Análise de desempenho do uso adicional de Energia Fotovoltaica e de Armazenamento no aumento da autossuficiência energética em edifícios escolares

Abstract

One of the current challenges of the energy transition, towards decarbonizing energy use, is the increasing integration of renewable energy sources (RES) in buildings, making them as self-sufficient as possible with their own production of clean energy, the most common solution being the integration of photovoltaics. However, there are difficulties resulting from the mismatch between production profiles and consumption profiles, both on a daily and seasonal basis, since production only occurs during the daytime periods, when there is sun exposure, and to a greater extent between March and October, the period with the greatest number of hours of sun exposure.The buildings that generally show the greatest seasonal variations are educational buildings, with higher consumption in the winter and lower consumption in the spring/summer, while photovoltaic production rates are in the opposite direction: low production in the winter and high production in the summer. This mismatch in consumption profiles creates a strong challenge, which urgently needs to be solved, in order to achieve more considerable energy self-sufficiency values using this renewable source.The case study chosen was the building of the Department of Electrical and Computer Engineering (DEEC) of the Faculty of Science and Technology of the University of Coimbra (FCTUC). It has a photovoltaic installation with a capacity of 78.84 kWp, assuring self-sufficiency for around 16% of its electricity needs, and with a low amount of energy injected into the grid. In this case, the aim was to analyze the performance of the additional use of photovoltaic energy, evaluating the additional use of production for self-consumption, for different values of power to be installed, with and without storage.For example, if 100 kWp of additional power were to be installed, the additional self-sufficiency would be 17.1%, with a self-consumption of 59.5% of the energy produced. As a result, the remaining 40.5% would be injected into the grid. The implementation of battery storage with a capacity of 300 kWh would lead to an increase in self-sufficiency to 25.5%, with 88.8% of the energy produced being used for self-consumption. However, the average use of the batteries would be very low, since 72.3% of the hours in the year the battery would be discharged and unused.This dissertation seeks to highlight the difficulty in achieving significant self-sufficiency values using photovoltaic production, even when combined with the use of storage, which would be an asset with a low return on investment, given the low utilization rate.

Um dos desafios atuais da transição energética, no sentido da descarbonização do uso de energia, passa por uma integração cada vez mais acentuada de fontes de energia renovável (FER) nos edifícios, tornando-os o mais autossuficientes possível com produção própria de energia limpa, sendo a solução mais comum a integração de energia fotovoltaica. Existem, no entanto, dificuldades resultantes do desencontro entre os perfis de produção e os perfis de consumo, tanto diária como sazonalmente, dado que apenas ocorre produção nos períodos diurnos, quando há exposição solar, e em maior quantidade no período entre março e outubro, período com maior número de horas dessa mesma exposição.Os edifícios que apresentam, em geral, variações sazonais de maior amplitude são os escolares, com consumos maiores em período de inverno e menores em períodos de primavera/verão, ao passo que os índices de produção fotovoltaica se verificam em sentido oposto: produção baixa nos períodos de inverno e alta no verão. Este desencontro de perfis de consumo cria um forte desafio, de solução urgente, para que se possam obter valores de autossuficiência energética mais consideráveis usando esta fonte renovável.O caso de estudo escolhido foi o edifício do Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (DEEC) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC). Possui uma instalação fotovoltaica com 78,84 kWp de capacidade, garantindo uma autossuficiência em cerca de 16% das necessidades de energia elétrica e com baixo valor de energia injetada na rede. Pretendeu-se, neste caso, analisar o desempenho do uso adicional de energia fotovoltaica, avaliando o aproveitamento adicional da produção para autoconsumo, para diferentes valores de potência a instalar, com e sem armazenamento.A título de exemplo, considerando 100 kWp de potência adicional a instalar, a autossuficiência adicional seria de 17,1%, ficando em autoconsumo 59,5% da energia produzida. Como consequência, injetar-se-ia na rede os restantes 40,5%. A implementação de armazenamento com baterias no valor de 300 kWh de capacidade conduziria a um aumento da autossuficiência para 25,5%, com aproveitamento de 88.8% da energia produzida. No entanto, a utilização média das baterias seria muito reduzida, dado que 72,3% do número de horas do ano a bateria estaria descarregada e sem utilização.A Dissertação procura evidenciar a dificuldade em obter valores significativos de autossuficiência com recurso à produção fotovoltaica, mesmo quando aliado ao uso de armazenamento, que seria um ativo de baixo retorno de investimento, dada a baixa taxa de utilização.