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Gestão e controlo solar: tecnologias sustentáveis

Henrique Pombeiro | Doutorado em Sistemas Sustentáveis de Energia, Co-fundador e Chief Scientific Officer na Watt-IS e membro Future Energy Leaders Portugal17/09/2021

O Plano Nacional de Energia e Clima 2030 (PNEC 2030) institui relevantes políticas de desenvolvimento sustentável dos sistemas energéticos em Portugal com um particular enfoque na promoção da penetração de fontes de energia renováveis.

A energia solar fotovoltaica é destacada no PNEC 2030, sendo um pilar para o alcance das metas de Portugal dos vários compromissos de sustentabilidade. Neste sentido, está prevista a realização de leilões de capacidade que potencialmente permitirão a duplicação da capacidade solar até 2030. Adicionalmente, o Roteiro da Neutralidade Carbónica, apresentado por Portugal, prevê o alcance de uma capacidade de 13 GW de sistemas fotovoltaicos descentralizados.

O interesse financeiro de um sistema fotovoltaico depende do equilíbrio entre o consumo e produção do utilizador. De facto, a produção solar atinge o seu pico durante o dia e o utilizador beneficia se essa energia for utilizada para suprir os consumos dos equipamentos existentes e, caso haja mais produção que consumo, o excedente é injetado na rede. A remuneração desse excedente tem alguns constrangimentos, tendo um valor cerca de cinco vezes inferior ao preço de um kWh consumido e, para poder beneficiar dessa remuneração, o produtor tem de celebrar um contrato com uma comercializadora, ter um contador bidirecional e declarar esses rendimentos no final do ano.

A maximização do autoconsumo, e consequente minimização de excedente, requer que haja consumos suficientes durante o dia para colmatar a produção fotovoltaica. Isto significa que, numa casa, equipamentos como as máquinas da roupa e loiça, bombas de água ou aquecimento de águas sanitárias deverão ser programados para serem utilizados durante o dia. Esta gestão pode ser significativamente complexa e, em muitas casas, impraticável, devido à ausência de ocupação durante o dia e falta de conhecimento sobre os ciclos horários ótimos de utilização dos equipamentos.

Significativos desenvolvimentos têm sido feitos nesta temática, contribuindo para a gestão de equipamentos, nomeadamente os home energy management systems (HEMS) no setor doméstico, e os building energy management systems (BEMS) no setor empresarial e industrial. Estes sistemas têm beneficiado do avanço na tecnologia e na capacidade de processamento do hardware de medição e controlo. Esse aumento de capacidade tem permitido o desenvolvimento e aplicação de algoritmos complexos e exigentes tais como algoritmos de otimização de cargas com capacidade adaptativa e autoaprendizagem tais como os integrados no ramo da inteligência artificial, ou deep learning.

Estes algoritmos são capazes de, através de um histórico de dados que represente os vários cenários a modelar, decidir quais os valores nas variáveis de controlo que levarão à otimização de uma certa função de custo. Os algoritmos de deep learning, constituídos por redes neuronais, são amplamente utilizados devido à sua capacidade adaptativa a novos cenários sem a necessidade de serem reprogramados. Outros algoritmos, tais como programação fuzzy, algoritmos genéticos ou árvores de decisão são outros tipos de algoritmos que conseguem responder a estes desafios.

As soluções domésticas atualmente existentes ainda são limitadas, para que o utilizador final consiga usufruir deste tipo de controlo inteligente. As soluções mais comuns aquando da instalação de um sistema fotovoltaico consistem em soluções de monitorização, que costumam ser dispendiosas, e apresentam apenas gráficos em tempo real com o consumo total e a produção, cabendo ao utilizador fazer a sua própria gestão dos equipamentos. A nível de performance dos diferentes tipos de painéis, poucas são as diferenças na maioria das tecnologias, onde já se encontram performances próximas entre os modelos mais comuns no mercado (mono e os policristalinos). Os custos são o principal entrave de outras tecnologias associados aos sistemas fotovoltaicos, tais como o seguimento mecânico dos painéis em relação à posição do sol e as baterias, que ainda incrementam o pay-back de um sistema fotovoltaico em mais de dois anos.

As soluções domésticas atualmente existentes ainda são limitadas, para que o utilizador final consiga usufruir deste tipo de controlo inteligente

No entanto, é possível encontrar no mercado equipamentos como o termostato inteligente Nest da Google que aprende os hábitos das famílias e controla a climatização e aquecimento de águas, encontrando o balanceamento entre a minimização de custos e maximização do conforto. Tecnologias como esta são mais comuns em países onde as habitações tenham um termostato centralizado como nos Estados Unidos da América.

Henrique Pombeiro.

A nível empresarial e industrial, no entanto, o mercado dos BEMS é maduro e soluções com capacidade de comunicação KNX, ZigBee e outras, existem para a gestão de vários tipos de cargas nos edifícios, tais como eletricidade, entalpia de sistemas de calor, concentração de CO₂e humidade para sistemas de ventilação e climatização.

Retorno do investimento

A diferença entre o setor empresarial e doméstico é, de facto, o retorno do investimento. Os elevados consumos nos setores empresarial e industrial justificam a instalação destes tipos de sistemas acoplados com geração fotovoltaica de elevada capacidade, que beneficiam de poupanças de escala.

Toda a gestão destes sistemas descentralizados com HEMS e armazenamento requer, portanto, um desenvolvimento na tecnologia de medição e controlo. A existência de dados é transversalmente importante para o seu desenvolvimento. É necessário um conhecimento dos perfis de consumo dos vários equipamentos, o que poderá passar pela comunicação em tempo real, quer através de sensores nas tomadas, quer com hardware de comunicação embutido de fábrica ou ainda, até, através de algoritmia capaz de quantificar os consumos pela análise do consumo total da casa (técnicas como non-intrusive load monitoring – NILM).

Inevitavelmente, o sistema fotovoltaico do futuro irá comunicar em tempo real com o edifício e com a rede. A tecnologia de medição e controlo terá de continuar a ser desenvolvida em várias frentes, procurando reduzir o custo e aumentar a compatibilidade com os vários sistemas energéticos, garantindo segurança dos dados e permitindo que decisões automatizadas em tempo real estejam integradas a nível local e ao nível da rede.

As metas de neutralidade carbónica impõem o desenvolvimento destas tecnologias e todo um recente contexto regulatório veio facilitar a instalação de sistemas de autoconsumo nos edifícios: em particular, a criação das Comunidades de Energia Renovável (CER) irá permitir uma gestão mais otimizada de sistemas de autoconsumo pelos diversos utilizadores, gerando benefícios económicos provenientes de sistemas de maiores capacidades partilhados pelos utilizadores.

Paralelamente, a sociedade tem respondido positivamente à adoção de novas tecnologias, contribuindo para uma eletrificação do sistema energético. De facto, por um lado, o setor dos transportes está a apostar na eletrificação dos veículos, com a substituição dos motores a combustão interna pelos motores elétricos com recurso a baterias. Por outro, os sistemas a gás natural começam a ser substituídos por elétricos, como é o caso das bombas de calor para aquecimento de águas sanitárias. Toda esta eletrificação irá incentivar a aquisição de tecnologias fotovoltaicas com sistemas de gestão inteligente integrados em cada edifício. A capacidade de processamento do hardware e a facilidade de comunicação permitirão a interação entre os vários sistemas e a rede elétrica e, por fim, a segurança das transações será presumivelmente assegurada por tecnologia blockchain.

Em suma, o mercado dos sistemas fotovoltaicos acoplados a sistemas de gestão inteligente deverá crescer a taxas elevadas num curto espaço de tempo. Apesar de atualmente ainda não serem tecnologias estabelecidas, existe um amplo contexto de incentivos que irão promover estas tecnologias de gestão inteligente da produção e consumo.

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