ISEP - DM – Energias Sustentáveis
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- Análise Técnico-Financeira de Sistemas Fotovoltaicos com Armazenamento de Energia Caso de Estudo: Estação Elevatória de Águas Residuais de MezioPublication . PEDRO, WEZA JASMINI ISAAC; Silveira, Alexandre Miguel Marques daO presente trabalho avalia a viabilidade técnica e económica da integração de sistemas de armazenamento em baterias num sistema fotovoltaico ligado à rede, com potência instalada de 50,82 kWp. O estudo foi desenvolvido através de simulações no software PVSOL Premium, considerando três cenários principais: sem armazenamento, com bateria de 15 kWh e com bateria de 30 kWh. A análise teve como objetivo determinar o impacto da capacidade de armazenamento no autoconsumo, na autonomia energética e na rentabilidade do investimento. Os resultados evidenciam que a integração de baterias melhora significativamente o desempenho energético do sistema. O autoconsumo aumentou de 77,4% no cenário base para 81,2% e 85,4% com baterias de 15 kWh e 30 kWh, respetivamente, reduzindo a injeção de excedentes na rede. A autonomia cresceu de 29,8% para 32,6%, demonstrando maior aproveitamento local da energia produzida. Do ponto de vista económico, o cenário sem armazenamento apresentou o melhor resultado financeiro (VAL de 51322€, TIR de 19% e o payback de 4,9 anos). A opção com 15 kWh mantevese atrativa (VAL de 43358€, TIR de 14,7% e o payback 6,3 anos), apesar de um desempenho financeiro menos favorável (VAL de 42037€, TIR de 12,5% e payback de 7,0 anos), o cenário com a bateria de 30kWh revelou o melhor desempenho energético global, sobretudo pela utilização estratégica da energia armazenada em horas de ponta, quando o custo da eletricidade é mais elevado. Conclui-se que o sistema com bateria de 30 kWh representa a solução mais equilibrada entre desempenho energético e viabilidade económica, proporcionando maior autonomia, estabilidade operacional e valorização otimizada da energia. Apesar do investimento inicial mais elevado, o retorno mantém-se competitivo e justifica a adoção desta configuração em instalações de média escala.
- Avaliação da resistência térmica de furos de geotermia através de simulação numérica de Testes de Resposta Térmica (TRT)Publication . PEREIRA, JORGE MANUEL DA FONSECA; Afonso, Maria José CoxitoEsta dissertação explora o potencial da energia geotérmica de muito baixa entalpia como solução sustentável para climatização de edifícios, no contexto da transição energética europeia. O foco principal é a avaliação da resistência térmica de furos geotérmicos (Rtf), através de simulações numéricas de Testes de Resposta Térmica (TRT) utilizando o software ANSYS Fluent. Foi desenvolvido um modelo tridimensional de furo geotérmico com permutador de calor tipo U simples, considerando dois materiais de enchimento: Bentonite e uma argamassa com condutividade térmica superior. Os resultados demonstram que o aumento da condutividade térmica do enchimento reduz a resistência térmica do furo, melhorando a eficiência do sistema. A simulação numérica revelouse uma ferramenta eficaz para otimizar o desempenho térmico e apoiar decisões técnicas e económicas na conceção de sistemas geotérmicos. O estudo conclui que a escolha adequada dos materiais de enchimento é determinante para a eficiência energética e sustentabilidade dos sistemas de climatização geotérmica.
- Produção de biogás a partir de biomassa microalgal residual usada em tratamento de águas residuais domésticasPublication . FERREIRA, JOÃO PAULO MARTINS; Caetano, Nidia de Sá; Figueiredo, Sónia Adriana Ribeiro da CunhaA utilização de microalgas no tratamento de águas residuais representa uma alternativa sustentável aos processos convencionais, permitindo cumprir os limites legais de descarga e produzir energia a partir da biomassa produzida, contribuindo para a autossuficiência energética das ETARs e para os objetivos de neutralidade energética até 2045, definidos pela Diretiva Europeia 2024/3019.Neste contexto, o presente trabalho avaliou o potencial da aplicação de microalgas autóctones no tratamento de águas residuais domésticas e na valorização energética da biomassa via produção de biogás. O estudo foi desenvolvido em parceria com a ETAR de Gaia Litoral, recorrendo a uma mistura 50:50 (v/v) de efluente após tratamento primário e secundário, em cultivos escalados até 30 L. Durante o tratamento biológico observou-se uma elevada eficiência na remoção de nutrientes, como de nitrogénio (N) e fósforo (PO₄³⁻). Verificaram-se elevadas eficiências de remoção para ambos os nutrientes, sendo o melhor resultado para o nitrogénio. Assim, obteve-se uma redução de 34,43 mg/L para 5,63 mg/L, resultando numa redução de 83%, enquanto para o fósforo se registou uma diminuição de 5,66 mg/L para 1,01 mg/L, correspondente a cerca de 82% de remoção de fósforo. Entre as espécies de microalgas observadas, a que melhor se adaptou e desenvolveu foi a Scenedesmus sp., reconhecida pela sua resiliência e elevada capacidade de assimilação de nutrientes, confirmando o seu potencial como organismo-chave para processos de biorremediação e produção de biocombustíveis. Nos primeiros ensaios de codigestão anaeróbia da biomassa microalgal com a lamas do digestor verificaram-se inicialmente produções de biogás reduzidas, entre os 250 e 400 NmL, este baixo rendimento pode ser explicado pela baixa razão C/N (≈4/5) e AGV/ALC (<0,2), muito abaixo do valor recomendo pela bibliografia. Para superar esta limitação, procedeu-se à adição de lamas mistas (primárias e secundárias), aumentando assim a fração de matéria orgânica biodegradável e consequentemente a razão de C/N aumentou para 8/9 e uma razão AGV/ALC estabilizou em 0,2-0,4, o que permitiu obter um aumento na produção de biogás. Esta estratégia resultou num claro aumento do rendimento em biogás, produzindo valores superiores a 2000NmL de volume total de biogás. Em particular, a codigestão de microalgas pré-tratadas com a mistura das lamas originou incremento de cerca de 10% na produção total de biogás, atingindo 2320 NmL face aos 1990 NmL sem biomassa microalgal, confirmando sinergias entre substratos e validando esta solução como uma via eficaz de valorização energética em ETAR.
- Sistemas de energia renovável para climatização e produção de AQSPublication . CONCEIÇÃO, GONÇALO MONIZ DA; João, Ana Maria RaposoO presente relatório apresenta o trabalho de estágio desenvolvido na empresa Sunenergy, focada na conceção, implementação e avaliação de soluções de climatização e produção de água quente sanitária (AQS) no setor residencial. Enquadrando-se no contexto das metas europeias e nacionais de sustentabilidade e descarbonização. Inicialmente, são expostas as políticas energéticas da União Europeia (UE) e a sua transposição para a legislação nacional, evidenciando a relevância da eficiência energética e do uso de fontes renováveis. Segue-se uma apresentação dos principais sistemas aplicados, abordando princípios de funcionamento, classificação, eficiência energética e os seus componentes. No corpo do trabalho foram feitos dimensionamentos práticos, demonstradas obras a que se fez o acompanhamento e introduzida, a possibilidade de integrar um sistema fotovoltaico como solução complementar. Seguidamente, realizaram-se simulações comparativas entre três soluções para AQS: termossifão, solar térmico de circulação forçada e bomba de calor. As simulações realizadas indicaram que, o solar térmico de circulação forçada foi o que apresentou um maior aproveitamento de energia renovável. Além disso, foi efetuado um estudo energético e económico para a substituição de uma caldeira a gás por uma bomba de calor, onde se demonstrou que a bomba de calor reduz aproximadamente 75% do consumo de energia, representado uma poupança anual de 1085,43€. O relatório conclui que, a implementação de sistemas de energia renovável para climatização e AQS, propicia benefícios energéticos, económicos e ambientais, evidenciando o contributo destas tecnologias para a transição sustentável e eficiente do edificado.
- Mercado de energia e sustentabilidade: modelos de expansão para energias renováveis em países em desenvolvimentoPublication . MENDES, DAVID; Andrade, Tiago BrancoO estudo aborda os principais aspetos relacionados à transição para energias renováveis em países em desenvolvimento, explorando os desafios, oportunidades e estratégias envolvidas nesse processo. Num cenário global devido à necessidade de reduzir emissões de carbono e alcançar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), o trabalho destaca a promoção das energias sustentáveis para responder simultaneamente à crescente procura energética e às exigências ambientais. Inicialmente, com base em análises de diferentes contextos, o estudo observou algumas abordagens convencionais, como o uso de hidroelétricas, que enfrentam limitações significativas em termos da sustentabilidade económica e ambiental. Nesse sentido, são identificados modelos inovadores, como sistemas descentralizados e híbridos, que emergem como soluções viáveis para ampliar o acesso à energia, especialmente em regiões remotas. A interação entre diferentes modelos, sejam públicos, privados ou em parcerias, também é analisada como um fator crucial para viabilizar a expansão das renováveis. Entre os desafios podemos destacar os altos custos iniciais, a intermitência das fontes renováveis e a necessidade de uma infraestrutura tecnológica avançada. Metodologicamente, o estudo adota uma abordagem quantitativa e comparativa, recorrendo à ferramenta de simulação EnergyPLAN para construir e analisar cenários energéticos de dois países com contextos distintos, a Turquia e a Tanzânia. O modelo foi calibrado com dados oficiais de capacidade instalada, fatores de capacidade e procura elétrica, permitindo avaliar o desempenho e a sustentabilidade de diferentes combinações tecnológicas até 2035. Os resultados simulados indicam que, na Turquia, a participação das fontes renováveis poderá crescer de 39,6% em 2023 para 54,6% em 2035, acompanhada por uma redução das emissões de gases de efeito de estufa, de 122,72 Mt CO2 eq para 94,95 Mt CO2 eq, mesmo com o aumento da procura elétrica. Já na Tanzânia, a simulação previu que a participação das fontes renováveis poderá atingir 99% em 2035, garantindo a segurança do abastecimento com a utilização complementar de gás natural. De um modo geral, conclui-se que os modelos com alta participação de energia renovável contribuem para o alcance das metas climáticas globais e o desenvolvimento sustentável. No entanto, atualmente sem um alto investimento em tecnologias de armazenamento de energia, um modelo 100% renovável é insustentável devido à intermitência que estes recursos apresentam. Assim, considerando este desafio, os países em desenvolvimento não devem, pelo menos até 2035, abandonar totalmente as fontes não renováveis, permanecendo essenciais na garantia da segurança e estabilidade do sistema elétrico. Entre estas fontes, o gás natural deverá destacar-se devido às suas características.
- Produção de bioetanol a partir de biomassa microalgal utilizada no tratamento de águas residuaisPublication . COSTA, SÓNIA SOFIA LOBÃO DA; Caetano, Nidia de SáWastewater treatment is a major environmental challenge, while microalgae offer a sustainable solution by simultaneously removing nutrients and generating biomass suitable for bioenergy production. This study examines the integration of microalgae in wastewater treatment, as well as the valorization of the resulting biomass for bioethanol production. Cultivation experiments were conducted using effluents from the Gaia Litoral wastewater treatment plant, employing a 50:50 (v/v) mixture of primary-treated and secondary-treated wastewater, scaled up to a final volume of 30 liters over four weeks. Physicochemical and biological parameters were monitored, revealing high nutrient removal efficiencies: up to 97% for inorganic carbon, 83% for total nitrogen, and 82% for orthophosphate. Microscopic analysis confirmed the predominance of Scenedesmus sp. within the microalgal consortium. Episodes of sedimentation and acidification were mitigated by periodic medium renewal, thereby ensuring the stability of the cultures throughout the study. Regarding biomass valorization, twelve different combinations of pretreatment and hydrolysis were evaluated. Although glucose release was limited, the samples subjected to thermal pretreatment or ultrasound-assisted pretreatment followed by enzymatic hydrolysis with Ultraflo exhibited the highest sugar concentrations, with Samples 6 and 11 standing out, showing arabinose concentrations of 2.962 g/L and 0.654 g/L, respectively, after hydrolysis, and corresponding biomass concentrations of 1.105 g/L and 2.370 g/L. After fermentation, arabinose decreased to 0.211 g/L and 0.008 g/L in the same samples, indicating partial fermentation. Fermentation using Saccharomyces cerevisiae resulted in low ethanol yields (<0.056% v/v), with the highest absolute yield obtained in Sample 10 (0.220 g in 500 mL), restricted by incomplete hydrolysis, possible inhibitor formation such as phenolics, organic acids, and salt residues, and limited pentose fermentation by Saccharomyces cerevisiae (that could be improved by using a yeast able to ferment pentoses, such as Pichia stipitis). Despite these limitations, the results demonstrate the potential of microalgae in integrated processes of environmental remediation and energy biomass production, highlighting their contribution to sustainable biorefinery strategies.
- Valorização energética em ETARs de matadouros para produção de energia elétricaPublication . ANTUNES, MIGUEL ALEXANDRE LOPES; Felgueiras, Manuel Carlos Malheiro de CarvalhoOs matadouros constituem-se como infraestruturas incontornáveis na sociedade moderna, uma vez que são locais onde o processo de abate de animais cumpre as atuais diretrizes em vigor. Desse processo resulta, positivamente, uma diversidade de produtos que são comercializados, dos quais se destaca a carne, para consumo público. Contudo, paralelamente a esse processo originam-se um conjunto de resíduos, altamente impactantes para o meio ambiente, situação que impõe a utilização de ETARs especialmente dedicadas. Dessa forma, é vantajoso que neste tipo de ETAR ocorra um conjunto de processos positivos dos quais se destaca o tratamento dos resíduos, que se traduz na diminuição do impacto ambiental, bem como na transformação desses resíduos em recursos valorizáveis, através da valorização das lamas produzidas, da produção de biogás e da sua conversão em energia elétrica, complementada por sistemas fotovoltaicos, como melhoria em termos de eficiência energética. O presente trabalho endereçou exatamente esses objetivos, apresentando um caso de estudo envolvendo seis instalações, no qual se explorou o potencial de produção de energia a partir do biogás gerado na ETAR de matadouro, através de tecnologias como motores de combustão interna, microturbinas e células a combustível, assim como a aplicação de sistemas fotovoltaicos. Por forma a avaliar a eficiência energética das infraestruturas, foi efetuada a análise através da metodologia Enerwater e indicadores de benchmarking. Os resultados obtidos demonstraram que as ETARs de matadouros desempenharam um papel fundamental na redução do impacto ambiental resultante do processo de abate, sendo capazes de transformar resíduos em recursos úteis. Verificou-se que a valorização energética dos resíduos, sobretudo por via da produção de biogás e da sua conversão em energia elétrica, aumentou a eficiência energética das instalações, especialmente quando combinada com sistemas fotovoltaicos. A aplicação da metodologia Enerwater evidenciou oportunidades de melhoria e confirmou o potencial de otimização do desempenho energético. Concluiu-se, assim, que a valorização dos resíduos de matadouros constituiu uma solução viável e sustentável, promovendo uma gestão mais eficiente e alinhada com os princípios da economia circular.
- Validação de uma metodologia de cálculos de estimativas de produção de energia em parques fotovoltaicos em operaçãoPublication . FERREIRA, JESSICA TATIANA GARCIA; Mendonça, Jorge Manuel Pires; Pilão, Rosa Maria Barbosa RodriguesA transição energética é um dos grandes desafios do nosso tempo, e a energia solar fotovoltaica tem-se afirmado como catalisador desta transformação. Torna-se, por isso, indispensável dispor de metodologias robustas para estimar a produção a longo prazo em parques já em operação. Ao contrário das previsões de pré-construção, as estimativas pós-operacionais permitem recalibrar as projeções futuras de produção anual de energia, incorporando dados operacionais reais. Esta abordagem possibilita a redução das incertezas associadas a estudos energéticos preliminares, decisões de investimento, Power Purchase Agreements (PPAs) e avaliações de risco. Neste enquadramento, a presente investigação pretende validar a aplicabilidade da metodologia Measure–Correlate–Predict (MCP), originalmente desenvolvida no setor eólico, ao setor fotovoltaico, adaptando-a a dados mensais de produção real e a séries de radiação de longo prazo provenientes de bases reconhecidas. A abordagem assentou na regressão linear simples entre a produção medida e a série de radiação de referência, após uma análise comparativa de três bases (Solargis, PVGIS e ERA5) com o intuito de identificar a mais adequada para caracterizar cada parque. Esta etapa foi complementada por um processo de deteção de outliers, assegurando uma maior robustez das correlações. Em paralelo, foram explorados modelos alternativos como: regressão múltipla e algoritmos de machine learning (Random Forest e XGBoost) para comparar o respetivo desempenho preditivo com o MCP clássico. Os resultados evidenciam que, quando suportado por seleção criteriosa da base de radiação e por tratamento sistemático de outliers, o MCP apresenta desempenho consistente e fiável em contexto pós-operacional. As abordagens de machine learning revelam ganhos pontuais em cenários de maior variabilidade, constituindo um complemento pertinente à clareza e parcimónia da regressão linear. Em síntese, o estudo reforça a confiança nas estimativas de longo prazo em parques fotovoltaicos em operação, contribui para a redução de incertezas e informa decisões de investimento.
- Modelos de Gestão de Energia com BESS: Análise da Viabilidade Operacional e EconómicaPublication . SABENÇA, NUNO CARLOS SILVA; Castro, Olga dos Remédios SobralO presente trabalho avalia a viabilidade técnica e económica da implementação de um sistema de armazenamento de energia com recurso a baterias, tendo como caso de estudo o Parque Eólico do Alto Minho – uma instalação de produção renovável em operação, sob gestão da empresa Finerge, no âmbito de uma colaboração estabelecida para este estudo. A investigação fundamentou-se na análise de dados reais de produção do parque, complementados por dados meteorológicos para estimar períodos com registos em falta. Simultaneamente, foram incorporados dados do mercado elétrico nacional, de forma a refletir a dinâmica real dos preços e identificar oportunidades operacionais relevantes. Com base na integração destas fontes, foram desenvolvidos modelos estratégicos de gestão de energia, que consideraram múltiplas configurações de baterias e diversos spreads mínimos, com o objetivo de identificar condições operacionais favoráveis. As estratégias analisadas incluíram o aproveitamento de energia excedente (curtailment), a arbitragem de preços no mercado diário e a prestação de serviços de sistema. Do ponto de vista operacional, o modelo de gestão de energia multiestratégico – que integra todas as estratégias em análise – demonstrou uma clara superioridade face às abordagens baseadas em estratégias isoladas, alcançando lucros totais 547% superiores em relação ao modelo assente exclusivamente no aproveitamento de energia curtailed, 138% superiores face ao modelo baseado unicamente na arbitragem de energia, e 105% superiores relativamente ao modelo que combina curtailment e arbitragem. Estes resultados evidenciam não só a relevância da diversificação estratégica como elemento central para garantir a viabilidade do investimento, mas também o impacto positivo da integração da participação em serviços de sistema na estrutura operacional do modelo. A análise económico-financeira realizada demonstrou que as baterias com uma duração de 2 horas apresentam o melhor desempenho económico entre as alternativas estudadas. Em particular, a configuração de 40 MWh / 20 MW destacou-se como a mais eficiente, registando taxas internas de retorno entre 10,8% e 13,2%, um período de retorno do investimento de aproximadamente sete anos e um custo nivelado de armazenamento na ordem dos 70 €/MWh. Estes resultados evidenciam um desempenho económico sólido e competitivo, reforçando o potencial destas soluções no contexto da transição energética e da integração de fontes renováveis no sistema elétrico. Este estudo reforça a importância dos sistemas de armazenamento na transição energética, oferecendo base sólida para decisões em futuros investimentos no setor.
- Gamification for user engagement in renewable energy communities: Case studies from Italy and PortugalPublication . TORRES, ÂNGELO MIGUEL DA SILVA; Castro, Olga dos Remédios SobralThe transition to decentralized low-carbon energy systems increasingly depends on the active involvement of users, particularly within renewable energy communities. In this context, optimizing user behavior becomes both a technical and social priority. This thesis proposes an integrated framework that combines behavioral modeling, gamification, and incentive design to promote energy efficiency and self-consumption within these communities. The framework quantifies user actions, translates them into behavioral metrics, and rewards them through a customized point-based system. It was applied in two case studies, Porto and Torino, using a consistent methodology, though within different legislative environments. In the Italian case, a structured monetary incentive scheme significantly improved user responsiveness by enhancing the perceived value of behavioral changes. In Portugal, limited photovoltaic capacity and a non-linear bill reduction model made it more difficult for users to perceive the impact of their actions. Nevertheless, the results confirm that well-designed incentives can effectively engage users in varying contexts. The study was conducted over one week in both summer and winter, with the reported results representing the average across both seasons. Italian users generated an average of €23,29 per week in incentives, corresponding to 258,79 points. Portuguese users earned an average of 121,41 points per week, equivalent to €10,93. These points can be exchanged for personalized rewards adapted to the context of each community. On top of that, the gamification strategies could be scalable for the whole year, and the results showed that there is potential to get significant rewards for a year if the self-sufficiency is increased. The findings demonstrate that gamified, user-centric incentives are effective in aligning individual behavior with the collective goals of renewable energy communities. Future work should focus on smart metering, algorithmic load shifting, and harmonized legislation to fully unlock their potential, removing all the existing barriers.