Planning of 100% Renewable Energy Systems

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA integração de fontes renováveis no sector elétrico é uma realidade na maioria dos países europeus. O tema assume uma grande importância no sentido em que permite o aproveitamento dos próprios recursos energéticos, diminuindo a necessidade de matérias primas importadas, cuja utilização é responsável por problemas ambientais. No entanto, a intermitência das fontes renováveis obriga a um planeamento da sua implementação, de forma a avaliar o seu potencial, mas também as alternativas para os períodos de geração mais reduzida. A presente dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, na área de especialização de Energia, tem como objetivo o estudo do planeamento de Sistemas de Energia Elétrica 100% renováveis. Para tal, foi realizada uma simulação fiel do Sistema Elétrico de Portugal Continental no ano de 2016. Tal serviu de base para a elaboração de cenários futuros, até ao ano de 2040, tendo em conta previsões relacionadas com o aumento da produção de origem renovável e da diminuição da produção proveniente de combustíveis fósseis. Os cenários elaborados tiveram em conta as características específicas do Sistema Elétrico Português, tanto no que diz respeito à aposta em tecnologias renováveis especificas e vistas com maior potencial de desenvolvimento, mas também às limitações impostas pelas condições geográficas do país e pela inviabilidade do investimento em outras tecnologias que já estão a atingir o seu potencial máximo aproveitável. A ferramenta utilizada durante o desenvolvimento deste trabalho foi o EnergyPLAN, um software de simulação de sistemas de energia que assegura a sua avaliação com base na distribuição do consumo e da disponibilidade das fontes renováveis intermitentes, permitindo avaliar com detalhe as evoluções dos sistemas simulados. O trabalho visa sobretudo uma análise técnica a longo prazo com base nos problemas que resultam da intermitência das fontes renováveis consideradas, que originam períodos de escassa geração e outros de geração em excesso, e na forma como o Sistema Elétrico será capaz de lidar com os mesmos para a garantir a sua fiabilidade. É avaliada a possibilidade da operação de um Sistema Elétrico 100% renovável recorrendo a soluções de armazenamento de energia, nomeadamente a baterias de iões de lítio, de forma a assegurar a fiabilidade do sistema. Concluiu-se que tal é tecnicamente possível, mas que não é economicamente viável.The integration of renewable energy sources in the electricity sector is a reality in most European countries. The subject becomes very important since it allows the use of internal energy resources, reducing the need of imported fuels that are responsible for environmental problems. However, the intermittence of renewable energy sources requires the planning of its implementation in order to evaluate its potential, as well as alternatives for periods with low generation levels. This Master thesis in Electrical and Computer Engineering in the specialization of Energy aims to study the planning of 100% renewable energy systems. For this purpose, a simulation for the mainland Portuguese electricity system in 2016 was developed. Such simulation was used as starting point for the development of future scenarios, until 2040, considering forecasts related with the increase of renewable energy generation and decrease of fossil fuels based generation. The developed scenarios take into consideration the specific characteristics of the Portuguese Electric System, considering not only the focus on specific renewable technologies with larger potential for development, but also the limitations imposed by the geographical conditions of the country and the inviability of the investment in technologies already reaching its maximum usable potential. The tool used during the development of this work was EnergyPLAN, a software for the simulation of energy systems that ensures its assessment based on the distribution of the consumption and the availability of the intermittent renewable sources, allowing to observe in detail the evolutions of the simulated systems. The work mainly aims to present a long-term technical analysis based on the problems created by the intermittency of the considered renewable generation sources, that result in periods with lack or surplus generation, and in the way how the Electrical System will be able to deal with such problems to ensure its reliability. The possibility of operating a 100% Renewable Electric system is evaluated using energy storage solutions, in particular lithium ion batteries. It was concluded that such option is technically possible, but not cost-effective