Automatic flexible control of tidal range structures

Abstract

Nos últimos anos, a necessidade de aumentar a capacidade instalada total de fontes renováveis de energia (eólica, solar, bioenergia e hídrica) tem recebido reconhecimento mundial como forma de mitigar os efeitos danosos causados pelas mudanças climáticas resultantes do uso extensivo de combustíveis fósseis. Embora a utilização de fontes ren- ováveis como a energia solar e eólica tenha expandido, a energia das marés permanece praticamente inexplorada. Até hoje, apenas dois grandes projetos de barragens mare- motrizes foram construídos, a saber, La Rance (França) e Lake Sihwa (Coreia do Sul), com 240 MW e 254 MW de capacidade instalada, respectivamente. Um problema recorrente entre as várias propostas de barragens maremotrizes (e.g., Swansea Bay Tidal Lagoon, Severn Barrage, Cardiff Tidal Lagoon) tem sido os altos custos de eletricidade, que estão fortemente relacionados à estratégia operacional utilizada ao estimar a produção de energia desses sistemas. Portanto, esta tese pretende preencher lacunas na literatura, propondo métodos generalistas que possibilitem a primeira operação automática (em tempo real) e otimizada de barragens maremotrizes. Isso permitiria reduzir os custos de energia elétrica por meio (i) da maximização da energia elétrica produzida e (ii) da redução do custo operacional com a operação automática desses sistemas, permitindo que essa tecnologia seja mais atrativa economicamente. Dada uma simulação precisa das estruturas hidráulicas que compõem uma barragem maremotriz, conseguimos alcançar os objetivos apresentados com (a) modificações nos métodos estado da arte, permitindo a operação em tempo real e com con- trole independente de vertedouros e (b) uma nova abordagem com Aprendizado por Reforço Profundo (DRL) projetada para operar barragens maremotrizes. Como estudo de caso para o nosso trabalho, focamos na modelagem 0D de dois projetos: La Rance Tidal Barrage (já construída) e o projeto da Lagoa de Swansea no Reino Unido (SBL). Por meio de técnicas paramétricas e de leis de afinidade, uma representação 0D para La Rance é criada e validada em relação a dados medidos pela Electricité de France (EDF) – companhia responsável pelo operação de La Rance, desde sua construção. O modelo 0D parametrizado é então operado de forma ótima com nosso método DRL, gerando resultados quantitativos e uma estratégia de operação comparáveis às observadas em La Rance. Ao melhor de nosso conhecimento, esta é a primeira validação de um modelo 0D e da estratégia de operação de TRS em comparação a uma TRS construída. Além disso, a parametrização das estruturas de La Rance permitiu uma descrição generalizável do modo operacional de bombeamento das turbinas, que é implementado no modelo 0D de SBL. Mostramos que, utilizando o modelo 0D de SBL com bombeamento, ambos os métodos (a) e (b) desenvolvidos alcançam uma geração de energia superior ao upper bound do estado da arte (cenários onde as previsões de maré são iguais às medições) em 2,68% e 3,14%, respectivamente (levando a um aumento do lucro anual de até 967.267£, para SBL), enquanto operam a TRS em tempo real. Adicionalmente, o método DRL (b) alcança esse objetivo sem necessitar de previsões de maré, enquanto performa uma operação dinâmica das turbinas em modo de bombeamento, incluindo cenários com queda positiva (auxiliada pela gravidade) – essas duas últimas características são observadas em medições de La Rance, e até então não nenhum método de controle de TRS havia sido capaz de realizar essa tarefa.