Auto-Suficiência Energética

Transcrição

1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Auto-Suficiência Energética Casa independente a nível energético Projeto FEUP : Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo Equipa 01: Supervisor: Adriano da Silva Carvalho Monitor: André Couto Autores: Ana Cancela up @fe.up.pt Diogo Pinto up @fe.up.pt Henrique Teixeira up @fe.up.pt José Fonseca up @fe.up.pt Pedro Martins up @fe.up.pt Tiago Pinto up @fe.up.pt Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 1/19

2 Resumo Este trabalho foi proposto através da unidade curricular Projeto FEUP, que tem como objectivo desenvolver as capacidades de trabalho em equipa, essenciais para o dia-a-dia de um engenheiro. O relatório realizado incide sobre a problemática de uma casa situada no Porto, independente a nível energético. Após uma introdução relativamente aos gastos energéticos de uma casa tipo que nos foi indicada, desenvolve-se um estudo acerca das várias opções energéticas alternativas. Por último, é feita uma conclusão posterior à análise de tudo o que foi explorado no trabalho. Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 2/19

3 Agradecimentos Gostaríamos de expressar o nosso agradecimento especial ao nosso supervisor, o profesor Adriano da Silva Carvalho, por toda a motivação e orientação que ele nos deu, incitando-nos constantemente para fazermos o nosso melhor. Queremos também agradecer ao monitor André Couto, por toda a informação fornecida e ajuda prestada, tornando a nossa tarefa muito mais fácil e agradável. Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 3/19

4 Índice Lista de figuras 5 Lista de gráficos 6 1. Introdução 7 2. Gastos energéticos 8 3. Energia 3.1 Energia Fotovoltaica Vantagens Desvantagens Cálculos Energia Eólica Vantagens Desvantagens O Contexto Conclusões 17 Referências bibliográficas Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 4/19

5 Lista de Figuras Figura 1 Célula Fotovoltaica 9 Figura 2 Distribuição global da irradiação solar 10 Figura 3 Velocidade média do vento em Portugal 14 Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 5/19

6 Lista de Tabelas Gastos energéticos 8 Comparação de micro-turbinas 15 Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 6/19

7 Introdução Devido à revolução tecnológica que se tem vindo a verificar e o consequente aumento do uso de aparelhos que requerem energia elétrica, é, cada vez mais, uma necessidade procurar alternativas económicas que permitam cobrir os gastos energéticos em causa. Foi proposto o desafio que consiste em analisar os preços do mercado atual, criar o modelo de uma casa com um sistema que satisfaça as suas necessidades energéticas, utilizando os elementos disponíveis, na cidade do Porto. Assim sendo, pretende-se apresentar uma solução que seja economicamente rentável em relação aos serviços disponíveis no mercado. Atualmente, é habitual uma casa não ser totalmente independente a nível energético. É utilizada a energia proveniente de empresas distribuidoras de energia. No entanto, apesar de haver várias alternativas o mais vantajoso para uso doméstico é o aproveitamento da energia eólica e solar. Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 7/19

8 Gastos Energéticos Nome do aparelho Potência do aparelho (kw) kwh gastos por dia (em média) Frigorífico 140 0,140*24= 3,36 Forno 3,6 3,6*(1/2)= 1,8 Placas 3,6 3,6*1=3,6 Lâmpadas (casa com 17 lâmpadas) 0,020 0,020*17*6=2 Computador (torre) 0,047 0,047*6=0,028 Exaustor 0,150 0,150*1=0,150 Secador de cabelo 1 1*1/2=0,5 Torradeira 0,8 0,8*1/12=0,067 Microondas 0,75 0,75*1/3=0,25 Máquina de lavar a louça 1,5 1,5*1=1,5 Máquina de lavar a roupa 1,5 1,5*1/3=0,5 (divide-se por 3 dias a ação) Iluminação exterior 0,1 0,1*6=0,6 Televisão 0,036 0,036*6=0,216 Cilindro 1,5 1,5*3/4=1,125 Máquina de café 0,1 0,1*5/60=8,3^-3 Total de gastos energéticos diários 16 (aproximandamente) Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 8/19

9 Energia Fotovoltaica: Energia Entre as tecnologias existentes para gerar energia, os painéis solares além de serem economicamente mais acessíveis, podem ser, em princípio, aplicados em qualquer lugar, desde que recebam alguma luz solar durante o dia. O rendimento dos painéis fotovoltaicos é influenciado pela exposição solar e pelo ângulo de incidência dos raios solares. Os painéis fotovoltaicos produzem energia através da transformação direta da luz em energia elétrica, recorrendo-se a células solares. Neste processo, são utilizados materiais semicondutores como silício, arseniato de gálio, telurieto de cádmio ou disselenieto de cobre e ińdio. A célula de silício cristalina é a mais comum. Atualmente, cerca de 95 % de todas as células solares existentes são de silício. O silício é o segundo elemento químico mais frequentemente utilizado na Terra e apresenta uma disponibilidade quase ilimitada. O silício não existe como um elemento químico. Existe apenas associado à areia de sílica. O material utilizado nas células solares (figura 1) deve ser da maior pureza possível. Isto pode ser conseguido através de sucessivas etapas na produção química. Até aos dias de hoje, os fabricantes de células solares têm obtido, na sua maior parte, o material purificado do desperdício da industria electrónica de semicondutores. Figure 1 Célula Fotovoltaica Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 9/19

10 Vantagens: A energia solar não polui durante o seu uso; As centrais necessitam de manutenção mínima; Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que o custo dos mesmos vem decaindo. Isto torna, cada vez mais, a energia solar uma solução economicamente viável e rentável; A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso (figura 2), pois a sua instalação em pequena escala não obriga a que se realize um investimento elevado em linhas de transmissão. Figure 2 - Distribuição Global da irradiação solar (W.h/m 2 ) Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 10/19

11 Desvantagens: Existem variações nas quantidades de energia produzidas de acordo com a situação climatérica (chuvas, neve), além de que, durante a noite, não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia (a que circula no sistema). Há que fazer um investimento adicional em baterias que detenham a capacidade necessária para se armazenar a energia produzida; Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de Inverno devido à menor disponibilidade diária de irradiação solar. Locais com frequente nebulosidade (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção; As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas por exemplo aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a energia hidroeléctrica (água) e a biomassa; Em média, os painéis solares apenas conseguem absorver 14% da energia que lhes é fornecida, pois os outros 86% representam a energia que é refletida e desperdiçada devido à imperfeição dos cristais que constituem as células fotovoltaicas. Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 11/19

12 Cálculos: Considerando-se um painel 1,64x0,99 (aproximadamente 1,62m2) com uma potência de 250Wp: - Horas de exposição solar: horas de inverno=10,5h horas de verão=15h média horas diárias=(15+10,5)/2 -Potência produzida por painel/dia (considera-se ⅔ do dia com potência maximal): Potência produzida p/ painel= 0,250*12,75*(2/3) =2,13 kw.h -Número de painéis fotovoltaicos necessários: 10/2,13=4,69 (aproximadamente 5 painéis fotovoltaicos) Em média o preço em euros (incluindo custos de manutenção, equipamento e instalação) por kw de potência do painel é: 1200 /m2. Logo, como vamos necessitar de 5 painéis solares e cada um deles tem uma potência de 250W, o investimento andará à volta dos Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 12/19

13 Energia Eólica: A utilização da energia eólica advém da antiguidade, sendo esta já usada para irrigação e alimentação de máquinas. Atualmente o seu uso principal é o da produção de eletricidade e neste contexto possui varias vantagens dentro das energias renováveis que a tornam muito merecedora de atenção no âmbito deste projeto. Antes de mais, é importante descrever como é como funciona a energia eólica: O princípio de funcionamento baseia-se na conversão da energia cinética, (que é resultante do movimento de rotação causado pela incidência do vento nas pás do rotor da turbina) em energia elétrica. As pás das máquinas modernas são dispositivos aerodinâmicos com perfis especialmente desenvolvidos, equivalentes às asas dos aviões ( Pedro Henrique Jochims Rossi (Engenharia de Controle e Automação PUCRS) e Cássia Pederiva de Oliveira (Engenharia Mecânica PUCRS) sob supervisão de: Prof. Jorge VillarAllé). Vantagens: A produção de energia eólica tem várias vantagens comparativamente a outros métodos de produção de energia de forma autónoma. Em primeiro lugar as turbinas eólicas horizontais constituem uma tecnologia muito madura dentro das renováveis e com diversas soluções comerciais que permitem uma escolha ponderada e adaptável às especificidades de cada situação. Além disso, a energia eólica pode trabalhar a qualquer altura do dia independentemente do sol, providenciando energia ininterruptamente sem o auxílio de baterias, desde que haja vento. Isto faz dela um excelente complemento à produção por painéis solares. A localização da casa em estudo torna-a também mais vantajosa pela abundância relativa de vento na região circundante ao Porto (figura 3). Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 13/19

14 Figure 3 - Velocidade média do vento em Portugal Continental de metros de altitude Desvantagens: Existem desvantagens para as turbinas eólicas. Primeiramente as turbinas horizontais requerem um fluido laminar e sem turbulências que reduzem a eficiência destas. Este é um problema que as turbinas verticais resolvem. Por outro lado, as turbinas verticais apesar de tudo são excessivamente caras e no seu estado atual não oferecem retorno económico, como será demonstrado. Por último, mas não menos importante, é de ressalvar o facto de que as turbinas eólicas necessitam de uma velocidade mínima de vento, que varia de turbina para turbina, mas situa-se nos 2 a 3 m por segundo, pelo que a produção energética num dia de pouco vento poderá ser nula. Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 14/19

15 O contexto do projeto: A cidade do Porto, zona litoral atlântica, é propícia a ventos capazes de produção elétrica. Para mais e tomando os dados do atlas português dos ventos, podemos obter uma noção detalhada do número de horas nominais (produção máxima de energia) correspondentes ao funcionamento de uma turbina eólica no Porto. Este valor situa-se na ordem das 2200 horas nominais por ano (ou cerca de 6 horas por dia), o que representa uma eficiência de 25% comparativamente a uma situação ideal. Mesmo assim, tendo em conta os custos (80% turbina, 20% instalação), podemos analisar a viabilidade das turbinas tendo como referencia os valores de mercado e as características de uma serie de turbinas eólicas. Para a tabela abaixo indicada, foram consideradas viáveis as turbinas cujo investimento inicial era retornado em menos de 7 anos pela poupança que estas representavam na conta elétrica. O consumo é o acima calculado (16kWh por dia). Tempo de retorno (anos) 15,91 6,30 6,27 16,81 5,81 3,93 8,01 8,56 5,04 67,56 47,59 15,62 11,57 Valor comercial energia ( ) 59, , , , Custo final[1] ( ) ,25 931, ,5 1438, ,5 3966, , , , , ,7 5 Custo base ( ) Percentagem do consumo 6,78 15,07 16,95 22,60 28,25 37,67 56,51 113,01 226,03 2,07 11,30 75,34 169,52 Energia dia medio Porto (kwh) 1,08 2,41 2,71 3,62 4,52 6,03 9,04 18,08 36,16 0,33 1,81 12,05 27,12 Energia por hora em condições ideais (kwh) 0,18 0,40 0,45 0,60 0,75 1,00 1,50 3,00 6,00 0,06 0,30 2,00 4,50 Potência pico (W) Tipo de turbina Horizontal Vertical Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 15/19

16 [1]Custo final= Custo turbina*80% + Instalação e manutenção*20% A análise dos resultados obtidos permitiu-nos chegar a várias conclusões para a questão. Em primeiro lugar, provou-se que as turbinas eólicas verticais não são minimamente viáveis para a produção energética, pois a sua diminuta produção elétrica está conjugada a custos proibitivos. Além disso, a colocação de turbinas eólicas horizontais é viável numa boa parte das situações pois existe um retorno económico para estas nos modelos mais competitivos. Desta forma, a simples colocação de 6 turbinas idênticas à turbina de 1000W permitiria suprir 6 KW dos 16 KW necessários por um custo de aproximadamente Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 16/19

17 Conclusões: Convergindo todos os dados recolhidos, conclui-se que a solução que foi explorada é viável, no entanto, todos os projetos, apresentam alguns pontos mais fracos. Como já foi referido anteriormente, para os painéis e as microturbinas funcionarem em pleno são necessárias condições específicas (vento e irradiação solar). Um dia sem vento ou então um dia sem sol poderiam comprometer o bom desempenho do sistema planeado. Quando existir uma alternativa viável que permita ao sistema armazenar energia que não é aproveitada ou produzida em excesso, será possível fazer um upgrade ao sistema. Consequentemente este tornar-se-á mais eficaz nas falhas apontadas anteriormente e, será possível cobrir os gastos energéticos durante estes períodos referidos. Por fim, pode-se afirmar que as energias renováveis são, de facto, o futuro e prevê-se que, dentro de poucas décadas, todas as casas serão auto-suficientes energeticamente. Auto-Suficiência Energética - Casa Independente a nível energético 17/19

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