 – Consumo Energético do Repetidor Activo sem Protecção (1+0)...86

Tabela 7.7 – Estrutura e Distribuição de Custos do Repetidor Activo sem Protecção ...87

Tabela 7.8 – Tarifa Simples 1,15 kVA de Potência Contratada – Tarifário 2009 ...88

Tabela 7.9 – Geradores a Gasolina e a Diesel do Fornecedor GenPowerUsa ...90

ix

Lista de Siglas

AC Corrente Alterna

AFC Alkaline Fuel Cell

BA Balanço Actualizado

DC Corrente Contínua

DOD Depth of Discharge

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

EDP Energias de Portugal

EOLOS Base de Dados do Potencial Energético do Vento em Portugal

FC Fuel Cell

GSM Sistema Global para Comunicações Móveis

HF Alta Frequência

HRSG Heat Recovery Steam Generator

IDU In-Door Unit

IF Frequência Intermédia

INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação JAVA Linguagem de Programação Orientada a Objectos. MCFC Molten Carbonate Fuel Cell

MIBEL Mercado Ibérico de Energia

MPPT Maximum Power Point Tracker

NOCT Normal Operation Cell Temperature

NSN Nokia Siemens Networks

O&M Operação e Manutenção

ODU Out-Door Unit

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy

PEFC/PEM Polymer Electrolyte Cell / Proton Exchange Membrane

PRE Produção em Regime Especial

PRE-R Produtores em Regime Especial com recursos Renováveis PRO Produção em Regime Ordinário

REN Rede Eléctrica Portuguesa

SHD Synchronous Digital Hierarchy

SOFC Solid Oxid Fuel Cell

SRA4 Split Radio System up to STM-4

STC Standard Test Conditions

STM-1 Synchronous Transport Module level-1

TIR/IRR Taxa Interna de Rentabilidade/Internal Rate of Return TUR Tarifa Única de Referência

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

VAL/NPV Valor Actual Líquido/Net Present Value VRLA Valve Regulated Lead-Acid Batteries

x

Lista de Símbolos

V

T

Tarifa de Venda B H E S

P

P

e

P

P

,

,

Potência Instalada Solar, Eólica, Hídrica e Biomassa

RP

PS

LME

LME

,

Limites Anuais de Energia, Solar e Restantes Produções

E

,

E

_a Energia Horária e Energia Anual

P

Potência a

h

Utilização Anual 2 1

e

f

f

Frequências de Transmissão od Total

E

Pr Energia Anual Total Produzida

Cons a

E

Energia Anual Consumida

Fot a

E

Energia Anual Fotovoltaica

Eol n

P

Potência Nominal Eólica

Fotov p

P

Potência Fotovoltaica de Pico

Eol a

h

Utilização Anual Eólica

Fotov a

h

Utilização Anual Fotovoltaica

p

W

Watt por pico

paineis

N

Número de Painéis

Painel pico

P

Potência de Pico por Painel

S

I

Corrente Eléctrica gerada por Feixe de Radiação Luminosa

D

I

Corrente num Díodo

0

I

Corrente inversa de Saturação num Díodo

V

Tensão

I Corrente

T

V

Potencial Térmico

m Factor de Idealidade do Díodo

K Constante de Boltzmann

T Temperatura em Kelvin

q Carga Eléctrica do Electrão

cc

I

Corrente de Curto-Circuito

ca

V

Tensão em Circuito-Aberto

max

V

,

I

_max,

P

_max Tensão, Corrente e Potência Máxima

inv

η

Rendimento do Inversor

h med

P

Potência Media Horária

r r r cc r ca

I

V

I

V

,

,

max

,

max Tensão e Corrente Referência r

P

_max Potência de Referência

r r

T

,

θ

Temperatura de Referência em Graus e Kelvin

r med

G

G

G

,

,

Radiação Normal, Média e de Referência

r

xi

h Total_fot

E

Energia Total Horária Fotovoltaica

ε Hiato do Silício

SM

N

,

N

_PM Número de Módulos Ligadas em Série, e em Paralelo

Min Eol n

P

− Potência Nominal Eólica Mínima

Eol a

E

Energia Anual Eólica

max 0

,

u

,

u

u

N Velocidade de Corte, Nominal, e Máxima da Turbina c e k, ou a e k Parâmetros de Weibull

e

P

Potência Eléctrica de um Gerador/Turbina

med

P

Potência Média

)

(t

u

Velocidade do Vento Instantânea

)

(t

u

Velocidade do Vento Média em função do Tempo

)

(t

u′

Turbulência do Vento

)

(u

f

Descrição Probabilística de Weibull

)

(u

P

_e Potência Eléctrica em função da Velocidade Instantânea da Turbina 0

, z

z

Altura da Turbina Real, e de Referência

Fot Cons

E

, Eol Cons

E

Energia Fotovoltaica e Eólica Consumida

DC ConvDC p

E

/ Perdas de Energia no Conversor DC/DC

Fot Arm

E

,

E

_ArmEol Energia Fotovoltaica e Eólica Armazenada

ArmFot p

E

,

ArmEol

p

E

Perdas de Armazenamento Fotovoltaica e Eólica

Sist p

E

Perdas totais de Energia no Sistema

Conv p

E

Energia de Perdas de Conversão

cons

E

Energia Consumida para uma dada Autonomia (dias)

Total arm

E

Energia Total a Armazenar (baterias)

dod arm

E

Energia a Armazenar para acautelar a Profundidade de Descarga

Arm p

E

Perdas de Armazenamento

Ban n

V

Tensão Nominal do Banco de Baterias

Ban n

C

Capacidade Nominal do Banco de Baterias

Cel n

C

Capacidade Nominal de uma Célula (Bateria)

ConsSist a

E

Energia Anual consumida pelo Sistema

F ′

,

F

₀ Pagamento Futuro, e Actual (hoje)

a

Taxa de Actualização

a

c

Custo Unitário Médio Actualizado

act

E

Energia Actualizada

t

I

, act t

I

,

V

_r Investimento Total, Actualizado e Valor Residual

omj

d

,

I

_j Despesas de O&M e Investimento no ano j

aj

E

,

h

_aj Energia e Utilização Anual no ano j

a

k

Factor de Actualização no Modelo Simplificado

i

xii

j

R

,

R

_Lj Receita Bruta e Líquida no ano j 1

ano

T

Tarifa no final do Primeiro Ano

cons mêsm

E

Energia Consumida no Mês m Total

T

Tarifa Total i

I

Investimento Inicial bat total

C

Custo Total do Banco de Baterias

DC AC

C

_/ Custo do Conversor AC/DC

Hibrida Total

C

Custo Total da Solução Híbrida

min

L

Distância Mínima que Rentabiliza a Solução Híbrida

lin bat i

I

+ Investimento Inicial da Solução Baterias mais Linha Eléctrica

contr

T

Tarifa da Potência Contratada

bat lin total

xiii

1. Introdução

As estações de telecomunicações são algumas vezes projectadas para locais remotos, muitas vezes elevados e de difícil acesso. A solução convencional para alimentação de energia eléctrica da estação é construir uma linha de distribuição ligando-a ao sistema eléctrico da região. Esta solução, muitas vezes onerosa considerando as distâncias envolvidas e as condições de acesso, fica ainda dependente do grau de fiabilidade do sistema eléctrico da região e da própria linha que, em geral, é bom.

Neste sentido, o trabalho desenvolvido pretende dimensionar um sistema de produção eléctrica de forma a alimentar uma estação remota de telecomunicações que não esteja ligada a rede nacional e que seja técnica e economicamente viável. Para esse efeito procurar-se-á a melhor solução tecnológica confrontando-se a solução clássica de produção de energia eléctrica, face a uma solução baseada exclusivamente em energias alternativas.

Para além da viabilidade económica com energias alternativas procurada neste trabalho, é importante ter em consideração que estas apresentam vantagens ambientais com a redução de gases nocivos para a atmosfera, contribuindo assim para um desenvolvimento mais sustentável da sociedade actual e futura.

1.1 Estrutura da Dissertação

Este trabalho divide-se em 9 capítulos sendo a introdução, em que se inclui este texto, o primeiro capítulo.

O capítulo 2 leva-nos à análise dos vários processos de produção de energia eléctrica e sua aplicação com base em soluções clássicas, ou soluções com energias alternativas. Ainda dentro do mesmo capítulo descreve-se sucintamente a situação energética em Portugal, e a legislação em vigor aplicada à microgeração.

Com a entrada no capítulo 3 começamos por caracterizar a estação remota de telecomunicações e a identificação das várias alternativas possíveis de produção para a sua alimentação.

Somos então levados, após conhecer a nossa carga (estação de telecomunicações), a estudar em detalhe a produção de energia fotovoltaica e a produção de energia eólica, temas abordados nos capítulos 4 e 5, respectivamente. Com base nesse conhecimento, é possível no capítulo 6 dimensionar a concepção física do sistema de alimentação eléctrico a alimentar a nossa estação remota.

Chegamos assim à recta final com a avaliação económica do projecto discutida no capítulo 7. Diversas análises são realizadas do ponto de vista técnico e económico, resultando diversas conclusões concentradas no capítulo 8.

1

2. Produção de Energia Eléctrica

Iniciamos este trabalho com a análise dos vários processos de produção de energia eléctrica e sua aplicação com base em soluções clássicas, ou soluções com energias alternativas (renováveis). Adicionalmente, e de uma forma muito sucinta, são dadas algumas noções de transporte e distribuição de energia, da situação energética em Portugal, e da legislação em vigor aplicada à microgeração, tema hoje tão falado.

2.1 A Produção Eléctrica

A chamada crise energética resulta naturalmente da utilização crescente de matérias-primas cuja transformação permite obter energia. Até recentemente não havia a preocupação com o facto de que os combustíveis fósseis (ex. petróleo) tinham reservas limitadas1. De facto, estes materiais fósseis são renováveis, mas o tempo de formação é de milhões de anos e o seu consumo é cada vez mais elevado, razão por que se consideram não renováveis, pois a capacidade natural de os repor é em geral mais lenta que o seu consumo. Da crescente necessidade de energia resultou o alargamento da utilização ao gás natural, hoje bastante utilizado.

Grande parte da energia eléctrica produzida é consumida na indústria, sendo também largamente utilizada noutras aplicações não industriais. As razões da sua grande utilização derivam da facilidade de a produzir, de a transportar, de a transformar e de a utilizar. Além disso, é não poluente, inodora e sem ruído.

Para a produzir utilizam-se todos os processos conhecidos. A maioria deles resulta de três formas básicas de transformação de energia [7]: a partir da energia potencial e cinética (centrais hidroeléctricas), da energia química (centrais termoeléctricas) e da energia radiante (centrais fotovoltaicas).

2.1.1 Ciclo Clássico de Produção

O ciclo de produção eléctrica mais comum necessita de dispor de uma fonte de calor que permita aquecer água de modo a obter vapor sob pressão. Este vapor de água ao expandir-se numa turbina acciona um alternador que gera electricidade. Depois de turbinada, este vapor é condensado (normalmente designado de condensador) através de uma fonte fria que é, normalmente, uma fonte de água fria (curso de água, mar) ou constituída por torres de arrefecimento. A Figura 2.1 representa o ciclo de produção clássica de electricidade.

2

Figura 2.1 – Ciclo Clássico de Produção Eléctrica

Sempre que o calor libertado pela condensação do vapor de água é recuperado para utilizações de aquecimento, fala-se em cogeração. No caso de se gerarem 3 formas úteis de energia (energia eléctrica, calor e frio) num sistema integrado, fala-se em trigeração.

A fonte de calor clássica é obtida pela combustão de combustíveis fósseis (petróleo, gás, carvão) ou por uma reacção de cisão nuclear em reactores concebidos para controlar a amplitude dessa reacção. Os combustíveis fósseis ou o urânio utilizado nos ciclos clássicos podem ser substituídos por fontes de energia renovável. A fonte de calor pode, então, ser obtida a partir:

• da combustão de biomassa (madeira, biogás, resíduos orgânicos);

• do calor que se encontra nas profundezas do nosso planeta, através da bombagem

directa de água quente para a superfície ou explorando a temperatura elevada das rochas que se encontram no interior do planeta, utilizando água injectada a partir da superfície geotérmica;

• do sol, concentrando os seus raios através de espelhos ou explorando a água aquecida

nas superfícies dos mares das zonas tropicais.

2.1.2 Cadeia Eólica ou Hidráulica

Com algumas energias renováveis, a cadeia de produção eléctrica não necessita de uma fonte de calor, é o caso da energia eólica, hidráulica e solar fotovoltaico. No caso das energias eólica e hidráulica, é a pressão do vento ou da água que acciona a rotação de uma turbina que, por sua vez, acciona um alternador que produz a electricidade. A Figura 2.2 representa esta cadeia de conversão energética.

3

O interesse dos conversores de potência é permitir que o alternador funcione com velocidade variável e, assim, aumentar o rendimento da conversão energética, reduzindo a necessidade de uma regulação mecânica da turbina ou das válvulas, no caso da produção hidráulica. Este funcionamento a velocidade variável desenvolveu-se no domínio da produção hidráulica (em especial na mini-hídrica) e tende a impor-se na eólica, onde este tipo de funcionamento aparece como natural devido às fortes variações na velocidade do vento.

A electricidade pode ser, igualmente, produzida a partir de um motor Diesel ou de uma turbina a gás (derivada de um reactor de um avião) que acciona um alternador. A fonte de energia primária são geralmente os combustíveis fósseis, mas é desejável substituí-los por biocombustíveis ou biogás.

2.1.3 Cadeia Solar Fotovoltaica

No caso do solar fotovoltaico, a electricidade é produzida directamente por células de silício a partir da energia contida na radiação solar. Conversores de potência são normalmente utilizados para assegurar a optimização da conversão energética, isto possível através da alteração da tensão de saída no conversor de acordo com as condições ambientais de

temperatura e radiação. A Figura 2.3 representa essa cadeia de conversão.

Figura 2.3 – Cadeia Solar Fotovoltaica de Produção Eléctrica

2.2 Produção Clássica de Energia

Nas centrais clássicas são usados os combustíveis fósseis e nas nucleares usam-se combustíveis radioactivos. Este tipo de centrais são actualmente os que maior quantidade de energia produzem pelo facto de ser possível produzir energia em qualquer local, ao contrário das renováveis que em geral estão limitadas geograficamente. É natural, apesar disto, que são escolhidos os locais mais vantajosos, como sejam os que estão na proximidade de cursos de água e os que têm facilidade de acesso a matérias-primas, por via terrestre ou marítima [7].

4

2.2.1 Centrais Termoeléctricas

Como é sabido, as centrais de turbina a vapor são caracterizadas por empregar a energia térmica do vapor no accionamento das turbinas. Para isso ser possível, possuem geradores de vapor onde o calor resultante da queima do combustível (carvão, petróleo, gás natural, ou reacção nuclear) é utilizado para aquecer a água, até esta se transformar em vapor. O vapor em circulação nas tubagens é levado a alta pressão e temperatura, passando pelas pás e imprimindo-lhe um movimento de rotação (Figura 2.1 – Ciclo Clássico de Produção Eléctrica). Estas centrais devem situar-se em locais de fácil acesso a abastecimento de combustível, e que possuam muita água.

2.2.2 Centrais Nucleares

As centrais nucleares são ainda centrais térmicas, diferindo das convencionais essencialmente pelo tipo de combustível utilizado e da forma como é produzido o vapor. Aqui o calor produz-se pela cisão de átomos de urânio.

• Cisão nuclear

A sua utilização na produção controlada de energia levou a afigurar-se como uma esperança para a humanidade, pelo facto de resolver os problemas energéticos de uma forma mais económica. No entanto, dois problemas se põem em relação a esta forma de energia. Um deles refere-se à da eliminação dos resíduos, e o outro tem a ver com o facto de que a energia nuclear actualmente obtida, por cisão nuclear, utilizar combustíveis também não renováveis

(urânio).

• Fusão nuclear

Outra esperança, sempre adiada, reside na energia nuclear obtida por fusão nuclear. No entanto, existem enormes dificuldades que têm a ver com a necessidade de atingir 50 milhões de ºC num plasma e, próximo deste, ser necessária uma temperatura próxima de -270ºC para os ímanes supercondutores. A grande vantagem da fusão nuclear seria a utilização de um combustível inesgotável, barato e não poluente, o hidrogénio, abundante nos oceanos. Esta forma de energia resolveria, pensa-se, o problema energético.

2.2.3 Centrais a Gás

O princípio de funcionamento das centrais de turbina a gás baseia-se na expansão dos gases de combustão de uma mistura gasosa sobre as turbinas. É constituída assim essencialmente por um compressor onde o ar é inspirado e enviado para a câmara de combustão onde se mistura com o combustível. A mistura obtida e a força expansiva dos gases vão actuar sobre as pás da turbina, transformando a energia térmica em energia mecânica, energia esta que se vai transformar em energia eléctrica, pois a turbina está acoplada a um alternador.

5

2.2.4 Centrais de Ciclo Combinado

As centrais de ciclo combinado são constituídas por várias unidades produtoras independentes. Nestas centrais estão instalados dois ciclos (Figura 2.4), um de gás e outro de vapor, produzindo ambos energia eléctrica. Os dois sistemas estão ligados por uma caldeira de recuperação de calor (HRSG) onde se aproveita a energia dos gases de escape da turbina a gás, para gerar vapor de água que alimenta a turbina a vapor.

Um sistema de ciclo combinado requer consideravelmente menos combustível para produzir a mesma energia eléctrica que seria produzida em dois sistemas simples separados. Com as turbinas modernas o rendimento de uma instalação em ciclo combinado é já superior a 50%.

Figura 2.4 – Central de Ciclo Combinado (Gás & Vapor)

2.2.5 Centrais a Motor Diesel

As centrais a motor diesel (ou a gasolina) são constituídas por um motor de combustão interna acoplado a um alternador. A sua rápida colocação em serviço, permite a sua utilização em instalações particulares ou públicas como grupos de emergência. Não necessitam de serviços auxiliares e exigem pouca refrigeração.

2.3 Fontes de Energia Renováveis

A promoção e utilização de fontes renováveis para a produção de energia surge como necessidade de garantir um desenvolvimento sustentável para a sociedade actual e futura [8]. De facto, os sinais de alerta são frequentes e a consciencialização das forças de intervenção e sociedade em geral para a problemática energética é crescente.

6

A dependência política e económica da energia eléctrica, com a extinção dos combustíveis fósseis, são assuntos que passam despercebidos à maior parte da população. No entanto, e mais recentemente, os impactos ambientais surgiram como o principal motivo de preocupação e consciencialização das populações para os assuntos relacionados com a energia.

A realização de várias conferências para a sensibilização dos impactos ambientais provocados pelos combustíveis fósseis, das quais se destaca o protocolo de Quioto (1998), contribuíram de uma forma significativa para a definição de diversas metas no que diz respeito à redução de emissões de

CO

₂, e consequentemente à redução da utilização de combustíveis fósseis dando assim espaço a um maior desenvolvimento tecnológico em energias renováveis2_.

2.3.1 Eólica

O vento foi, durante muito tempo, a principal fonte de energia do homem, ajudando-o a moer cereais e na navegação marítima. Actualmente, este recurso é utilizado em todo o mundo para a produção de energia eléctrica, sendo que em Portugal existem locais onde o potencial eólico justifica claramente a sua exploração comercial através dos conhecidos aerogeradores. Estes são implantados em parques eólicos, cujas zonas apresentam características eólicas razoavelmente homogéneas.

Apenas a título informativo, uma turbina (aerogerador) standard actual pode ser projectada para um potência nominal na ordem dos 2 MW, cujo o diâmetro das pás do rotor é na ordem dos 80m para um mastro com cerca de 70m de altura.

A energia eólica tem registado nos últimos anos uma evolução verdadeiramente assinalável. De 1998 até 2009 foram instalados mais de 110 GW de potência eólica perfazendo um total de cerca de 120 GW a nível mundial, em que a esmagadora maioria se encontra na Europa (65 GW actualmente na Europa dos 27). Como líder encontram-se os Estados Unidos da América, com 26 GW instalados, seguido da Alemanha e Espanha com 24 GW e 16 GW instalados, respectivamente.

Mesmo assim, Portugal não acompanhou o crescimento que se verificou na maioria dos países desenvolvidos nas décadas de oitenta e noventa. No entanto, a situação da energia eólica em Portugal é hoje completamente diferente, assistindo-se a um dinamismo inédito nos últimos anos face à reestruturação do sector eléctrico, legislação específica, e aprovações de directivas para o desenvolvimento desta energia.

Os dados disponíveis mais recentes indicam que no final de 2008, a potência total instalada em aproveitamentos eólicos em Portugal é de cerca de 3 GW, esperando-se a instalação de mais 900 MW em 2009. Posicionando-se assim Portugal em 10º lugar na tabela de ranking mundial [2].

2 _{As energias renováveis no âmbito da União Europeia são compostas pelas energias solar, hídrica,}

7

2.3.2 Hidroeléctrica

A hidroelectricidade é hoje uma das formas tradicionais de produção de energia contribuindo ainda com uma parcela significativa para a produção nacional (18% em 2007 e 11% em 2008). É normalmente uma obra de grande envergadura que, tem como objectivo principal reter o caudal do rio de modo a formar-se uma albufeira ou, uma bacia de armazenamento. No entanto, originam lagos e albufeiras de grandes dimensões que por vezes têm associados impactos ambientais e sociais. Por outro lado, os locais disponíveis para a construção de grandes aproveitamentos estão a acabar.

O grupo gerador nas hidroeléctricas é assim constituído pelo conjunto turbina-alternador, que ao receber a energia cinética da água a grande pressão nas turbinas provoca o movimento de rotação das suas pás, que é comunicada ao eixo do alternador e consequentemente à geração de energia eléctrica.

2.3.3 Mini-Hídrica

Os aproveitamentos hidroeléctricos podem ser feitos em dimensões mais reduzidas, até por vezes sem recorrer a armazenamento de água e assim com impactos ambientais bastante reduzidos. Caso não se recorra ao armazenamento de água, designam-se estes aproveitamentos como centrais de fio de água em que não há a possibilidade de se regularizar o caudal, pelo que o caudal utilizável é o caudal instantâneo do rio.

A designação central mini-hídrica generalizou-se assim em Portugal para designar os aproveitamentos hidroeléctricos de potência inferior a 10MW.

2.3.4 Oceanos

A possibilidade de se extrair energia dos oceanos tem intrigado as pessoas ao longo dos tempos. Actualmente podemos dividir os aproveitamentos energéticos do oceano em dois: energia das ondas, e energia das marés.

O aproveitamento da energia das ondas consiste na transformação da energia resultante do movimento periódico das massas de água para a produção de energia eléctrica. Existem actualmente já algumas tecnologias com aplicabilidade e muitas outras em fase de teste e demonstração.

A energia das marés consiste no aproveitamento dos desníveis de água que resultam das subida e descida das marés. O princípio de funcionamento de uma central de maré é bastante semelhante ao funcionamento de uma central hídrica, no que diz respeito ao aproveitamento da energia cinética das massas de água. Nestas centrais, instaladas muito perto da foz dos rios ou já no oceano em locais com características especiais, existe a capacidade de armazenamento de água. Desta forma é possível obter desníveis que resultam dos diferentes níveis das marés.

8

2.3.5 Energia Geotérmica

Uma excepção às centrais termoeléctricas clássicas (ciclo de água-vapor), que utiliza energia renovável, é o caso das centrais geotérmicas que utilizam energia térmica existente nas entranhas da terra em regiões vulcânicas, como acontece em Itália e nos Açores (Portugal). O processo de funcionamento é análogo ao das restantes centrais clássicas com algumas adaptações às condições particulares de obtenção do vapor sob pressão. Naturalmente que os locais onde é possível este tipo de aproveitamento estão limitados apenas a algumas regiões.

2.3.6 Bio-Energia

• Biomassa

Recurso energético com largas tradições em Portugal, a biomassa é uma fonte de energia que deriva do aproveitamento energético das florestas e seus resíduos, e resíduos provenientes de explorações agro-alimentares.

Uma importante componente no aproveitamento deste tipo de recurso está relacionada com as políticas de limpeza e conservação da floresta. Este tipo de resíduos que, muitas vezes, são os causadores da rápida propagação dos incêndios florestais, podem ser aproveitados como fonte energética. A limpeza da mata de uma forma sustentada permite que seja alcançado um equilíbrio, e dessa forma, preservar um recurso vital que é a floresta e simultaneamente proceder-se à valorização energética.

• Biocarburantes

Os Biocarburantes são obtidos a partir duma matéria-prima vegetal. Dois motivos levaram ao seu desenvolvimento: a alta dos preços do petróleo verificada primeiramente em 1973, e a poluição gerada pelos gases de escape resultantes da utilização dos carburantes clássicos.

O Brasil desempenhou um papel pioneiro neste domínio quando o governo lançou em 1975 o programa "Proalcool", com a utilização de combustíveis contendo 22% de etanol obtido da cana-de-açúcar (ou do trigo). Há no Brasil 4,5 milhões de veículos assim equipados, verificando-se resultados ecológicos positivos. No entanto, há quem seja de opinião que, embora emitindo menos gases prejudiciais como o dióxido de carbono, o uso generalizado de biocarburantes pode produzir outros efeitos perigosos, nomeadamente os relacionados com a reacção brônquica.

• Biogás

A decomposição da matéria orgânica dos resíduos dá origem à produção de biogás, um gás composto na sua maioria por metano e dióxido de carbono. Em alguns países a aplicação de tecnologias dispendiosas inviabilizou o aproveitamento deste gás para a produção de energia. O sucesso destes empreendimentos depende de um compromisso consciente entre custos, benefícios e tecnologia.

9

• Biodiesel

O biodiesel é um combustível produzido a partir de óleos vegetais, óleos de cozinha usados ou gorduras animais. É não tóxico, biodegradável e renovável, e substitui o gasóleo. As emissões produzidas pela utilização de biodiesel puro são substancialmente menores quando comparadas com as do gasóleo. Pode ser produzido recorrendo a tecnologias simples e não muito dispendiosas, sendo que em Portugal pode alcançar um lugar de destaque na sua produção e utilização, contribuindo para a redução da dependência externa de petróleo bem como para a criação de riqueza e protecção do ambiente.

2.3.7 Solar

• Fotovoltaíco

Os sistemas fotovoltaícos produzem energia eléctrica a partir da radiação solar. São sistemas de elevada fiabilidade, de baixa manutenção, com ausência de ruído e não poluentes. Constituídos por células fotovoltaicas (dispostas em painel solar) de tensão de saída na ordem dos 0.45V, a sua interligação em série e paralelo permitem obter valores normalizados de tensão (12V, 24V) e aumentos de potência.

As características do solar fotovoltaíco fazem com que a instalação deste tipo de sistemas seja bastante atractivo em locais onde não exista rede de distribuição eléctrica, por razões ambientais, ou até por razões de ordem estética. É comum encontrar sistemas fotovoltaícos no dia a dia, nomeadamente para alimentar máquinas de pré-pagamento de estacionamento, ou sistemas de telecomunicações.

A grande desvantagem destes sistemas é ainda o custo elevado por MWh, ultrapassando o preço da electricidade da rede pública. Prevê-se no entanto um crescimento na utilização destes sistemas nos próximos anos, face ao aumento da sua competitividade e das aplicações com recurso a esta tecnologia.

• Térmico

Os colectores solares, vulgarmente conhecidos por painéis solares, não devem ser confundidos com painéis fotovoltaicos e são normalmente utilizados apenas para o aquecimento de águas.

A cobertura do colector solar é de vidro, e logo, transparente à radiação visível. Esta radiação ao entrar no colector aquece-o emitindo radiação menos energética, a infravermelha, que fica retida no colector uma vez que o seu interior é “opaco” à radiação infravermelha. Desta forma conseguimos um sistema de alto rendimento com base no efeito de estufa. A elevada temperatura atingida na placa absorsora é assim transferida para uma serpentina de tubos (onde circula um fluído de elevada condutibilidade térmica) que interliga o colector solar a um depósito por cima deste. O fluído aquecido no colector solar sobe até ao depósito que está por cima deste, aquecendo a água para as mais variadas tarefas. Após esta transferência de calor, o fluido terá arrefecido, ficando mais denso e descendo de volta ao colector, onde reiniciará o seu ciclo.

10

Este princípio de circulação do fluído é designado por termossifão, que implica que o depósito esteja por cima do painel, caso não seja essa a situação, teremos então de provocar circulação forçada através de uma bomba de água adicional.

Nunca se fica realmente independente, pois em dias enevoados e chuvosos o rendimento é bastante reduzido. À noite não existe luz solar, e no caso de utilização mais intensiva acaba por ser necessário recorrer à resistência eléctrica que se encontra no interior do depósito.

Outra variante é a sua utilização do solar térmico para a geração de energia eléctrica, cujo princípio de funcionamento consiste em transformar energia térmica contida no fluido em energia eléctrica, através de um ciclo de água-vapor (ver secção 2.1.1).

2.4 Transporte e Distribuição de Energia

Para o transporte de uma dada potência aparente (S=U.I) aumenta-se a tensão U, o que apresenta problemas ao nível de isolamento, reduzindo o valor da corrente e consequentemente a secção dos condutores, economizando material e as perdas por efeito de

Joule (P=r.i2). Para cada nível de potência a transportar e distância a vencer, há um nível

óptimo de tensão cujo valor pode ir de 10 a 400kV, podendo ainda tomar a forma de corrente monofásica (220V) ou trifásica (380V) de acordo com a aplicação. Sendo feita em corrente alternada, a transmissão da energia eléctrica permite a utilização do transformador como fácil e económico (com reduzidas perdas) de obter o nível de tensão desejado.

Define-se como Subestação uma instalação de alta tensão destinada à transformação da corrente eléctrica quando estes se destinam a alimentar postos de transformação ou subestações; e como Posto de Transformação uma instalação de média tensão destinada à transformação da corrente eléctrica quando a corrente secundária for utilizada directamente nos receptores (380/220V).

Relativamente às linhas de transporte estas podem ser de Alta Tensão, Média Tensão e de Baixa Tensão.

• As linhas de Alta Tensão são aquelas cuja tensão nominal é igual ou superior a 60kV e unem os centros produtores (centrais térmicas, hídricas eólicas, etc.) às subestações. São normalmente aéreas podendo, no entanto, ser subterrâneas. As linhas aéreas são constituídas por apoios, normalmente metálicos, sendo os condutores suspensos ou apoiados por isoladores.

• Quanto às linhas de Média Tensão, são aquelas cuja tensão nominal é inferior a 60 kV

(tensões mais comuns são 10,15 e 30 kV). Estas linhas ligam as subestações aos Postos de Transformação e podem ser aéreas ou subterrâneas. As aéreas são normalmente em cabo nu, apoiadas em postes de betão (mais comum) ou metálicos, sendo os condutores suspensos ou apoiados por isoladores.

11

• Relativamente às linhas de Baixa Tensão, são aquelas cuja tensão nominal é inferior a

1000 V, e levam a energia eléctrica desde os Postos de Transformação ao longo das ruas e caminhos até aos locais onde é consumida em Baixa tensão. Tal como nos casos anteriores, podem ser aéreas ou subterrâneas, e sendo aéreas são normalmente em condutores nus ou isolados em feixe (cabo torçada). As linhas em condutor nu estão fixas sobre isoladores e apoiados em postes de betão, ou sobre postaletes metálicos fixos na fachada. Os cabos de distribuição de baixa tensão são normalmente constituídos por cinco condutores um dos quais se destina à iluminação pública.

No caso de uma instalação de uma linha em baixa tensão (380/220V), e portanto, apropriada para alimentar uma estação de telecomunicações, esta tem um custo médio estimado que varia entre 10€ a 12€ por metro em cabo torçada3_{, assumindo que a fixação dos}

postes eléctricos não acarreta complicações de maior.

2.5 Situação Energética em Portugal

Pretende-se agora perceber qual a situação energética em Portugal, não só em termos de evolução de consumo e potência instalada por sector de produção, mas também qual o seu valor negociado no mercado ibérico de electricidade (MIBEL) [4].

2.5.1 Evolução e Situação Energética

Até sensivelmente finais da década de 90 a produção de energia em Portugal fez-se fundamentalmente com base no carvão, no petróleo, e na energia potencial e cinética da água (hídrica). Só a partir de 1998 é que se dá início à produção com base no gás natural, e uma tendência de diminuição na utilização do petróleo.

Actualmente, e como ilustra a Figura 2.5, o consumo anual energético em Portugal ronda os 50TWh com uma tendência de crescimento lento. Esta estabilização do consumo nos últimos anos está em parte associada ao atingimento da fase de maturação na utilização da electricidade por parte dos consumidores, e provavelmente à crise económica que nos últimos anos tem assolado o País. Talvez até as próprias campanhas de sensibilização de poupança energética, ou à utilização de equipamentos cada vez mais eficientes, tenham de alguma forma contribuído também para esta estabilização.

A recente aposta nas energias renováveis fez com que fosse definida uma classe onde se encontram estas fontes de energia (eólica, fotovoltaica, etc.), designadas assim de produção em regime especial (PRE4_{), em contradição às fontes de energia clássicas designadas de}

produção em regime ordinário (PRO).

3

Estimativa fornecida pela secção de energia do Instituto Superior Técnico

4 _{Engloba a produção de energia em centrais hidroeléctricas com potência instalada até 10 MVA, em}

12

Figura 2.5 – Evolução Energética em Portugal por Sectores de Produção

De realçar o aumento do saldo importador decorrente da liberalização do mercado (MIBEL5), assim como o aumento na produção em regime especial (PRE) relativo à energia eólica (11% em 2008). Quanto à produção hídrica, esta está muito dependente das condições climatéricas que em anos de seca sofre enormes quedas (caso do ano 2005).

Relativamente à potência instalada, esta ascende já os 15GW, sendo 10,5GW baseada em produção em regime ordinário (PRO), e o restante em produção de regime especial (PRE). A Tabela 2.1 descreve a repartição de potências instaladas em Portugal por fonte de energia.

Tabela 2.1 – Potência Instalada em Portugal por Sectores de Fontes de Energia [REN 2008]

5 _{Mercado Ibérico de Electricidade}

13

Dentro das renováveis (PRE), é o sector eólico que tem apresentado maior crescimento (Figura 2.5) totalizando mais de 1500 geradores instalados, para uma potência conjunta acima dos 2,5GW. Mais de 1000 destes geradores têm uma potência unitária igual ou superior a 2 MW, cujos os principais fabricantes são a Enercon com 45% do mercado, seguido da Vestas com 18%.

De salientar que, embora tanto a energia eólica como a fotovoltaica tenham uma carácter altamente probabilístico, numa base anual apresentam uma utilização relativamente constante, ou seja, é gerada anualmente uma energia média que depende apenas da potência instalada, e que no caso da eólica representa entre 2100 a 2400 horas anuais equivalentes de produção para uma dada potência instalada. Contrariamente à hídrica que em anos de seca (ex. 2005) a utilização anual cai para valores nada previsíveis com necessidade de se recorrer a outras fontes energéticas. Além de que, as hídricas originam lagos e albufeiras de grandes dimensões que por vezes têm associados impactos ambientais e sociais, o que poderá resultar na inviabilização da implementação do projecto hidroeléctrico (ex. Foz Côa).

O maior problema das energias renováveis é o facto de não serem controláveis, ou seja, a produção de energia depende em cada instante da disponibilidade do recurso. Afaste-se assim a ideia de um dia podermos atingir 100% da energia necessária baseada em recursos renováveis, caso estes tenham uma disponibilidade aleatória. Somos sempre forçados, no limite, a combinar as energias não controladas (renováveis) com energias controladas (clássicas). Adicionalmente, e mesmo que o investimento em renováveis face às energias clássicas não pareça rentável, contribuir-se-á na redução de emissões de

CO

₂ para a atmosfera, e a energia eólica tem sido um bom exemplo dessa contribuição.

2.5.2 Custo Médio da Energia Eléctrica

O custo de aquisição de energia eléctrica proveniente de PRE em 2007, por parte do comercializador de último recurso, cifrou-se em 94,5€/MWh, face ao valor médio 54,38€/MWh negociados na MIBEL. A Tabela 2.2 descreve com mais detalhe o preço médio de aquisição da PRE, separado por tecnologia. De notar que a fotovoltaica é de longe a que apresenta maior valor de aquisição.

14

Tabela 2.2 – Preço de aquisição Médio da PRE por Tecnologia [ERSE, 2008]

2.6 Microgeração (Decreto-Lei nº363/2007)

Existem actualmente dois tipos de produção de energia injectada na rede pelos “produtores renováveis”: a produção descentralizada (PRE-R6_{) em unidades de pequena}

potência dispersas nas redes de distribuição e de transporte, remunerada com base num tarifário Verde; e a microgeração (ou microprodução) integrada no local da instalação eléctrica de utilização, acessível às entidades que disponham de um contrato de compra de electricidade em baixa tensão, sendo esta última o tema a abordar nesta secção [5].

A legislação definida relativa à microgeração aplica-se apenas a instalações de produção monofásica em baixa tensão com potência de ligação até 5,75kW (grupo I), e desde que utilizem recursos renováveis. Adicionalmente, a potência injectada na rede pública não pode ser superior a 50% da potência eléctrica contratada, com excepção aos condomínios.

Existem 2 tipos de regime remuneratório que se passam a descrever de uma forma muito sucinta e focada em instalações não integradas em condomínios:

• Regime Geral: Instalações com potência até 50% da potência contratada, com máximo de 5,75kW.

• Regime Bonificado: Aplica-se a potências de ligação até 50% da potência contratada, com um máximo de 3,68kW. No caso de utilização de fontes de energia renovável, deve-se ainda dispor de colectores solares térmicos para aquecimento de água, com um mínimo de 2 2

m

de área.

A legislação define uma tarifa única de referência (TUR=617,5€/MWh7), aplicável à energia produzida no ano da instalação e mantendo esse valor durante cinco anos.

6

Produtores em Regime Especial que utilizem recursos Renováveis

15

Após o período de 5 anos previsto e durante o período adicional de 10 anos, aplica-se à instalação de microgeração, anualmente, a tarifa única correspondente à que seja aplicável no dia 1 de Janeiro desse ano a novas instalações equivalentes. Por cada 10 MW adicionais de potência de ligação registada a nível nacional, a tarifa única aplicável é sucessivamente reduzida em 5%.

Após o período mencionado (15 anos) aplicar-se-á à instalação de microgeração o regime geral. A Tabela 2.3 explicita o valor da TUR de acordo com a tecnologia.

Tabela 2.3 – Percentagem da TUR e Limites de Aplicação Consoante a Tecnologia [Jan09]

No caso de sistemas híbridos, a tarifa de venda,

T

_V, de energia do produtor ao comercializador é obtida através de:

Equação 2.1

Em que

P

_S

,

P

_E

,

P

_H

e

P

_B são as potências solar, eólica, hídrica e de biomassa, respectivamente, e

LME

_PS

,

LME

_RP os limites máximos anuais de energia vendida solar e de restantes produções, respectivamente.

[

]

)

(

)

(

%

30

%

70

B H E RP S PS B H E RP S PS V

P

P

P

LME

P

LME

P

P

TUR

P

TUR

LME

P

TUR

LME

T

+

+

×

+

×

+

×

×

+

×

×

×

+

×

×

=

16

3. Caracterização da Estação Remota de Telecomunicações

Com vista ao dimensionamento do sistema de produção e possível armazenamento de energia eléctrica, começou-se por caracterizar as exigências de consumo da estação remota de telecomunicações, e quais as possíveis alternativas de produção para este tipo de aplicação.

3.1

Caracterização do Consumo da Estação Remota

Nesta etapa, pretende-se estimar o consumo médio diário de energia eléctrica, ou seja, definir a curva de carga tanto em termos diários como sazonais. Com estes dados consegue-se visualizar as características previstas para o consumo de electricidade adequando-se o sistema para que a produção satisfaça sempre o consumo. Esta determinação é em geral complexa porque depende do uso que se fará no futuro do sistema, normalmente vinculado a hábitos e rotinas dos usuários difíceis de determinar e variáveis ao longo do tempo. No entanto, e como se irá ver na secção seguinte, o nosso sistema remoto de telecomunicações é bastante determinístico uma vez que exigirá uma potência relativamente constante e que esteja sempre disponível.

O cálculo da energia anual produzida para a nossa estação de telecomunicações facilmente se pode extrair a partir da seguinte expressão:

Equação 3.1

Em que P representa a potência instalada no sistema e

h

_aa utilização anual do recurso energético em causa. Este último representa o número de horas equivalentes, numa base anual, que uma dada potência instalada (eólica, solar, hídrica) é utilizada para geração de energia. Se no entanto nos posicionarmos na carga, este representa o número de horas equivalentes anuais que a carga irá funcionar na sua potência exigida (consumo).

3.1.1 Estação Remota de Telecomunicações

A nossa estação remota de telecomunicações em causa insere-se na classe de equipamentos de microondas a funcionar na camada de agregação, ou seja, estabelece a ligação entre a rede de acesso (GSM, UMTS) e a rede Core (SDH, DWDM) através de feixes hertezianos. Notar que a topologia utilizada nas camadas de agregação e Core são normalmente em anel, garantido assim que o tráfego percorre todas as estações envolvidas e cada link entre estações é em geral composto de protecção (redundância).

a

a

P

h

17

A Figura 3.1 reflecte a situação descrita; notar que os débitos de transmissão são tanto maiores quando mais nos aproximamos da rede Core, e consequentemente há também alteração nas tecnologias de transmissão (GSM, UMTS, PDH, SDH, DWDM).

Figura 3.1 – Rede Típica de Telecomunicações Móveis em Microondas

A nossa estação remota de telecomunicações, que se posiciona na camada de agregação, está em geral situada em locais isolados e elevados uma vez que se pretende agregar e transmitir informação a longas distâncias recorrendo ao uso das microondas. Nesta classe, as estações mais remotas no que diz respeito ao acesso físico e energético são reconhecidas por repetidores, cuja a sua função passa essencialmente pela regeneração do sinal para que este possa percorrer maiores distâncias. Há essencialmente duas formas de se regenerar o sinal, ou de uma forma passiva recorrendo à utilização de espelhos, ou de uma forma activa por utilização de receptores e transmissores. Esta última, apesar de necessitar de alimentação eléctrica para funcionar apresenta muito maior ganho e menor custo, e consequentemente é a mais utilizada. Basicamente, podemos assumir que o repetidor passivo aplica-se essencialmente a situações onde se pretenda mudar a direcção do feixe hertziano para contornar obstáculos, enquanto que o activo para percorrer longas distâncias onde o aumento do nível de potência é fundamental.

Um equipamento de telecomunicações, com as características referidas, pode ser encontrado no fabricante Nokia Siemens Networks (NSN) e é designado por SRA4 (Split Radio

System up to STM-4) [9]. A escolha do mesmo tem a ver com a implementação, por parte da

REN8_{, de uma rede de agregação com base nos referidos equipamentos e onde se conhece a}

localização dos mesmos, condição essencial para a concepção física da alimentação eléctrica. Optou-se assim por efectuar um estudo o mais próximo da realidade, e se possível com base em dados reais.

8 _{Redes Energéticas Nacionais}