André Timóteo Gouveia e Freitas EVOLUÇÃO DO SISTEMA ELECTROPRODUTOR E ESTUDO DO RECURSO SOLAR COM BASE NOS REGISTOS DAS ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS NO PERÍODO DE 2005 A 2015 – ILHA DA MADEIRA ESTÁGIO CURRICULAR NO LABORATÓRIO REGIONAL DE ENGENHARIA CIVIL Nome do Curso de Mestrado Sistemas de Energias Renováveis Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Duarte Alves E coorientação do Doutor José Carlos Magro Esteves Fevereiro de 2016 AUTOR: ANDRÉ TIMÓTEO GOUVEIA E FREITAS CONSTITUIÇÃO DO JÚRI PRESIDENTE: PROFESSOR DOUTOR JOÃO ABRANTES (ESTG-IPVC) VOGAL ARGUENTE: PROFESSOR DOUTOR PAULO COSTA (ESTG-IPVC) VOGAL: PROFESSOR DOUTOR DUARTE ALVES (ESTG-IPVC) ii AGRADECIMENTOS A realização deste relatório foi possível graças ao contributo de um conjunto de pessoas e entidades, às quais, quero deixar o meu sincero e reconhecido agradecimento. Ao meu orientador do meu estágio académico, Professor Doutor Duarte Nuno Malheiro Alves, pela disponibilidade, sugestões e orientação prestadas ao longo do desenvolvimento deste relatório. Ao Laboratório Regional de Engenharia Civil (LREC), por me ter acolhido nas suas instalações e permitido realizar o meu estágio curricular. Ao meu orientador de estágio, Doutor José Carlos Magro Esteves, pelo apoio e esclarecimentos prestados durante a realização do meu estágio. Ao Eng.º António Olim, Diretor do Departamento de Hidráulica e Energias Renováveis (DHER) do LREC por todo o apoio, incentivo e interligação com a Delegação Regional do Instituto Português do Mar e, da Atmosfera (IPMA). A todos os elementos do DHER - LREC, pelo acompanhamento nas visitas de campo e companheirismo: Sr. Agostinho Gouveia, Eng.º Carlos, Sr. Eleutério Faria, Sr. Jorge Martins, Eng.ª Lisandra, Sr. Pedro Carreira e a Eng.ª Sara. Ao Doutor Victor Prior, diretor da Delegação Regional do Instituto Português do Mar e da Atmosfera por toda a ajuda e disponibilidade na cedência dos registos da radiação solar. À Coordenadora do Mestrado em Sistemas de Energias Renováveis Professora Doutora Preciosa Pires, pela disponibilidade, preocupação e apoio. Aos meus colegas de Licenciatura e Mestrado, em especial à Cristina Campos, João Malheiro, Lorran Leite, Márcio Borges, Rui Franco e Valdemar Leiras, por todo o apoio prestado durante este período da minha formação. À Família Leiras, por me ter acolhido na sua casa, durante o período de finalização, entrega e defesa deste relatório. Aos meus amigos, pelo ânimo, alento, companheirismo e carinho que sempre me deram. Um agradecimento final aos meus pais e irmãos, pelo constante apoio, motivação, aconselhamento, encorajamento e por tudo o que me proporcionaram, ao longo de toda a minha formação pessoal. iii RESUMO A primeira parte deste relatório de estágio aborda a evolução do Sistema Electroprodutor da ilha da Madeira (SEPM), na última década, e, as estratégias e ações a implementar para cumprir as metas definidas para 2020, no Plano de Ação para a Energia Sustentável (PAES). Entre os anos de 2005 e 2015, verificou-se um crescimento na representatividade das fontes de energia renováveis (FER) no SEPM, passando dos 15,7% (136,5 GWh) para os 25,7% (210,8 GWh) da energia elétrica total produzida e, por conseguinte, uma redução nas fontes de energia não renováveis, de 727,4 GWh para 617,4 GWh. A evolução das FER na última década carateriza-se pelo aumento da potência eólica instalada, de 10 MW para 45,1 MW, do surgimento da fotovoltaica, atualmente com 20 MW, da potência instalada constante do Sistema de Valorização Energética dos Resíduos Sólidos Urbanos (SVERSU) de 8 MW e, pela redução da potência hídrica instalada, de 74 MW para os atuais 50,7 MW. Em 2014, a introdução do gás natural, na Central Térmica da Vitória, permitiu potenciar a adaptação do SEPM às metas de redução das emissões de CO2e. Em 2015 verificou-se uma redução das emissões CO2e em cerca de 28%, passando de 526.241 tCO2e para 380.817 tCO2e, correspondendo a um fator de emissão específico atual de 460 gCO2/KWh. A segunda parte deste relatório carateriza a distribuição geográfica da radiação solar no arquipélago da Madeira através dos registos da Irradiação Solar Global Diária (ISGD) das estações meteorológicas automáticas (EMAs), do Laboratório Regional de Engenharia Civil (LREC) e do Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA). Face aos resultados, verifica-se que o recurso solar no arquipélago da Madeira é muito variável, em particular na ilha da Madeira, uma vez que a orografia bastante acidentada, bem como a exposição aos ventos predominantes de Norte, fazem com que na ilha existam diversos microclimas que influenciam a radiação solar que chega à superfície. A análise aos registos das duas redes de EMAs permitiu concluir que mais de 60% apresentam uma disponibilidade anual do recurso solar superior a 1500 kWh/m2. Após a realização dos estudos comparativos da ISGD das EMAs e a correspondente ISGD, na base de dados da ferramenta PVGIS e no Atlas da Radiação Solar do Arquipélago da Madeira foi possível validar e detetar o funcionamento incoerente de duas das vinte e sete EMAs analisadas. O curto período de funcionamento da EMA do Trapiche, associado à sua elevada percentagem de lacunas de dias, caraterístico da rede LREC, não permitiu a realização de um estudo detalhado aos seus registos. No entanto, relativamente à EMA do Parque Ecológico do Funchal foi possível detetar uma anomalia no seu sensor de radiação solar, que se traduz numa quebra superior a 20% na quantificação da ISGD. Assim, no global do estudo da radiação solar, estão associadas incertezas aos registos, sendo que, nas EMAs devem-se à inexistência de tratamento dos registos e à falta de recalibração dos sensores, e, nos dois modelos de previsão utilizados, devem-se às caraterísticas da metodologia utilizada na sua construção, traduzindo-se em ambos os casos numa sobrevalorização do recurso solar. Na terceira parte do relatório são tecidas algumas considerações acerca das operações de manutenção de alguns sistemas fotovoltaicos isolados visitados. Foi possível verificar que, após uma década de funcionamento, a maioria dos sistemas fotovoltaicos encontram-se degradados e a necessitar urgentemente de intervenção. Palavras-chave: sistema electroprodutor; irradiação solar global; sistemas fotovoltaicos isolados; termografia. iv ABSTRACT The first part of the report discusses the evolution of the Madeira Island Power System (MIPS) in the last decade and presents the strategies and actions to implement in order to meet the targets set for 2020 in the Sustainable Energy Action Plan. Between 2005 and 2015 there was an increase of renewable energy sources (RES) in MIPS, from 15,7% (136,5 GWh) to 25,7% (210,8 GWh) of total electricity produced, and a reduction in non-renewable energy sources, from 727,4 GWh to 617,4 GWh. The evolution of RES in the last decade benefits from: (1st) the increase in installed wind power capacity, from 10 MW to 45,1 MW; (2nd) the introduction of photovoltaic systems, now with 20 MW of installed power; (3rd) the Municipal Solid Waste Energy Recovery System with 8 MW installed power, and (4th) the hydric installed power reduction from 74 MW to 50,7 MW. In 2014 the conversion of Vitoria Thermal power plant to natural gas allowed the adaptation of MIPS to reduce CO2e emissions and achieve the demanded targets. In 2015 there was a reduction in CO2e emissions of around 28%, from 526.241 tCO2e to 380.817 tCO2e, corresponding to a specific emission factor of 460 gCO2/KWh. The second part of the report features the geographical distribution of the solar radiation in the archipelago of Madeira. This distribution was based on the records analysis of the Daily Global Solar Irradiation (DGSI) collected from the automatic weather stations (AWS’s) of the Regional Civil Engineering Laboratory (LREC) and of the Portuguese Sea and Atmosphere Institute (IPMA). Given the results, it appears that the solar resource in the archipelago of Madeira is very variable, particularly in the Madeira Island, since the very rugged terrain as well as the exposure to prevailing winds from the north results in the formation of many microclimates that influence the solar radiation reaching the surface. The records analysis of the two AWS’s networks concluded that more than 60% have an annual solar resource above 1500 kWh/m2. After conducting comparative studies of DGSI in AWS’s and the corresponding DGSI in PVGIS tool database, as well as the consultation of the Atlas of Global Solar Radiation of the Madeira Archipelago (Portugal), it was possible to validate and detect inconsistent operation of two of the twenty seven analyzed AWS’s. The short period of operation of the Trapiche AWS associated with its high percentage of daily gaps, a characteristic of the AWS LREC network, did not allowed to carry out a detailed study of its records. However, for the AWS of the Ecological Park of Funchal it was possible to detect an anomaly in its solar radiation sensor, which resulted in a breakdown above 20% in the quantification of the DGSI. In summary, the overall study of the solar radiation is associated with some uncertainties of the records, resulting from the lack of maintenance and recalibration of the sensors located in the AWS´s. On the other hand, the methodology applied in the construction of the two prevision models show an overvaluation of the archipelago solar resource. The third part of the report presents some considerations about the maintenance of the visited autonomous photovoltaic systems. It was possible to verify that after a decade of operation