Evaluation of the potential of demand side management strategies in PV system in rural areas

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Augusto, Catarina Filipa Rodrigues
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/30607
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Evaluation of the potential of demand side management strategies in PV system in rural areasGestão de procuraSistemas fotovoltaicosAcesso à energia e micro-redesTeses de mestrado - 2017Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e EnergiaTese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017According to the latest data, there are still about 1.1 billion people (17% of the global population) lacking access to electricity. Due to unplanned power outages, massive losses and low power quality, further 1 billion people have access only to unreliable electricity networks. The Renewable Energy (RE) systems depend strongly on energy efficiency since it has a direct impact on the size and capacity of the RE system power and, as a consequence, on investment costs. In developing countries, where energy access is poor and investment costs in RE systems are high, energy losses and potential gains are even more dramatic than in developed economies. Demand Side Management (DSM) could be an answer to this problem. Therefore the goal of this study is to understand if it is possible to improve RE microgrid systems in remote areas with DSM and if its implementation could reduce the need for fossil fuels and improve the performance of batteries in microgrids, two of the most expensive components of the system. A range of different scenarios were designed, based on the main DSM strategies: conservation, peak clipping, load shifting and valley filling. The study is based on Soroti community, a small town in central-east of Uganda (1.72N, 33.6E), supplied by a PV-diesel microgrid system. The tools used in this study are LoadProGen (for load profile estimation) and HOMER (for DSM scenarios analyses). Model results demonstrate that the combination of all strategies has the better outcomes on the power system components and on the LCOE. They also show that the nominal power capacity of the system has a higher impact on the value of LCOE than the reduction of diesel consumption. With optimized energy demand, the LCOE has an improvement of almost 20%. These results highlight the importance of the often-neglected DSM strategies for isolated microgrids, which have the potential for promoting access to electricity in many regions of the world with clean renewable energies.Em 2016, as Nações Unidas apresentaram dezassete metas para o desenvolvimento da humanidade, denominadas como Sustainable Development Goals, entre as quais se encontra o acesso à energia limpa. Esta meta é um bem essencial para o desenvolvimento da sociedade, permitindo, nomeadamente, a refrigeração de alimentos e medicamentos, o abastecimento público de água, iluminação e ferramentas de comunicação para educação, e equipamentos modernos para assistência médica. No entanto, o acesso à eletricidade é ainda um dos grandesproblemas em muitas zonas rurais, nomeadamente em países em desenvolvimento. Atualmente, mais de mil milhões de pessoas não têm acesso a eletricidade e outras tantas têm apenas acesso a sistemas não fiáveis. Para além do acesso, a qualidade da distribuição de energia é também bastante relevante, nomeadamente em países em desenvolvimento em que a carência é maior e o investimento em sistemas de energia renovável é elevado. O sistema de micro-rede com geração renovável e geradores a diesel é visto como uma das soluções mais competitivas para estas localizações. No entanto, este tipo de sistema depende fortemente do dimensionamento e uso eficiente do mesmo, i.e. o uso incorreto ou o excesso de consumidores na rede podem causar problemas e fazer com que o equipamento eletrónico não trabalhe adequadamente. Apesar de os geradores a diesel e as baterias serem dois componentes essenciais à estabilidade da distribuição de energia nestes sistemas, são também dos componentes mais caros. O uso incorreto das baterias faz com que tenham um tempo de vida mais curto e que seja necessário uma substituição antecipada. O diesel é um combustível caro e difícil de adquirir em algumas zonas rurais. Projetos relacionados com este tipo de sistema de energia indicam que a gestão da procura demonstra ser uma potencial solução para estes problemas. A gestão da procura (Demand Side Management - DSM) consiste na gestão do consumo energético por parte do consumidor, através de medidas ou mecanismos que tornem o diagrama de carga o mais adequado ao sistema de produção e aos consumidores da rede. No entanto, a maior parte do trabalho desenvolvido nesta área está relacionado com zonas urbanas ou com o sector industrial, casos de grande densidade populacional e actividade económica, i.e. elevado consumo energético. Muitas das estratégias de DSM descritas em parte da literatura não podem ser usadas para este género de sistemas produtores. A gestão da procura em micro-redes pode ser desafiante visto requerer competências nos ramos da engenharia, finanças, gestão, política e educação. Existem três fatores importantes que podem sublinhar a especificidade da DSM para micro-redes: o tamanho do sistema produtor, a fonte de energia e os consumidores. O principal objetivo deste trabalho é compreender qual o potencial da gestão da procura na otimização de sistemas de micro-rede com geração fotovoltaica e diesel em zonas rurais. Em detalhe pretende-se determinar se a aplicação de estratégias de DSM reduz a necessidade de recorrer à utilização de diesel e/ou se o tempo de vida das baterias aumenta. Além disso, este estudo tem também o intuito de determinar o potencial de DSM para reduzir o custo da energia para os consumidores e os impactos sociais destas estratégias. A capacidade do sistema produtor renovável (painéis e baterias) versus o consumo diesel foi outro dos pontos estudados. Para responder às questões propostas, foram desenhados diversos cenários de gestão de energia numa micro-rede híbrida com geração fotovoltaica e diesel. Os cenários baseiam-se numa pequena comunidade em Soroti, Uganda (1.72N, 33.6E), com cerca de 1000 habitantes ligados a uma micro-rede constituída por painéis solares fotovoltaicos com um total de 204 kW, um gerador diesel de 10 kW e um banco de baterias de 792 kWh. LoadProGen e HOMER são as duas ferramentas usadas neste trabalho para o desenho e análise dos perfis de carga. A ferramenta LoadProGen permite desenhar o diagrama de carga de um sistema elétrico com base nos dispositivos elétricos utilizados pelos consumidores. O modelo HOMER é usado para otimizar o desenho de sistemas energéticos. Os cenários analisados foram construídos com base nas estratégias clássicas de DSM: conservação, peak clipping, load shifthing e valley filling. A conservação é a redução de consumo energético diário através da substituição de equipamento eletrónico com maior gasto energético por outro mais eficiente ou através da mudança de comportamento relativamente ao consumo energético por parte do consumidor. Um dos exemplos desta estratégia é a substituição das lâmpadas convencionais por lâmpadas LED. Neste caso, sendo os frigoríficos o equipamento eletrónico com maior gasto energético, para uso desta estratégia os frigoríficos usados nas atividades comerciais (quiosques, mercado, farmácia entre outros) foram substituídos por outros com maior eficiência energética. Os resultados mostram que esta estratégia não foi bem sucedida, devido ao excesso de capacidade de geração já existente. Com esta estratégia o custo de energia é maior do que sem aplicação da estratégia. Se fosse para aplicação num sistema em projeto mas não implementado, o seu impacto seria positivo, reduzindo a capacidade PV a instalar e portanto reduzindo o custo de energia para o consumidor. Peak clipping é a redução do consumo energético durante o pico de consumo diário. Um exemplo é a restrição do uso de alguns eletrodomésticos durante o período de maior consumo e limite de consumo energético durante o mesmo intervalo. Neste estudo, esta estratégia inclui três cenários, peak clipping a 60 kW, 50 kW e 40 kW, sendo o pico médio de 67 kW. Os cenários peak 50 kW e peak 40 kW são os que apresentam melhores resultados em termos de poupança energética. Load shifting baseia-se no deslocamento de consumo energético de intervalos com maior procura para intervalos de menor procura, denominados de vales. Neste caso os consumidores não têm de deixar de usar alguns dos seus equipamentos elétricos nem têm de diminuir o consumo, apenas terão de mudar os seus horários de consumo para intervalos menos sobrecarregados. A análise desta estratégia foi dividida em dois cenários, cada um com dois sub-cenários. O primeiro cenário baseia-se na alteração dos horários de funcionamento das pequenas e grandes empresas, os maiores consumidores do sistema, para horas de menor consumo elétrico. O segundo cenário baseia-se no deslocamento do consumo dos frigoríficos, o eletrodoméstico que consume mais, para horas de menor consumo tendo em conta que o frigorífico tem uma autonomia de 12h, sem ter de estar ligado à corrente. Neste caso foram testados dois cenários, o uso de frigoríficos apenas durante o dia ou durante a noite. Dos quatro cenários referidos nesta estratégia o primeiro é o que apresenta maior poupança energética relativamente ao custo inicial. Ao contrário das estratégias anteriores, valley filling tem como objetivo aumentar o consumo energético mas apenas durante os períodos de menor consumo, de forma a equilibrar o perfil de carga e melhorar o uso da energia de um ponto de vista económico. Um exemplo desta estratégia é a utilização do excesso de energia produzida para a aplicação em outras actividades que aumentem a economia da comunidade. Esta estratégia foi dividida em dois cenários e cada cenário foi posteriormente divido em outros dois. O primeiro cenário consiste na adição de um sistema de irrigação para plantações de citrinos, usando o excesso de produção dos painéis solares para o sistema de bombagem. Os sub-cenários associados diferem no tamanho do campo de cultivo, 20 e 25 hectares. O segundo cenário consiste na adição de uma fábrica de sumos com horas de trabalho durante as 11:00 e as 16:00 horas. Os sub-cenários associados diferem no tamanho da fábrica, em termos de consumo energético, 10 kW e 15 kW. Dos quatro cenários referidos nesta estratégia o último é o cenário com melhores resultados em termos de custo de energia. De cada estratégia foi selecionado o melhor cenário com base no custo da energia (LCOE). O resultado obtido da junção dos melhores cenários de cada estratégia num só foi de 18% de decréscimo no custo energético. Caso a capacidade do sistema produtor fosse redimensionada o resultado seria 20%. Os resultados sublinham uma vez mais a importância da gestão da procura em micro-redes isoladas e o potencial destas estratégias na eficiência deste tipo de sistemas.Brito, Miguel CentenoAlmeida, Rita Hogan Teves de,Repositório da Universidade de LisboaAugusto, Catarina Filipa Rodrigues2018-01-15T16:53:43Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/30607TID:201855437enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:23:28Zoai:repositorio.ul.pt:10451/30607Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:46:16.030539Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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