Estudo de Sistemas de Microprodução De Energia Eléctrica Híbridos Que Utilizam a Energia Solar E Eólica

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1 Departamento de Engenharia Electrotécnica Estudo de Sistemas de Microprodução De Energia Eléctrica Híbridos Que Utilizam a Energia Solar E Eólica Trabalho de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia Autor João Pedro São Miguel Marques Orientador Doutor Adelino Jorge Coelho Pereira Instituto Superior de Engenharia de Coimbra Coimbra, Dezembro, 2011

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3 Instituto Politécnico de Coimbra Instituto Superior de Engenharia Estudo De Sistemas de Micro-Produção de Energia Eléctrica Híbridos que Utilizam a Energia Solar e Eólica Orientador(es): Adelino Jorge Coelho Pereira Professor Doutor, ISEC João Pedro São Miguel Marques Projecto para obtenção do Grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia COIMBRA Dezembro 2011

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5 Faça sendo, aprenda fazendo Buda i

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7 Agradecimentos Muito embora este tipo de projectos sejam, até pela sua finalidade académica, trabalhos individuais, há muitos contributos que importam ser realçados e sem os quais muito provavelmente o grau de dificuldade seria muito maior e aos quais apresento aqui o meu agradecimento e também dedicatória. Em primeiro lugar queria agradecer ao Professor Doutor Adelino Pereira que confiou em mim a realização deste trabalho, assim como toda a sua ajuda e por se apresentar sempre disponível para discutir o quer que fosse dando sempre a sua opinião crítica da forma mais clara possível. Aos meus pais, não só por mais uma vez me apoiarem e estarem ao meu lado quando decidi entrar neste Mestrado, mas também por tudo o que me proporcionaram na vida e por nunca deixarem de acreditar em mim. A toda a minha família desde avós, tios e primos pelas constantes mensagens de apoio e demonstrações de carinho e preocupação que me permitiram continuar a trabalhar. À minha namorada Joana por toda a paciência demonstrada, por me amparar em momentos menos bons numa altura em que também ela se deparava com muito trabalho. A todos os meus amigos e colegas que me perdoem por não dedicar directamente, mas tornar-se-ia um agradecimento demasiado extenso. Porém, queria agradecer-lhes por todo o apoio, ajuda e, acima de tudo, pela compreensão e tolerância pela minha indisponibilidade em determinados momentos. Por último, gostava de dedicar um agradecimento e uma dedicatória especial ao meu avô Mário Alves pela pessoa que foi, por tudo o que fez e me ensinou, por ser a minha fonte de inspiração e cujas pisadas procuro seguir todos os dias. iii

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9 Resumo O presente relatório visa o tema dos sistemas de produção de energia eléctrica híbridos focados em duas tecnologias principais: a conversão da energia solar e da energia eólica em energia eléctrica. Numa altura em que o impacto ambiental causado pelo ser humano é cada vez maior, levando mesmo à escassez de bens materiais e em que a saúde económica de vários países atinge o limiar da sustentabilidade, é importante incentivar e promover medidas e tecnologias que permitam tornar o planeta Terra num sítio melhor para se viver, tendo sempre em atenção o menor custo possível. É neste panorama que surgem os sistemas eléctricos híbridos com capacidade de dar uma resposta às necessidades energéticas, utilizando energias limpas e inesgotáveis e garantindo um ininterrupto e fiável fornecimento de energia. Foi desenvolvida uma aplicação computacional que permite dimensionar e criar vários cenários de sistemas híbridos que conciliem a conversão das energias solar e eólica em energia eléctrica. Este dimensionamento garantirá uma optimização dos sistemas produtores de energia, assim como a criação de vários cenários e respectivas análises energéticas e económicas. Será feita uma extensa explicação dos fenómenos de produção de energia através de fontes renováveis, em particular as acima referidas, do problema da sustentabilidade mundial e, por último, do programa computacional desenvolvido com as devidas comprovações através da criação de cenários hipotéticos. Palavras-chave: Sistemas híbridos eléctricos, energia fotovoltaica, energia eólica, software de dimensionamento, MatLab GUI, Portugal v

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11 Abstract The purpose of this paper report is to give a glimpse on hybrid electric systems that use renewable energy as their main sources. In a world where environmental aspects are being left behind due to the economic ones, and when the planet Earth starts to resemble all the harm that human beings have been causing, it s urgent that a more cleaner and inexhaustibly type of energy emerge. That s the main characteristic in the electric hybrid systems, they use clean sources of energy and they also allow an interrupt and a reliable energy supply during different parts of the day and on various environments. A simple software was developed with the possibility to dimension and study different scenarios so it could demonstrate the potential of this technologies. This computer tool will allow the user to do economic and energetic analyses for different case scenarios using wind and photovoltaic power sources. On this report the reader can also find an extended explanation on both technologies studied as all the energy converting process. Keywords: Electric hybrid systems, photovoltaic energy, wind energy, MatLab, dimensioning software vii

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13 Índice Agradecimentos iii Resumo v Abstract vii Índice ix Lista de Figuras xiii Lista de Tabelas xvii Nomenclatura xix 1 Introdução Contextualização e Motivação Principais objectivos Organização do relatório 24 2 Energias Renováveis motivação e situação actual no Mundo, Europa e Portugal Sustentabilidade Energias Renováveis, cenário energético mundial Energias Renováveis, cenário Português Produção de Energia Eléctrica através de fontes Energias Renováveis Situação Europeia Situação Portuguesa Enquadramento Legal 37 3 As tecnologias fotovoltaica e eólica Fotovoltaica Breve história do fenómeno fotovoltaico Propriedades da Luz Solar Radiação Solar Fenómeno fotovoltaico Célula fotovoltaica 52 ix

14 Tipos de células fotovoltaicas Células de Silício monocristalino Células de Silício policristalino Células de Silício amorfo Outro tipo de células Equipamentos fotovoltaicos Painéis fotovoltaicos Características dos painéis fotovoltaicos Seguidores Solares Outros exemplos de sistemas solares Eólica Enquadramento histórico da energia eólica Propriedades do Vento Fenómeno eólico Lei de Betz Aerogeradores Tipos de aerogeradores Aerogeradores de eixo vertical Aerogeradores de eixo horizontal Constituição de um aerogerador de eixo horizontal Aerodinâmica dos aerogeradores Controlo de potência Outras tecnologias futuras Sistemas Eléctrico Híbridos Definição e enquadramento histórico Equipamentos Inversores Baterias Quadros, cabos eléctricos e outros dipositivos 85 4 Software e dados utilizados MatLab MatLab GUI Dados climatéricos Software Estrutura do software Como funcionar com o software 96 5 Resultados Caso I Sistema Independente Caso II Sistema conjugado 110 x

15 6 Conclusões Considerações finais Trabalho a desenvolver futuramente 117 Referências 118 ANEXOS 124 Anexo I Código fonte do programa 125 Anexo II Painel fotovoltaico utilizado 143 Anexo III Primeiro aerogerador utilizado 145 Anexo IV Primeiro inversor utilizado 146 Anexo V Segundo aerogerador utilizado 147 Anexo VI Segundo inversor utilizado 148 xi

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17 Lista de Figuras Figura 2.1 Representação gráfica dos três pilares da sustentabilidade [7] 5 Figura 2.2 Produção de energia mundial por combustível [8] 6 Figura 2.3 Evolução produção de energia através de fontes renováveis [8] 7 Figura 2.4 Mapa representativo do investimento total da tecnologia fotovoltaica na União Europeia [16] 11 Figura 2.5 Mapa representativo do investimento total da tecnologia eólica na União Europeia [12] 13 Figura 2.6 Gráfico com a potência instada no Sistema Eléctrico Nacional [18] 13 Figura 2.7 Evolução da energia eléctrica produzida através de fontes renováveis (TWh) [19] 15 Figura 2.8 Produção de energia eléctrica a partir de fontes renováveis por distrito em 2009 [19] 16 Figura 3.1 Movimento anual da Terra à volta do Sol [34] 27 Figura 3.2 Tipos de radiação solar [36] 28 Figura 3.3 Tipos de albedo e valores respeitantes [36] 29 Figura 3.4 Mapa da radiação solar em Portugal [37] 29 Figura 3.5 Conjunto de átomos de Silício 30 Figura 3.6 Conjunto de átomos de Silício com um átomo de elemento Fósforo 30 Figura 3.7 Conjunto de átomos de Silício com um átomo de elemento Boro 31 Figura 3.8 Exemplo do funcionamento de uma junção pn [39] 32 Figura 3.9 Corte transversal de uma célula fotovoltaica [40] 32 Figura 3.10 Esquema equivalente de uma célula fotovoltaica [41] 33 Figura 3.11 Comportamento ideal de um díodo / célula fotovoltaica [42] 33 Figura 3.12 Célula fotovoltaica de Silício monocristalino [43] 35 Figura 3.13 Célula fotovoltaica de Silício policristalino [43] 36 Figura 3.14 Célula fotovoltaica de Silício amorfo [43] 37 Figura 3.15 Ligação de células fotovoltaicas num painel em paralelo [41] 38 Figura 3.16 Ligação de células fotovoltaicas num painel em série [41] 39 Figura 3.17 Ligação de células fotovoltaicas com um díodo de bypass [36] 39 Figura 3.18 Ligação de células fotovoltaicas com um díodo de bloqueio [36] 39 Figura 3.19 Curva característica IxV [36] 40 Figura 3.20 Curva característica PxV [36] 40 Figura 3.21 Características potência máxima [36] 41 Figura 3.22 Influência da radiação solar numa célula fotovoltaica [36] 42 xiii

18 Figura 3.23 Influência da temperatura numa célula fotovoltaica [36] 43 Figura 3.24 Velocidade média do vento em Portugal Continental [46] 48 Figura 3.25 Comparação da potência gerada com a velocidade do vento [48] 50 Figura 3.26 Limite de Betz [49] 51 Figura 3.27 Lei de Betz [50] 51 Figura 3.28 Limite de Betz 52 Figura 3.29 Aerogerador com rotor de Savonius [53] 54 Figura 3.30 Aerogerador com rotor de Darrieus [54] 55 Figura 3.31 Representação do ruído causado por um aerogerador [50] 56 Figura 3.32 Constituição de um aerogerador [55] 57 Figura 3.33 Principais forças que actuam sobre uma pá em movimento [57] 58 Figura 3.34 Protótipo de modelo que pretende produzir energia eléctrica através do auxílio do vento [59] 60 Figura 3.35 Torre eólica WindFloat produzida pela EDP Inovação [61] 60 Figura 3.36 Exemplo de um sistema eléctrico híbrido [63] 62 Figura 3.37 Inversor utilizado em instalações solares e eólicas [64] 63 Figura 3.38 Exemplo de uma bateria de um sistema fotovoltaico [65] 64 Figura 3.39 Exemplo do funcionamento de uma bateria [66] 64 Figura 3.40 Exemplo de um quadro eléctrico [67] 66 Figura 3.41 Cabo do tipo ZZ-F [68] 66 Figura 3.42 Cabo do tipo XZ1FA3Z-K [68] 67 Figura 4.1 Logótipo MatLab [69] 69 Figura 4.2 Exemplo de um ficheiro criado em MatLab GUI [69] 70 Figura 4.3 Ecrã inicial do software 77 Figura 4.4 Ecrã do software após a selecção do sistema a dimensionar 79 Figura 4.5 Ecrã inicial do software 80 Figura 4.6 Análise energética do ficheiro hybrid.xls 80 Figura 4.7 Análise económica do ficheiro hybrid.xls 81 Figura 4.8 Algoritmo utilizado para o desenvolvimento do programa (imagem 1) 82 Figura 4.9 Algoritmo utilizado para o desenvolvimento do programa (imagem 2) 83 Figura 5.1 Dimensionamento efectuado para o primeiro caso de estudo 86 Figura 5.2 Dimensionamento efectuado para o primeiro caso de estudo com os outros equipamentos 88 Figura 5.3 Dimensionamento efectuado para o segundo caso de estudo 92 Figura 5.4 Dimensionamento efectuado para o segundo caso de estudo com diferentes equipamentos 94 xiv

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21 Lista de Tabelas Tabela 2.1 Evolução da tecnologia europeia nos países da União Europeia em GW [13], [14], [15], [16] 11 Tabela 2.2 Evolução da tecnologia europeia nos países da União Europeia [12] 12 Tabela 2.3 Tabela com a potência instada no Sistema Eléctrico Nacional [18] 14 Tabela 2.4 Evolução histórica da energia eléctrica produzida através de fontes renováveis em Portugal (GWh) [19] 14 Tabela 2.5 Evolução histórica da potência total instalada através de fontes renováveis (MW) 15 Tabela 2.6 Evolução da energia eléctrica produzida através de renováveis em Portugal Continental (excluindo a pequena geração fotovoltaica (GWh) [19] 16 Tabela 2.7 Evolução da Potência Instalada total de renováveis em Portugal Continental (exclui-se a grande hídrica (> 30 MW) e pequena fotovoltaica (MW)) [19] 17 Tabela 4.1 Dados da temperatura média mensal para as capitais de distrito de Portugal 71 Tabela 4.2 Dados da radiação média mensal para as capitais de distrito de Portugal 71 Tabela 4.3 Dados da inclinação do painel fotovoltaico para as capitais de distrito de Portugal 72 Tabela 4.4 Dados da velocidade média do vento para as capitais de distrito de Portugal 73 Tabela 4.5 Dados da predominância média do vento para as capitais de distrito de Portugal 73 Tabela 5.1 Tabela com os resultados obtidos para o dimensionamento do primeiro caso 81 Tabela 5.2 Análise energética para o caso I 82 Tabela 5.3 Análise energética para o caso I com diferentes equipamentos 83 Tabela 5.4 Análise económica para o caso I com diferentes equipamentos 84 Tabela 5.5 Análise económica para o caso I com tarifas de Tabela 5.6 Tabela com os resultados obtidos para o dimensionamento do primeiro caso 86 Tabela 5.7 Análise energética para o segundo caso de estudo 87 Tabela 5.8 Análise energética para o segundo caso de estudo com diferentes equipamentos 88 Tabela 5.9 Análise económica para o segundo caso 95 Tabela 5.10 Análise económica para o segundo caso 96 xvii

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23 Nomenclatura Abreviaturas kwh GW MW ERSE kilowhatt-hora GigaWatt MegaWatt Entidade Reguladora dos Serviços Energéticos DGEG Direcção Geral de Energia e Geologia SEI $/Wp MWp km V OC I CC P M V MP I MP m/s Sistema Eléctrico Independente Dólar por Watt-pico MegaWatt-pico Quilómetro Tensão em circuito aberto Corrente em curto-circuito Potência máxima Tensão na potência máxima Corrente na potência máxima metro por segundo Letras e símbolos K Si P B E h c I Kelvin Silício Fósforo Boro Energia de cada fotão (ev) Constante de Plank (6,626 x J.s) Velocidade da luz (m/s) Corrente da célula fotovoltaica (A) xix

24 I ph Corrente gerada pela luminosidade da célula (A) R s Rsh Resistência série (Ω) Resistência shunt (Ω) k Constante de Boltzmann (k=1,38 x ) q P U I Carga do electrão (k=1,602 x C) Corresponde à potência Tensão aos terminais de uma carga / gerador Corrente do circuito T c Temperatura na célula (º C) T a Temperatura ambiente (º C) E m Luminosidade média (W/m 2 ) TUC E c m v A C I t Temperatura da utilização da célula (ºC) Energia cinética do corpo em movimento Massa do corpo em movimento Velocidade do corpo Área de uma superfície cilíndrica (m) Capacidade da bateria (Ah) Intensidade da corrente da bateria (A) Tempo (h) Caracteres gregos λ Gama de comprimentos de onda ( m) 0 0 Ω Permeabilidade do vazio (8,85 x F/m) Permitividade do vazio (4π x 10-7 WA/m) Ohm Densidade do ar (1,2 kg/m 3 ) xx

25 1 Introdução 1.1 Contextualização e Motivação A energia eléctrica tem, presentemente, um papel catalítico na vivência da humanidade sendo impensável ao homem viver sem ela. Desde as necessidades mais triviais (como assistir televisão, ligar o computador ou mesmo uma simples lâmpada de uma divisão) até aos grandes consumos (como a indústria e os serviços de saúde) tudo passa pela energia eléctrica. Devido à sua enorme importância, é de prever que este seja um bem essencial muito solicitado e onde existem muitos interesses políticos, sociais e económicos. Desde a produção, passando pelo transporte, distribuição até ao consumidor final, há um sem número de interesses a respeitar de forma a garantir um mercado regulado e equilibrado. No âmbito deste projecto ter-se-á em foco a produção de energia eléctrica, pois é aqui que reside o primeiro grande obstáculo em todo o processo. Nos primórdios da geração da energia, recorria-se à queima de combustíveis fosseis como o petróleo, o carvão e o gás natural para produzir energia eléctrica. Contudo, veio a provar-se que a queima de combustíveis fósseis libertava uma grande quantidade de dióxido de carbono, provocando um grande impacto ambiental no meio ambiente. Outro grande, e importante problema relacionado com a queima de combustíveis fósseis, é o facto de não serem renováveis, esgotando-se no caso de utilização excessiva. Assim, segundo um estudo realizado pela Universidade da Califórnia nos Estados Unidos da América, estima-se que as reservas mundiais de petróleo se venham a esgotar em 2041 [1]. Relativamente, às reservas de carvão prevê-se que se extingam dentro de 200 anos e as de gás natural daqui a 60 anos [2]. Atendendo a que em 2007 se assistiu a uma produção de energia eléctrica mundial na ordem dos 18,8 triliões kwh, onde quase 8 triliões provinham de centrais termoeléctricas que usam o carvão como fonte principal de combustível, 3,5 triliões provenientes do gás natural e apenas pouco mais de 3 triliões provinham de fontes de energia renováveis e que em 2035 se prevê um aumento deste valor em cerca de 87 %, passando para os 25 triliões kwh de energia eléctrica produzida [3], é urgente lograr outro tipo de produção de energia que permita dar resposta a todas as solicitações, mas também que não provoque grandes desastres ambientais. 21

26 É neste âmbito que surgem as energias renováveis que, inicialmente, tiveram especial incidência nas centrais hidroeléctricas (barragens). Recentemente, encetou-se uma maior aposta na energia solar, uma vez que este tipo de produção de energia é, igualmente, considerada limpa e não causa um impacto ambiental tão grande como as barragens. Por outro lado, esta tecnologia permite uma utilização doméstica, através da implementação de painéis fotovoltaicos ou de mini-aerogeradores. Em Portugal, no ano de 2008, cerca de 29% da energia eléctrica destinava-se a consumo doméstico e 32% estavam reservados para os Serviços Públicos. Estes dois apenas eram superados, em cerca de 36%, pela Indústria existente no País [4]. Face a este cenário, com o aumento do número de clientes ligados à rede a aumentar anualmente e com a implementação dos veículos eléctricos, o Governo Português decidiu criar incentivos e condições que permitissem recorrer-se àquele tipo de produção de energia. Assim, em 2007, foi aprovado em Conselho de Ministros o Decreto-Lei nº 363/2007, que foi publicado em A legislação sofreu algumas modificações, estando agora em vigor a segunda alteração daquele Decreto- Lei, o Decreto-Lei nº 118-A/2010. Esta lei visa a produção de energia eléctrica para consumo próprio ou para posterior venda à rede eléctrica nacional. O citado Decreto-Lei permite que se produza energia através de diversas fontes de energia, desde a solar, eólica, hídrica, cogeração, bio-massa, pilhas de combustível com base em hidrogénio proveniente de microprodução renovável e também através da co-geração não-renovável. O incentivo surge com maior foco nas fontes de energia renováveis, sendo que o produtor de energia eléctrica é subsidiado em 100% da tarifa em vigor para o caso de uma microprodução com base na energia solar, 80% com base na energia eólica e assim sucessivamente pela ordem anteriormente apresentada, até aos 40% destinados à co-geração não-renovável [5]. Como se pode denotar, no Decreto-Lei nº118-a/2010, existe um maior incentivo e interesse para que se produza energia eléctrica através da fonte solar e eólica. Isto deve-se ao facto da boa situação geográfica de Portugal para este tipo de fontes de energia e também porque esta é uma tecnologia constantemente em evolução e, como tal, com elevado grau de eficiência em comparação com as restantes formas alternativas de produção de energia. Apesar de serem duas excelentes formas de produção de energia e de possuírem bons níveis de eficiência, para além de não emitirem gases de estufa, esta tecnologia apresenta ainda algumas lacunas quando não se encontram reunidas as condições meteorológicas ideais (um painel fotovoltaico não produz energia sem Sol, assim como um aerogerador não consegue produzir sem vento). 22

27 Assim, os sistemas híbridos permitem juntar o melhor de dois mundos. Colocando um painel fotovoltaico em sintonia com um aerogerador é possível optimizar-se a produção de energia em situações de céu enublado ou de vento reduzido, garantindo assim que exista produção de energia eléctrica, independentemente da altura do ano, hora do dia, etc. Estes sistemas, ainda pouco desenvolvidos, podem revolucionar seriamente o mercado da produção de energia eléctrica, através de fontes renováveis, pois para além de conseguirem suprimir as lacunas dos outros sistemas, apresentam um maior grau de eficiência. Ao implementar-se sistemas híbridos é necessário dimensionar bem a zona geográfica onde irão ser colocados. Existem vários tipos de programas tais como o Homer (concebido pelo National Renewable Energy Laboratory NREL), o PVS (Instituto Fraunhofer especializado em Sistemas de Energia Solar), o Hybrid2 (Universidade de Massachusetts), o PVSYST (Univerdade de Genebra e o conhecido RETScreen do CANMET (Centro de Tecnologia Energética e Recursos Naturais do Canada) que já permitem um dimensionamento correcto e fiável. Contudo, é de todo interesse que exista uma solução nacional e preparada para a situação portuguesa, pois a maioria dos softwares existentes apenas se foca num tipo específico de tecnologia (normalmente incidem mais na energia fotovoltaica). Para se obter um resultado fidedigno, e o mais perto possível da realidade portuguesa, ter-se-á de fazer uma pesquisa intensiva das condições climatéricas da radiação solar e da velocidade do vento em várias zonas de Portugal para, posteriormente, se criar uma base de dados capaz de interagir com o software de dimensionamento a desenvolver, Este género de projectos pretende, assim, promover e incentivar a utilização deste tipo de tecnologias e, como consequência, promover um abandono gradual das centrais térmicas e outros tipos de tecnologias que emitem gases efeito de estufa e que utilizam combustíveis fósseis, ajudando assim a reduzir alguns dos índices actuais de poluição. 1.2 Principais objectivos Os principais objectivos deste trabalho são: Fazer um estudo intensivo das várias formas de produção de energia utilizando a luz solar e o vento como principais fontes de energia e de sistemas capazes de combinar ambas as tecnologias em simultâneo. Fazer uma recolha da velocidade do vento e da radiação solar, através de dados existentes das diversas estações meteorológicas das principais zonas do país. 23

28 Concepção de uma ferramenta computacional que, com esses dados, permita optimizar um sistema híbrido a nível da colocação de painéis fotovoltaicos e da dimensão do aerogerador a colocar. Incentivar trabalhos futuros a desenvolver e a implementar estas tecnologias. 1.3 Organização do relatório O presente relatório encontra-se dividido em seis Capítulos. O primeiro Capítulo corresponde à introdução do relatório, onde consta a motivação para a escolha do tema, os objectivos e a explicação da estrutura do relatório. O segundo Capítulo abrange de uma forma mais pormenorizada alguma da motivação associada ao problema da sustentabilidade e a inclusão das energias renováveis para resolver alguns dos problemas relacionados com a poluição e a escassez de combustíveis. No terceiro Capítulo é apresentada uma explicação das tecnologias utilizadas (fotovoltaica e eólica), abordando os próprios fenómenos da radiação solar e do vento e da sua conversão em energia eléctrica. A explicação do software desenvolvido surge no quarto Capítulo, onde se apresenta uma análise do código desenvolvido e um subcapítulo que pretende auxiliar o utilizador, esclarecendo de um modo resumido a melhor forma de interagir com o programa. No quinto Capítulo são apresentados os resultados obtidos com aplicação do software desenvolvido. Para demonstrar todas as funcionalidades do programa no dimensionamento de sistemas híbridos são apresentados dois exemplos de estudo. O último Capítulo apresenta as principais conclusões e a orientação para trabalho a realizar futuramente dentro deste assunto. 24

29 2 Energias Renováveis motivação e situação actual no Mundo, Europa e Portugal 2.1 Sustentabilidade Segundo o Relatório de Brundtland publicado em 1987 [6], a sustentabilidade pode ser definida como o uso sustentável dos recursos naturais que deve suprir as necessidades da geração presente sem afectar a possibilidade das gerações futuras se suprir as suas, ou seja, o ser humano deve garantir a sua sobrevivência, e do meio onde vive, tanto actual como futuramente sem que, para tal, exista um esgotar dos recursos existentes. O que se verifica, actualmente, é que o significado de sustentabilidade é cada vez mais uma utopia do que uma realidade. Com a população mundial a registar um consumo numa escala cada vez maior, prevê-se que seriam necessários três planetas Terra para dar uma resposta sustentável aos consumos actuais [6]. A sustentabilidade assenta na junção de três pilares bases: económico, social e ambiental. A união perfeita dos três possibilita encontrar um equilíbrio que permite levar a um sistema perfeito, existindo um bom fundo financeiro assente em boas políticas sociais e sempre com grande respeito pelos aspectos ambientais. Na Figura 2.1 está exposta uma representação gráfica deste equilíbrio. Figura 2.1 Representação gráfica dos três pilares da sustentabilidade [7] 25

30 O que se verifica na sociedade actual é que existe cada vez mais um interesse maior dedicado à parte económica, em prol das partes ecológica e social o que poderá levar à inviabilidade do sistema. O aumento abrupto do consumo mundial de energia leva a que as fontes, até agora usadas para a sua produção, comecem a entrar em ruptura, levando a que, por vezes, interesses económicos superem outros interesses. Foi neste panorama mundial que se optou por investir em energias capazes de dar resposta ao consumo mundial, mas, ao mesmo tempo, sem provocarem grandes impactos ambientais. 2.2 Energias Renováveis, cenário energético mundial A energia renovável é toda aquela que é produzida através de fontes naturais como o vento, o sol, a água da chuva, dos rios e dos mares e, até mesmo, do calor proveniente do interior da Terra. Num estudo realizado, em 2010, pelo Renewable Energy Policy Network for the 21st century, concluiu que, em 2008, apenas cerca de 19% da energia consumida globalmente tinha origem em fontes renováveis. A energia nuclear contribuía com 2,3% e a energia produzida através da queima de combustíveis fósseis correspondia à maior fatia com 78%. Dos 19% de energia produzida por fontes renováveis, cerca de 13%, provinham da utilização da biomassa, utilizada essencialmente para aquecimento. Na Figura 2.2 é possível encontrar os resultados associados ao estudo anteriormente referido [8]. Figura Produção de energia mundial por combustível [8] Desde 2000 e segundo dados do mesmo estudo ainda existe uma grande dependência na produção de energia através da queima de combustíveis fósseis, no entanto há uma forte evolução na produção de energia através de fontes renováveis globalmente, sendo que a 26

31 tecnologia solar fotovoltaica apresenta uma evolução de mais de 100%. Estes e outros dados são apresentados na Figura 2.3, onde é possível observar a evolução da produção de energia através de várias fontes renováveis desde o ano de 2000 até Figura Evolução produção de energia através de fontes renováveis [8] Estima-se que a capacidade mundial instalada em energias renováveis, no ano de 2009, atingiu um máximo de produção de 1230 GW, 7% a mais, em comparação com o início do estudo. As fontes renováveis já englobam um quarto da energia produzida mundialmente, estimada nos 4800 GW [8]. Entre as energias renováveis, em 2009, a energia do vento aumentou a sua capacidade instalada em 30 GW, a energia hídrica teve um aumento anual de 30 GW e, por fim, a energia solar em 7 GW [8]. Os cinco principais países que, em 2009, detinham a maior capacidade de energia produzida através de fontes renováveis eram a China, os Estados Unidos da América, a India, a Espanha e a Alemanha. Contudo, contabilizando todos os anos do estudo, verifica-se que os maiores representantes são a China, os Estado Unidos da América, Canada, Brasil e o Japão. Na União Europeia, as energias renováveis representam 60% da energia instalada no século XXI [8] Energias Renováveis, cenário Português A situação em Portugal não revela contornos muito favoráveis no que às energias renováveis diz respeito. 27

32 Devido à sua excelente posição geográfica, ao apresentar uma elevada exposição solar, com uma rede hidrográfica relativamente densa e uma frente marítima que permite beneficiar dos ventos marítimos, Portugal apresenta-se como um dos países europeus com melhores condições para criar uma forte aposta na área das energias renováveis. Para além de existirem obrigatoriedades e compromissos relacionados com a política energética nacional, o cumprimento das metas negociadas, aquando da assinatura do Protocolo de Quioto, determinaram um aumento máximo de 27% na emissão de gases efeito de estufa, entre 2008 e 2012, apesar de todas as directivas adjacentes, no que diz respeito à limitação do uso de combustíveis fósseis. A matriz energética portuguesa é bastante diversificada, de onde se destaca o petróleo como principal energia primária (representando 60% do total de energia consumida em Portugal). As restantes fontes de energia são o gás natural (ocupando 19,7% em 2010), o carvão (com 7,2% em 2010) e as energias renováveis (23,1% em 2010). Porém, Portugal é um país pobre a nível de recursos energéticos de origem fóssil. Assim sendo, terá forçosamente de existir uma forte dependência energética externa sendo que em 2010, 76,5% da energia consumida em Portugal provinha de fontes externas [9]. 2.3 Produção de Energia Eléctrica através de fontes Energias Renováveis No sector eléctrico as fontes de energias renováveis têm também apresentado uma forte evolução e é onde tem existido um forte investimento. Segundo o estudo anual International Energy Outlook 2010, realizado pela Energy Information Agency Norte-Americana, que pretende obter uma avaliação global da energia eléctrica nos anos anteriores e também efectuando uma previsão para anos posteriores, a produção de energia eléctrica, através de fontes renováveis, teve o maior crescimento de todas as formas possíveis para a produção de energia eléctrica. As energias renováveis apresentam uma taxa de crescimento anual de 3%, sendo que se prevê que o seu impacto na geração mundial passe de 18% em 2007 para 23% em Quase 80% deste valor deve-se ao contributo das tecnologias baseadas nas fontes hídrica e eólica. A contribuição da fonte eólica teve um acréscimo considerável na última década, passando dos 18 GW de potência instalada em 2000 para os 159 GW de potência instalada nos finais de 2009, número este que continua a aumentar de forma exponencial. Dos 4,5 28

33 triliões kwh produzidos através de fontes renováveis, 2,4 triliões (54 %) são atribuídos à tecnologia hidroeléctrica e 1,2 triliões (26%) dizem respeito à energia produzida utilizando o vento [10]. Apesar das energias renováveis apresentarem bons índices ambientais e uma boa resposta, são ainda incapazes de competir a nível económico com as tecnologias baseadas na queima de combustíveis fósseis. A energia solar está actualmente em constante evolução, permitindo produzir maiores quantidades de energia recorrendo a painéis cada vez mais pequenos. Contudo, se não existirem apoios governamentais que permitam que este tipo de produção de energia entre nos mercados eléctricos, acabará por cair em desuso e abandonada. O grande problema relacionado com as tecnologias solar e eólica deve-se à sua grande intermitência, o que significa que apenas produzem energia quando as respectivas fontes se encontram disponíveis. Depois de instalados, os sistemas que recorrem a estas tecnologias apresentam custos de manutenção muito inferiores às outras, também elas baseadas em fontes renováveis. Daí surgir um grande interesse neste tipo de tecnologia. Contudo, o problema surge no investimento inicial, cujos custos elevados (apesar de haver um decréscimo significativo neste custo capital) tornam, por vezes, incomportável a sua implementação. Outro problema é, como já foi referido anteriormente, o da intermitência dos recursos energéticos, mas com o auxílio de baterias e outros equipamentos capazes de acumular energia podem ajudar a contornar esta situação. As alterações na forma em como as energias renováveis têm sido implementadas variam de país para país. Nos países menos desenvolvidos continua a haver um forte investimento na capacidade das hidroeléctricas, enquanto que nos países mais desenvolvidos e, especialmente na Europa, há um forte investimento na energia do vento e na biomassa. Isto deve-se essencialmente às políticas europeias governamentais que pretendem encorajar este tipo de tecnologia e de mercados Situação Europeia A produção de electricidade na Europa, segundo o estudo anteriormente referido realizado pela Energy Information Agency, prevê-se que aumente 1,1% a cada ano, passando dos 3,4 triliões de kwh em 2007 para 4,4 triliões de kwh em 2030 e 4,6 triliões de kwh em Como a maioria dos países europeus apresenta uma população relativamente estável demograficamente e mercados energéticos desenvolvidos, espera-se que o grande aumento 29

34 energético provenha dos países de maior crescimento populacional (como a Turquia, Irlanda e Espanha) e também dos novos países (como os representantes da antiga Jugoslávia). Estes países, para além de aumentarem o consumo energético europeu, carecem de atenção extra, uma vez que também pode aumentar, de forma gravosa, o impacto ambiental devido à produção baseada em combustíveis fósseis. Já ocorreram alguns avanços e recuos na legislação relativa à produção de energia eléctrica através de fontes renováveis. Em Espanha, por exemplo, houve em 2008 um grande investimento governamental na tecnologia fotovoltaica, oferecendo grandes subsídios aos produtores. Contudo, o mercado disparou em flecha e, em Setembro do mesmo ano, o investimento na tecnologia fotovoltaica já não compensava financeiramente, pelo que teve de haver um recuo e uma revisão na legislação existente levando a cortes até 25% dos subsídios existentes [11]. A Alemanha, que possui o maior mercado de energia solar fotovoltaica com cerca de (aproximadamente MW) sistemas instalados em 2010, estudou de perto a situação espanhola e decidiu aplicar alguns cortes nos subsídios antes de atingir a mesma situação. Países como a Itália e Estados Unidos redefiniram também a sua situação legal e governamental. Nos finais de 2010, encontravam-se instalados 29,33 GW de energia fotovoltaica na União Europeia (dos 27 países), sendo a Alemanha o país com mais capacidade instalada com um total de MW de potência instalada, seguido pela Espanha com MW, ocupando Portugal a 9ª posição com apenas 131 MW de potência instalada. Na Figura 2.4 e na Tabela 2.1 é possível obter-se uma percepção de como tem ocorrido a evolução deste tipo de tecnologia na Europa desde Relativamente, à energia eólica também tem existido bastantes progressos e uma contínua implementação de sistemas capazes de transformar o vento em energia eléctrica. Segundo um relatório datado em Fevereiro de 2011 da Agência Europeia de Energia Eólica existiam, até à altura, cerca de aerogeradores na Europa com um total de potência instalada de 84 GW, sendo 98% desse valor albergado pelos países da União Europeia [12]. 30

35 Tabela 2.1 Evolução da tecnologia europeia nos países da União Europeia em GW [13], [14], [15], [16] Figura 2.4 Mapa representativo do investimento total da tecnologia fotovoltaica na União Europeia [16] 31

36 A capacidade total instalada na União Europeia ultrapassou os 160 GW em 2010, o que permitiu avaliar a indústria nos 45 mil milhões de euros e empregar pessoas. A Europa alberga metade da capacidade mundial e a Agência Eólica Europeia prevê que, em 2020, a capacidade instalada atinja os 230 GW, o que corresponderá a cerca de 14%-17% de toda a energia eléctrica produzida na União Europeia que permitirá evitar a emissão para a atmosfera de 333 milhões de toneladas de CO 2 por ano e poupar 28 mil milhões de euros anuais em gastos relacionados com combustível. Actualmente, os principais países produtores são a Alemanha, com uma capacidade total de 27,21 GW, e a Espanha, com 20,67 GW. Portugal surge na 6ª posição com 3,89 GW. Na Tabela 2.2 encontra-se a evolução de todos os países representantes da União Europeia na sua capacidade eólica instalada. Na Figura 2.5 encontra-se um mapa com um grafismo que permite visualizar os diferentes países e a capacidade instalada de cada um. Tabela 2.2 Evolução da tecnologia europeia nos países da União Europeia [12] 32

37 [12] Figura 2.5 Mapa representativo do investimento total da tecnologia eólica na União Europeia Situação Portuguesa A situação a nível nacional, ao longo dos últimos anos, tem vindo a melhorar substancialmente, existindo um aumento gradual na aposta deste tipo de tecnologia. No entanto, em 2006, Portugal ainda apresentava uma dependência energética na ordem dos 80%, o que levou a uma série de incentivos legais e financeiros na aposta em energias renováveis [17]. Com isto, Portugal conseguiu aumentar a sua fatia renovável, aumentando gradualmente a aposta na produção de energia eléctrica renovável, com especial ênfase nas centrais hídricas. Na Figura 2.6 e na Tabela 2.3 encontram-se dados da ERSE relativos à produção de energia eléctrica por tecnologia no Sistema Eléctrico Nacional. Figura 2.6 Gráfico com a potência instada no Sistema Eléctrico Nacional [18] 33

38 Tabela 2.3 Tabela com a potência instada no Sistema Eléctrico Nacional [18] Como se pode constatar tem existido um forte investimento nas energias renováveis, em particular na tecnologia eólica ao implementarem-se cada vez mais parques eólicos. É também notório nos dados fornecidos que os parques eólicos foram a fonte de energia mais escolhida para dar resposta ao constante aumento do consumo no Sistema Eléctrico Nacional. Apesar de já se conseguir ter uma relativamente boa noção do estado das energias renováveis em Portugal, estes dados podem induzir em erro, uma vez que apenas consideram as tecnologias que injectam potência na rede, excluindo outras situações, como por exemplo os produtores autónomos. Assim, será de grande utilidade recorrer à Tabela 2.4, onde se pode verifcar os totais de produção de energia eléctrica em Portugal por tecnologia com origem em fontes renováveis Hídrica 8096, , ,0 5000, , ,0 7102,0 8717, ,0 Eólica 341,0 468,0 787,0 1741,0 2892,0 4007,0 5720,0 7440,0 9024,0 Biomassa (com cogeração) 1166,0 1069,0 1206,0 1286,0 1302,0 1361,0 1381,0 1390,0 1579,0 Biomassa (sem cogeração) 42,0 43,0 52,0 64,0 78,0 149,0 146,0 311,0 612,0 Resíduos Sólidos Urbanos 518,0 523,0 475,0 545,0 532,0 498,0 441,0 458,0 455,0 Biogás 2,5 2,3 14,0 31,0 33,0 55,0 67,0 80,0 101,0 Fotovoltaica 1,8 2,6 2,9 3,8 4,1 23,6 41,4 159,9 213,3 Total 10167, , ,9 8670, , , , , ,3 Tabela 2.4 Evolução histórica da energia eléctrica produzida através de fontes renováveis em Portugal (GWh) [19] Para se conseguir uma melhor análise energética, interessa também conhecer a capacidade instalada em Portugal Continental (Tabela 2.5). De notar que, nesta tabela, os 34

39 dados relativos à fonte de energia fotovoltaica já tem em consideração a microprodução de energia Hídrica 4288,0 4292,0 4561,0 4752,0 4784,0 4787,0 4792,0 4821,0 4837,0 Eólica 175,0 253,0 537,0 1047,0 1681,0 2446,0 3012,0 3566,0 3937,0 Biomassa (com cogeração) 372,0 352,0 357,0 357,0 357,0 357,0 357,0 359,0 360,0 Biomassa (sem cogeração) 8,0 8,0 12,0 12,0 24,0 24,0 24,0 101,0 106,0 Resíduos Sólidos Urbanos 88,0 88,0 88,0 88,0 88,0 88,0 88,0 88,0 88,0 Biogás 1,0 1,0 7,0 8,2 8,2 12,4 12,4 20,0 28,0 Fotovoltaica 1,5 2,1 2,7 2,9 3,4 14,5 58,5 115,2 129,8 Ondas / Marés 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 4,2 4,2 4,2 Total 4933,5 4996,1 5564,7 6267,1 6945,6 7728,9 8343,9 9070,2 9485,8 Tabela 2.5 Evolução histórica da potência total instalada através de fontes renováveis (MW) [19] Através da análise dos dados apresentados, verifica-se, mais uma vez, que existe uma grande dependência nas fontes hídricas e que a tecnologia eólica sofreu um grande avanço a nível de implementação. O que se pode corroborar de inovador na Tabela 2.4 é o valor da aposta na tecnologia fotovoltaica passando dos 1,8 GWh em 2002, sendo mesmo a tecnologia em que menos se apostava, para os 213,3 GWh em 2010 e situando-se na quarta posição. De forma a facilitar a melhor compreensão dos dados presentes na Tabela 2.5, apresentase o gráfico da Figura 2.7, que permite ter uma noção mais real do que representa cada tecnologia no panorama nacional. Figura 2.7 Evolução da energia eléctrica produzida através de fontes renováveis (TWh) [19] Tendo este projecto como finalidade obter os dados climatéricos existentes nas principais cidades, capitais de distrito de Portugal, é de todo o interesse conhecer os dados da evolução da implementação das energias renováveis a nível regional. Assim, e recorrendo a um estudo publicado em 2010 pela DGEG (Direcção Geral de Energia e Geologia), foi possível obteremse os dados apresentados na Figura 2.8 e nas Tabelas 2.6 e 2.7 [19]: 35

40 Figura Produção de energia eléctrica a partir de fontes renováveis por distrito em 2009 [19] Aveiro Beja 2,9 1,1 0, Braga Bragança Castelo Branco Coimbra Évora 1, Faro Guarda Leiria Lisboa Portalegre Porto Santarém Setúbal Viana do Castelo Vila Real Viseu Total Continental 16078, , , Tabela 2.6 Evolução da energia eléctrica produzida através de renováveis em Portugal Continental (excluindo a pequena geração fotovoltaica (GWh) [19] 36

41 Aveiro Beja Braga Bragança Castelo Branco Coimbra Évora 1,2 1,2 1,2 1,2 1 1,2 1 1,2 1,2 1,2 Faro Guarda Leiria Lisboa Portalegre Porto Santarém Setúbal Viana do Castelo Vila Real Viseu Total Continental 1033,2 1146,2 1210,2 1519, , ,2 4814,2 5208,2 Tabela Evolução da Potência Instalada total de renováveis em Portugal Continental (exclui-se a grande hídrica (> 30 MW) e pequena fotovoltaica (MW)) [19] Como é possível observar, há um impulso gradual na produção de energia eléctrica através de fontes renováveis e que também existe um crescimento da potência instalada à medida que a legislação permite maiores incentivos e menos burocracia. Também se começa a assistir a um aparecimento gradual da tecnologia dos painéis fotovoltaicos com especial ênfase em Beja, muito por culpa da Central Solar Fotovoltaica da Amareleja Enquadramento Legal A legislação que impera actualmente no panorama nacional, relativamente ao sistema de venda e produção para consumo de energia eléctrica, começou por ser muito promissora, mas com o passar dos anos e a actual crise económica, não tem sido muito favorável para que exista uma forte aposta dos investidores. Com constantes avanços e recuos, o primeiro Decreto-Lei que enfatizava a questão da produção de energia eléctrica através de fontes de energia renováveis, foi o Decreto-Lei 313/95, de 24 de Novembro, que estabelecia, no âmbito 1 A central fotovoltaica de Amareleja entrou em funcionamento em 2008 e na altura foi considerada a maior central fotovoltaica do mundo. Construída no concelho de Moura num terreno com 250 hectares, esta central possui seguidores solares equipados com 104 painéis solares perfazendo um total de 46 MWp de potência máxima., permitindo uma produção anual de energia de 93 mil MW, o suficiente para abastecer 30 lares residenciais [20]. 37

42 do Sistema Eléctrico Independente (SEI), o regime jurídico do exercício de actividade de produção de energia eléctrica em aproveitamentos hidroeléctricos, assim como da produção de energia eléctrica através de fontes de energia renováveis. Em 1999, é aprovado o Decreto-Lei Nº 168/99, de 18 de Maio, que revê o regime aplicável à actividade de produção de energia eléctrica, no âmbito do SEI, que se baseia na utilização de recursos renováveis. Esta legislação estabeleceu uma tarifa diferenciada para a entrega de energia eléctrica na rede pública de distribuição, regulando a actividade de produção de energia eléctrica integrada nos termos do Decreto-Lei nº 182/95, de 27 de Julho [21]. Dois anos depois, surge o Decreto-Lei Nº 312/2001, de 10 Dezembro, que cria uma nova definição do novo regime de gestão da capacidade de recepção de energia eléctrica nas redes do Sistema Eléctrico de Serviço Público proveniente de centros electroprodutores do Sistema Eléctrico Independente [22]. No mesmo ano surge a rectificação do Decreto-lei Nº 168/99, de 18 de Maio, com a aprovação do Decreto-Lei Nº 339 C/2011, de 29 de Dezembro, que aplica a remuneração da produção de energia eléctrica, no âmbito da produção em regime especial do SEI [23]. Surge assim a Tarifa Verde, que pretende ser uma mais-valia a nível ambiental, permitindo obter-se uma compensação financeira por kwh produzido oriundo de fontes de energia renováveis e vendido à rede pública. Posteriormente, surge o Decreto-Lei Nº 68/2002, de 25 de Março, para regular o exercício da actividade de produção de energia eléctrica em baixa tensão (posteriormente revogado pelo Decreto-Lei Nº 34/2011). Actualmente, o enquadramento legal, relativo à microprodução, vigora em três regimes; o Decreto-Lei Nº 225/2007 (que diz respeito à Gestão de Oferta e ao Regime do Produtor Independente); o Decreto-Lei Nº 68/2002 (que Introduz a Gestão de Procura, criando o Regime Produtor - Consumidor); e o Decreto-Lei Nº 80/2006 actualizado pelo Decreto-Lei Nº363/2007 que, posteriormente, sofrem uma nova actualização pelo Decreto-Lei Nº 118-A/2010 (relativo ao regime jurídico da produção de electricidade por unidades de microprodução). O Decreto-Lei Nº68/2002 foi criado com o propósito de regular que toda a electricidade produzida em instalações de uso doméstico se destine predominantemente ao consumo próprio, podendo o excedente ser passível de ser entregue a terceiros ou à rede eléctrica pública, neste caso desde que a potência instalada não ultrapasse os 150 kw. Este Decreto-Lei estabelece também qual a tarifa de venda à rede para sistemas microprodutores [24]. 38

43 O objectivo do Decreto-Lei Nº 225/2007 é o de motivar e incentivar o investimento no sector das energias renováveis. Com este Decreto-Lei pretende-se simplificar e tornar menos extensa toda a burocracia existente para o processo de licenciamento. Esta legislação prevê também um aumento da capacidade instalada na produção de energia eléctrica através de fontes renováveis. É, ainda, apresentada a fórmula respeitante à remuneração que determina a tarifa a pagar aos produtores de energia. Apesar de esta fórmula ser bastante similar a outras apresentadas noutros decretos, nesta surge a variável Z que pretende diferenciar os diferentes pesos consoante o tipo de recurso renovável utilizado. A fórmula a usar é a seguinte [25]: VRD m KMHO m IPC m 1 1 [ PF ( VRDm ) PV ( VRDm ) PA( VRDm ) Z ] (2.1) IPC ref 1 LEV Onde: VRD m - Remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m; KMHO - Coeficiente modulador dos valores de PF VRD ), PV VRD ) e m ( m ( m PA ( VRDm) em função do posto horário em que a electricidade tenha sido fornecida; ( m PF VRD ) - Parcela fixa da remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m; ( m PV VRD ) - Parcela variável da remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m; ( m PA VRD ) - Parcela ambiental da remuneração aplicável a centrais renováveis no mês m; Z - Coeficiente adimensional que traduz as características específicas do recurso endógeno e da tecnologia utilizada na instalação licenciada IPC m 1 - Índice de preços no consumidor, sem habitação, no continente, referente ao mês m-1; IPC ref - Índice de preços no consumidor, sem habitação, no continente referente ao mês anterior do início do fornecimento de electricidade à rede pela central renovável; LEV - Perdas, nas redes de transporte e distribuição, evitadas pela central renovável; O Decreto-Lei Nº 363/2007, cuja origem teve como principal motivação actualizar o Decreto-Lei Nº 80/2006, prevê o regime Renováveis na Hora pretendendo, assim, regular 39