Community storage for small urban units including dwelling and small businesses

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Reis, Vera Antunes dos
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/10451/27585
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Community storage for small urban units including dwelling and small businessesFotovoltaicoAutoconsumoAgregaçãoBateria comunitáriaTeses de mestrado - 2017Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia do AmbienteTese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017O estudo realizado nesta dissertação baseia-se em armazenamento comunitário para agregação de consumos e geração fotovoltaica em edifícios do setor residencial e comercial em Portugal. Em Outubro de 2014 foi aprovado o decreto-lei nº 153/2014, mais conhecido como a lei do autoconsumo, onde são regulados os critérios de instalação de sistemas fotovoltaicos para unidades de pequena produção (UPP) e unidades de produção para autoconsumo (UPAC). Para a instalação de fotovoltaico em unidades de consumo, a eletricidade fotovoltaica gerada deixa de ser diretamente injetada na rede, passando a ser autoconsumida. Os retornos financeiros deste regime baseiam-se não na eletricidade que não se consome da rede elétrica, mas do sistema PV (que será tanto maior quando mais elevado for o preço da eletricidade) e numa remuneração da energia fornecida à rede. Este regime promove a instalação de sistemas PV de pequenas dimensões. Deste modo, o aumento da taxa de autoconsumo torna-se essencial para a rentabilidade de um sistema fotovoltaico. Para aumentar esta taxa é possível recorrer a DSM (demand-side-management), passando a utilização de electrodomésticos para as horas de produção fotovoltaica, a sistemas de armazenamento e partilha de eletricidade gerada através de agregação de diferentes edifícios. Nesta dissertação foram analisadas as duas últimas situações. Os objetivos são avaliar a forma como a taxa de autoconsumo e auto-suficiência variam com o aumento do número de edifícios e com diferentes tipos de edifícios; otimizar um algoritmo para um sistema fotovoltaico com bateria tendo em conta o perfil de consumo; e avaliar quão economicamente vantajoso será este sistema (analisando a taxa interna de retorno e o período de retorno). Ao responder a estas perguntas será possível entender a relevância da agregação de edifícios e a utilização de armazenamento. As unidades do setor residencial são relativos a 18 habitações localizadas em Lisboa com potências contratadas entre 3,45 e 20,7 kVA, com uma resolução temporal de 15 minutos. Os dados são referentes ao ano 2013. Destas 18 habitações, foram selecionadas e agrupadas num condomínio aquelas cuja potência contratada se encontrava entre 3,45 kVA e 10,35 kVA pois, por definição, um condomínio é uma agregação de habitações com características semelhantes. Com todas as habitações com potência contratada igual a 6,9 kVA foi considerado um segundo condomínio (condomínio 6,9kVA), de forma a analisar o efeito de agregação de carga com habitações que possuem ordens de consumos semelhantes. Os dados do setor comercial incluem uma agência bancária, um restaurante e um hotel, com dados de consumo de eletricidade também com resolução temporal de 15 minutos. A agência bancária e o hotel referem-se ao período de Maio 2015 a Abril 2016 enquanto o restaurante apenas ao período de Outubro 2015 a Abril 2016. Todos os dados de consumo foram fornecidos pela empresa ISA (Intelligent Sensing Anywhere). Os dados de produção com origem em geração fotovoltaica são correspondentes a um sistema composto por módulos de silício policristalino com ótima inclinação e orientação, situados na região de Lisboa. De forma a utilizar a informação da variabilidade do recurso, os dados foram divididos pela potência máxima registada, e adaptada para cada unidade singular e unitária multiplicando os dados pela potência nominal desejada. Os dados referem-se ao ano 2015 e foram registados com uma resolução temporal de 10 minutos. Devido à diferença na resolução temporal, comparativamente aos dados de consumo, foi necessário obter por interpolação os valores em falta para uma resolução de 15 minutos. Os dados de produção fotovoltaica foram fornecidos pela Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. No algoritmo desenvolvido, a eletricidade fotovoltaica gerada é primeiramente utilizada para satisfazer as necessidades de consumo. Se houver excesso de produção, a energia é armazenada na bateria. Caso esta atinja a sua capacidade máxima, o resto será injetado na rede. Se a energia gerada é insuficiente para satisfazer as necessidades de consumo, o défice será retirado da bateria, caso esta se encontre carregada, de outra forma será fornecida pela rede elétrica. O algoritmo foi aplicado nas unidades individuais (banco, restaurante, hotel, condomínio e condomínio 6,9kVA) e nas unidades agregadas no qual foram considerados como fator comum, para todos os cenários, um dos condomínios (condomínios com o banco, condomínio com restaurante, condomínios e hotel e condomínios com banco e restaurante). Foi considerado um intervalo de potência fotovoltaica dependendo do perfil de consumo e do rácio capacidade da bateria por potência fotovoltaica instalada de 0 a 2 kWh/kWp com intervalos de 0,5 unidades. Para este algoritmo foram considerados parâmetros económicos e técnicos para o sistema fotovoltaico e bateria tais como: taxa de inflação, eficiência de carga e descarga da bateria,e perdas por auto-descarga da bateria. A taxa de inflação foi apenas considerada no preço da eletricidade (que reflecte no que se poupa) e na remuneração da eletricidade injetada na rede. A inflação não foi considerada nos custos relacionados com a substituição da bateria nem do inversor. A hipótese de que a agregação do consumo, a partir de diferentes utilizadores com diferentes perfis de consumo, conduzirá a uma melhoria do diagrama de carga coletiva, apresentando uma melhor combinação ao perfil de geração fotovoltaica, é confirmada nesta dissertação. Ao agregar unidades de consumo (o restaurante em comparação com condomínio, banco e restaurante num cenário sem bateria) há um aumento até 30% no autoconsumo. A agregação de unidades do setor residencial e comercial reflete um aumento na taxa de autoconsumo. Unidades singulares, de uma maneira geral, apresentam valores mais baixos de autoconsumo em comparação com unidades agregadas. O hotel é a exceção a esta premissa uma vez que atinge até 90% de autoconsumo no máximo de potência instalada, dependendo da capacidade de armazenamento. Este resultado é conseguido devido ao perfil de consumo do hotel, com um consumo tipicamente elevado durante o dia. Dependendo da capacidade de armazenamento, as unidades de agregação podem ultrapassar a barreira de 90% para o autoconsumo. Uma capacidade de armazenamento de bateria de 0,5 a 1 kWh por potência fotovoltaica reflete um aumento de aproximadamente 12% a 20%. Para potência de 1,5 kWh/kWp verifica-se um aumento de 25% a 30% e de 30% a 36% para 2 kWh/kWp. Os resultados também indicam que, mesmo sem bateria, as taxas de autoconsumo dos sistemas fotovoltaicos aumentam com a agregação na medida em que o ponto de excesso de potência instalada é maior para unidades agregadas. A agregação de unidades causa um efeito negativo e menos pronunciado no grau de auto-suficiência. Este parâmetro é crucial para a configurações independentes da rede elétrica. Não sendo este o caso estudado nesta dissertação este parâmetro pode aqui ser considerado secundário. Os resultados obtidos mostram que o restaurante, ou qualquer agregação que o inclua, dificilmente retorna o investimento. Todas as outras configurações analisadas apresentam taxas internas de retorno positivas, sendo algumas superiores a 5%, provando a rentabilidade e o benefício deste tipo de agregação e sistemas. Todos os outros sistemas fotovoltaicos sem baterias são viáveis. À medida que a capacidade de armazenamento diminui, é possível observar um aumento no interesse económico do sistema. Os valores do período de retorno reforçam as conclusões da análise da taxa interna de retorno. Todos os edifícios e unidades agregadas, com exceção do restaurante e agregações que o incluam, apresentam valores entre 8 a 18 anos, com valores menores para unidades de agregação, e com um mínimo para a configuração sem bateria. De uma forma geral, a agregação permite aumentar o autoconsumo e a taxa interna de retorno, e diminuir o período de retorno, embora seja necessário analisar o consumo da unidade para avaliar se é, de facto, favorável a um sistema fotovoltaico. Em conclusão, quanto mais compatíveis forem o consumo elétrico e geração fotovoltaica, maior serão o autoconsumo, auto-suficiência e a taxa interna de retorno, e menores os períodos de retorno, concluindo-se que, de facto, a agregação causa um efeito positivo.This dissertation focuses on analyzing the effect that aggregation of demand and photovoltaic (PV) generation of building units, from commercial and residential sectors, and the use of battery storage systems have on the self-consumption rate, the self-sufficiency degree and the profitability of the system, by analysis of the internal rate of return and the payback period. For the residential sector a condominium consisting in the aggregation of 14 or 7 dwellings was considered as a single building unit. Regarding the commercial sector, three different building units were studied: a bank branch, a restaurant and a hotel. The control strategy considered that the generated photovoltaic electricity is primarily used to fulfil the consumption needs of the units. If there is a storage available, if the generation is higher than the demand, the excess power is fed to the battery. If the photovoltaic production is insufficient to meet the consumption, the difference will be provided by the battery, if charged, otherwise it will be supplied by the grid. The system configuration was tested for installed PV powers in the range up to the contract power (when the peak power equals the maximum consumption). The hypothesis that the aggregation of electricity consumption, from different users with different consumption profiles, will lead to an improvement of the collective load diagram, in the sense of being better adapted to the photovoltaic generation profile, was confirmed and supported by the results. In general, the aggregation of different residential and commercial units and the use of a battery system, reflects an increase on the self-consumption rate. A battery storage capacity of 0.5 to 1 kWh per installed PV power reflects an increase of approximately 12% to 20%. For a 1.5 kWh/kWp ratio the increase was from 25% to 30%, and from 30% to 36% for a 2 kWh/kWp. The result also show that single sites feature lower self-consumption and lower self-sufficiency and less interesting economic value than aggregated units. The hotel is the exception to this premises as, by itself, it achieves a high level of self-consumption, up to 90%, depending on the storage capacity. Another result of this study is that even without batteries, self-consumption rates of photovoltaic systems increase with aggregation since the excess energy point is higher for aggregated units. When aggregating building units (the restaurant in comparison with condominium, bank and restaurant in a no battery scenario) our study shows an increase up to 30% in self-consumption. Self-sufficiency degree suffers a negative, albeit less pronounced effect, caused by the aggregation of users. The results show that the restaurant, or any aggregation including the restaurant, hardly returns the investment. All other system configurations feature positive internal rates of return, with some being higher than 5%, again confirming the benefits of aggregation as it leads to higher returns. The values of payback period underline the conclusions from the analysis of the internal rate of return. All buildings and aggregated units, except for the restaurant, feature values between 8 to 18 years, with lower values for aggregation units and with a optimum for the no-battery configuration.Brito, Miguel CentenoRepositório da Universidade de LisboaReis, Vera Antunes dos2017-05-03T14:56:36Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/27585TID:201855526enginfo: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:RCAAP2023-11-08T16:18:40Zoai:repositorio.ul.pt:10451/27585Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:43:59.604127Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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