Source material

Capítulo 15 Smarthoods: Microgrids integrados da Aquapônica

1. 15.1 Introdução

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   A transição para um sistema energético totalmente sustentável exigirá, em parte, a passagem de um sistema centralizado de produção e distribuição para um sistema descentralizado, devido ao aumento das tecnologias descentralizadas de geração de energia que utilizam radiação solar eólica e de cobertura. Além disso, a integração dos sectores do calor e dos transportes na rede eléctrica conduzirá a um aumento muito significativo do pico de procura. Estes desenvolvimentos exigem adaptações maciças e onerosas à infraestrutura energética, enquanto se espera que a utilização dos ativos de produção existentes caia de 55% para 35% até 2035 (Strbac et al. 2015). Isso representa um grande desafio, mas também uma oportunidade: se os fluxos de energia puderem ser equilibrados localmente em microgrids, a demanda por modernização dispendiosa da infraestrutura pode ser minimizada, proporcionando estabilidade extra à rede principal. Por estas razões, “as microredes foram identificadas como um componente-chave da Smart Grid para melhorar a confiabilidade e a qualidade da energia, aumentando a eficiência energética do sistema” (Strbac et al. 2015).

   As microredes podem proporcionar resiliência e flexibilidade muito necessárias e, por conseguinte, são susceptíveis de desempenhar um papel importante no sistema energético do futuro. Estima-se que, em 2050, mais de metade dos agregados familiares da UE produzam a sua própria electricidade (Pudjianto et al. 2007). Por conseguinte, é necessário desbloquear recursos flexíveis nas microredes, a fim de equilibrar a produção intermitente de energia renovável.

   Os sistemas de agricultura urbana, como a aquapônica (dos Santos 2016), podem proporcionar essa flexibilidade energética tão necessária (Goddek e Körner 2019; Yogev et al. 2016). As plantas podem crescer dentro de uma ampla gama de condições externas, uma vez que estão acostumadas a fazê-lo na natureza. O mesmo se aplica aos peixes em um sistema de aquicultura, que podem prosperar em uma ampla faixa de temperatura. Essas condições de operação flexíveis permitem um efeito de buffer nos requisitos de entrada de energia, o que cria um grande grau de flexibilidade dentro do sistema. A alta massa térmica incorporada pelo sistema de aquicultura permite que grandes quantidades de calor sejam armazenadas dentro do sistema. As luzes podem ser ligadas e desligadas dependendo da abundância de eletricidade, permitindo que o excesso de geração de eletricidade seja essencialmente reduzido, transformando-a em biomassa valiosa. As bombas podem ser operadas em sincronicidade com os tempos de pico de geração de energia (por exemplo, meio-dia) para limitar a potência máxima líquida (pico de barbear). As unidades de destilação ótimas (Chap. 8) também têm uma demanda de calor muito flexível e podem ser desligadas assim que houver um excesso de fornecimento de calor ou eletricidade (ou seja, a bomba de calor converteria então a energia elétrica em energia térmica). Todos estes aspectos tornam os sistemas aquapônicos adequados para proporcionar flexibilidade a uma microrede.

   Além de proporcionar flexibilidade no consumo, um sistema aquaponico multi-loop pode ser ainda mais integrado para proporcionar flexibilidade na produção. O biogás é produzido como um subproduto da UASB na instalação aquapônica. Este biogás pode ser queimado para produzir calor e energia, incorporando um micro-CHP na microrede. A integração de sistemas aquánicos nas microredes pode, portanto, aumentar a flexibilidade energética tanto do lado da procura como da oferta.

2. 15.2 O conceito de Smarthoods

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Para desbloquear todo o potencial do nexo Alimentar-Água-Energia no que diz respeito às microredes descentralizadas, uma abordagem totalmente integrada centra-se não apenas na energia (microrede) e nos alimentos (aquapônica), mas também na utilização do ciclo da água local. A integração de vários sistemas de água (como coleta, armazenamento e tratamento de águas residuais) em microredes aquáticas integradas produz o maior potencial de eficiência, resiliência e circularidade. O conceito de uma microrede alimento-água-energia totalmente integrada e descentralizada será a partir de agora referido como um Smarthood (bairro inteligente) e é representado na Fig. 15.2.

   O benefício da implementação da aquapônica no conceito de Smarthoods é seu potencial para contribuir para otimizar os fluxos integrados de nutrientes, energia e água (Fig. 15.1). Este potencial de integração vai muito além do já mencionado

   A Alimenta-Água-Energética

   30% da demanda global de energia é utilizada para a agricultura 70% da demanda mundial de água doce é utilizada para a agricultura

   

   Fig. 15.1 O nexo alimento-água-energia mostra a interação entre energia, água e produção de alimentos (baseado em IRENA 2015)

   img src="media/image-20201002190013698.png” alt="Sistemas Aquaponics desacoplados em um Smarthood” style="zoom: 67%;”/

   Fig. 15.2 A integração de sistemas aquapônicos dissociados (conforme descrito em Chap. 8) em um ambiente local descentralizado, conforme projetado para o conceito Smarthoods. As setas verdes mostram até que ponto um sistema aquapônico pode interagir com o sistema geral. As setas vermelhas representam fluxos de calor, as setas azuis fluem água e as setas amarelas de energia fluem

   cruzamentos entre os sistemas energéticos e alimentares. Por exemplo, os fluxos de resíduos biodegradáveis que ocorrem podem ser tratados em reatores anaeróbios (por exemplo, UASB) e gerar biogás e bio-fertilizantes (Goddek et al. 2018). Mesmo as lamas desmineralizadas podem ser utilizadas como estrume líquido em terras cultivadas convencionais.

   img src=” https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom: 75%;”/

   Fig. 15.3 Foto ilustrada de De Ceuvel (fonte: Metabólica — www.metabolic.nl)

   Exemplo 15.1

   Um dos primeiros exemplos de um desenvolvimento urbano de microrede aquapônica integrada é De Ceuvel, um estaleiro anteriormente abandonado em Amsterdão-Norte que foi convertido em um espaço de escritório auto-suficiente e hub recreativo. De Ceuvel serve como um testbed para novas tecnologias e políticas destinadas a criar uma economia circular. Possui uma micrograde totalmente elétrica, incluindo solar fotovoltaica, bombas de calor e troca de energia peer-to-peer sobre a cadeia de blocos usando seu próprio token de energia: o Jouliette ¹. Uma pequena instalação aquapônica produz ervas e vegetais para o restaurante no local. O mesmo restaurante utiliza biogás extraído de resíduos orgânicos produzidos localmente para as suas actividades culinárias, bem como para o aquecimento do espaço. Além disso, há um laboratório presente que é usado para testar a qualidade da água e extrair fosfatos e nitratos.

   Embora De Ceuvel não esteja atualmente usando ativamente a instalação aquapônica para aumentar a flexibilidade de sua microrede, sensores estão sendo instalados para monitorar os fluxos de energia e nutrientes, a fim de avaliar seu desempenho. Estes dados serão utilizados para auxiliar no desenvolvimento de microredes aquapônicas urbanas integradas mais recentes e inteligentes, como o conceito de Smarthoods proposto neste capítulo. Os casos de uso precoce encontrados em laboratórios urbanos como De Ceuvel são essenciais para o desenvolvimento bem-sucedido do conceito de Smarthoods (Fig. 15.3).

   Embora uma abordagem holística para sistemas urbanos FWE, como os conceitos Smarthoods, produza muitos benefícios, a integração de sistemas aquapônicos em microredes permanece muito dependente do caso. Os sistemas de produção de alimentos aquapônicos são caracterizados por um maior rendimento e uma menor pegada de água, nutrientes e energia do que os sistemas agrícolas convencionais; no entanto, eles também são mais caros de construir. Eles são, portanto, mais adequados em locais que exigem altos rendimentos devido, por exemplo, a limitações de espaço. Nas zonas urbanas densas, pode nem sempre haver espaço suficiente para construir uma instalação aquapônica, enquanto que, para as zonas rurais, o custo da terra pode ser demasiado baixo para justificar a construção de uma instalação aquapônica de última geração; uma instalação agrícola padrão com custos de financiamento e rendimento mais baixos será mais adequada em tais casos. O caso de uso mais ideal para uma instalação aquapônica integrada é aquele em que há espaço suficiente disponível, e um alto rendimento por área é necessário para compensar o custo do uso do solo. Os bairros suburbanos e outras zonas urbanas (por exemplo, um armazém abandonado) são, portanto, mais susceptíveis de ver a primeira implementação de microredes integradas numa instalação aquapónica (ver exemplo 15.1).

   Footnotes

   1. https://www.joulitte.net ↩

3. 15.3 Gol

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   O objetivo desta pesquisa é quantificar o grau de autossuficiência e flexibilidade para uma microrede integrada com um sistema aquaponico multi-loop dissociado.

4. 15.4 Método

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Um bairro de 50 domicílios foi assumido como um “Smarthood”, com uma instalação aquaponica dissociada multi-loop presente que é capaz de fornecer peixe e vegetais para todos os 100 habitantes da Smarthood.

   Para a modelização detalhada do Smarthood, utilizou-se um caso de referência hipotético de um bairro suburbano em Amsterdã, composto por 50 domicílios (casas) com uma ocupação média de 2 pessoas por agregado familiar (100 pessoas no total). Além disso, uma instalação aquapônica urbana é composta por uma estufa, sistema de aquicultura, um UASB e uma unidade de destilação. O dimensionamento dos diferentes componentes é motivado com base em dados relativos a uma família típica holandesa e a uma estufa (ver Quadro 15.1).

   15.4.1 O modelo do sistema de energia

   Foi criado um Modelo de Sistema Energético (ESM) que pode simular os fluxos de energia de uma ampla gama de componentes, cujas principais especificações são mostradas na Tabela 15.2. O MEE é capaz de calcular os fluxos de energia para cada componente para cada hora do ano.

   Quadro 15.1 Requisitos alimentares e energéticos por pessoa/agregado familiar nos Países Baixos

   tabela cabeça tr td/td oMédia (por capita/ano) /th oTotal (100 pessoas) /th THSource/th /tr /cabeça tbody tr th Colspan=4alimento/th /tr tr TDConsumo de vegetais (Países Baixos) /td td 33 kgsupa/sup (enquanto u73 kg/u são recomendados /td td 7300 kg /td td EFSA (2018) /td /tr tr class="ímpar” TdRequired área de estufa/td td Aprox. 4 msup2/sup /td td 400 msup2/sup /td td Estimativa baseada em mín. recomendação de consumo /td /tr tr class="mesmo” Consumo TDFish td 20 kg /td td 2000 kg /td td FAO (2015) /td /tr tr class="ímpar” TDREquired aquacultura volumesupb/sup/td td 0.2 msup3/sup /td td 20 msup3/sup /td td estimado /td /tr tr th colspan=4 Energia/th /tr tr class="ímpar” TDConsumo de calor doméstico (Países Baixos) /td td 6500 kWhsub/sub/casa/ano /td td 325 MWhsub/sub/ano /td td CBS (2018) /td /tr tr class="mesmo” td RowSpan=2RAs consumo de eletricidade/td td rowspan=2 0,05—0,15 kwsube/sub/msup3/sup /td td 1—3 kWSube/Sub /td td rowspan=2 (Espinal, pers. comunicação) /td /tr tr class="ímpar” td 8,76—28,26 Mwhsube/sub/ ano /td /tr /tbody /tabela

   SUPA/SUPO holandês médio come 50 kg de legumes por ano. No entanto, apenas 33 kg de hortaliças que podem ser cultivadas em sistemas hidropônicos, que são frutas hortaliças 31.87 g/dia, brassica hortaliças 22.11 g/dia, folhas hortícolas 12.57 g/dia, leguminosas 19.74 g/dia, vegetais caule 4.29 g/dia

   SUPB/SUP considerando uma densidade máxima de peixes de 80 kg/msup3/sup

   Quadro 15.2 Componentes de produção

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” O componente/th th Tamanho /th th Especificações /th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TDSolar PV/TD td 40 kWSubp, e/sub /td td Eta: 0,15 /td /tr tr class="mesmo” Turbina eólica TDurban td 20 kWSubp, e/sub /td td Eta: 0,33 /td /tr tr class="ímpar” Bomba TDHeat td 10 kWSubp, e/sub /td td POLICIAL: 4.0 /td /tr tr class="mesmo” TDCHP/TD td 20 kWSubp, e/sub /td td ETaSubel/sub: 0,24, ETaSubth/sub = 0,61 /td /tr tr class="ímpar” Célula TDFuel td 10 kWSubp, e/sub /td td Eta: 0,55 /td /tr tr class="mesmo” Tdelectrolyser/TD td 20 kWSubp, e/sub /td td Eta: 0,45 /td /tr tr class="ímpar” TDBattery/TD td 200 kWh /td td Eta: 0,90 /td /tr tr class="mesmo” TDTanque de água quente/td td 930 kWh /td td 40—60C /td /tr tr class="ímpar” TDHidrogénio Tanque/td td 1000 kWh /td td 30 kg de armazenamento HSub2/sub /td /tr /tbody /tabela

   O sistema de energia foi modelado em MATLAB usando dados de perfil de energia para Amsterdã obtidos através do DesignBuilder. O modelo numérico de séries temporais incorpora uma ampla seleção de tecnologias energéticas, listadas na Tabela 15.2 com suas especificações relevantes (Fig. 15.4).

   O modelo de sistema de energia (ESM) usa declarações condicionais simples para o processo de tomada de decisão, ou seja, é um sistema de controle baseado em regras. Na versão atual deste modelo, o controle é centralizado, com o objetivo de autoconsumo

   

   Fig. 15.4 O modelo da microrede aquapônica (F. de Graaf 2018), mostrando os balanços energéticos para potência (diagrama superior) e calor (diagrama inferior) para o caso de referência (Amsterdã)

   maximização do sistema no seu conjunto (numa versão futura, a arquitectura de controlo será descentralizada, ver Secção 15.5). As declarações condicionais para conseguir isso podem ser declaradas da seguinte forma:

   1. Mantenha o armazenamento de calor ao mínimo.

   2. Previsão da produção e consumo de eletricidade inflexível prevista.

   3. (a) Se a bateria estiver cheia, ative o consumo flexível.

   (b) Se a bateria estiver vazia, ative a geração flexível.

   Ao manter o armazenamento de calor a um mínimo, o tampão para o balanceamento flexível de energia é maximizado. Se houver uma superprodução de eletricidade inflexível (isto é, produção de eletricidade que não pode ser programada ou controlada de forma flexível, como solar ou eólica), a bomba de calor pode ser ligada para criar um tampão fornecido pelo armazenamento de água quente e pela massa térmica do sistema RAS aquapônico. Por outro lado, se houver uma subprodução de eletricidade, a geração flexível, como a CHP e a célula de combustível, pode ser ligada, utilizando assim a capacidade de armazenamento térmico.

   Tanto para calor como para energia, o balanço energético é equivalente a

   $P_ {gen, flex} + P_ {gen, inflex} + P_ {grid} = P_ {contras, inflex} + P_ {contras, flex} + P_ {armazenamento} $ (15.1)

   As gerações flexíveis incluem a bomba de calor, a unidade combinada de calor e potência (CHP), a célula de combustível, a bateria e os dispositivos inteligentes/flexíveis (por exemplo, bombas aquapônicas). Os coletores eólicos, solares fotovoltaicos (PV) e solares são classificados como geração inflexível. Dispositivos não flexíveis compõem a maior parte do consumo de eletricidade, especialmente no inverno (devido à necessidade de iluminação instantânea) (Fig. 15.5).

   

   Fig. 15.5 Exemplo dos fluxos de energia (diagrama Sankey) de uma possível configuração integrada de microrede em De Ceuvel (de Graaf 2018), incluindo um biodigestor para a produção de biogás. Esta configuração específica não inclui a unidade Combinada de Calor e Potência que está presente no conceito Smarthood, nem leva em conta uma grande instalação aquapônica

5. 15.5 Resultados

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   O consumo elétrico e térmico total das casas e da instalação aquapônica com efeito de estufa (modelado a partir dos dados dos quadros 15.1 e 15.2) é apresentado na Tabela 15.3. A instalação aquapônica de estufa é responsável por 38,3% do consumo de energia e 51,4% do consumo de calor. A procura de energia para uma instalação aquapônica integrada numa microrede residencial é, portanto, ligeiramente superior a um terço da procura total de energia local, dado que toda a produção de energia residencial e hortaliças/peixe é realizada localmente. A demanda de calor compreende cerca de 50% da demanda total de calor, que pode ser atribuída para uma grande parte à unidade de destilação que funciona com água de alta temperatura.

   Como pode ser visto nos Figs. 15.4 e 15.6, o sistema de energia Smarthoods é capaz de equilibrar a produção e a demanda na maioria das vezes. A quota total de electricidade importada da rede é de 4,62% para o caso de referência. Às vezes, um ligeiro desequilíbrio de poder pode ser observado, o que pode ser atribuído ao controle suboptimal para a versão atual do modelo em sua maior parte. A CHP, por exemplo, muda de um estado ligado para fora várias vezes ao longo de várias horas, resultando em uma superprodução de eletricidade. Esse comportamento não ocorrerá para um sistema de controlo mais otimizado, uma vez que a CHP pode ser reduzida em coordenação com a bomba de calor, a fim de fornecer a quantidade precisa de eletricidade e calor necessários.

   15.5.1 Flexibilidade

   O sistema é altamente flexível como resultado da CHP e da instalação aquapônica, com sua iluminação flexível e bombas, e alta capacidade de tamponamento térmico, bem como o

   Tabela 15.3 Carga elétrica e térmica para diferentes aspectos da microrede

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” th/th th Residencial /th th Instalação aquapônica /th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TDelectrical média de demanda/td td 17,2 kW /td td 10,2 kW /td /tr tr class="mesmo” TDelectrical pico de demanda/td td 47,6 kWsubp/sub /td td 15,2 kWsubp/sub /td /tr tr class="ímpar” ODemanda total elétrica/th th 143,2 MWh/ano /th th 89,2 MWh/ano /th /tr tr class="mesmo” TDMédia de demanda térmica/td td 37,1 kW /td td 39,3 kW /td /tr tr class="ímpar” TDThermal pico demanda/td td 148,4 kW /td td 121,2 kW /td /tr tr class="mesmo” oDemanda total térmica/th th 325.0 MWhsub/sub/ano /th th 344,2 MWhsub/sub/ano /th /tr /tbody /tabela

   

   Fig. 15.6 Diagramas gráficos de séries temporais para os balanças de energia (superior esquerdo) e calor (inferior esquerdo) (em W) do sistema Smarthood. A capacidade de armazenamento (em kWh) é indicada no lado direito para potência (superior direito) e calor (parte inferior direita). O eixo x representa o número de horas desde o início do ano. A linha preta representa o desequilíbrio da energia

   bateria, eo sistema de hidrogênio. O sistema aquapônico, especialmente, aumenta consideravelmente a flexibilidade geral do sistema, uma vez que pode funcionar para uma ampla gama de entrada de energia, como pode ser derivado do quadro 15.4. Como resultado dessa flexibilidade, o sistema consegue alcançar quase total (95,38%) de auto-suficiência de energia e 100% de auto-suficiência de calor.

6. 15.6 Discussão

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Auto-suficiência O sistema energético proposto para o conceito Smarthood é capaz de alcançar quase total independência da rede através da utilização da flexibilidade proporcionada pelos vários componentes do sistema. O sistema aquapônico, especialmente, tem um positivo

   Quadro 15.4 Procura flexível do sistema aquaônico

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” th Componente /th th Ordem de grandeza /th th A flexibilidade /th /tr /cabeçote tbody tr class="ímpar” td rowspan=3 Bombas /td td 0,05—0,15 kWSUbe/Sub MSUP3/sup /td td rowspan=3 Nem todas as bombas têm de funcionar continuamente. Os principais processos (controlo de oxigénio, controlo de amoníaco, controlo de COSub2/sub, trocas de tanques, controlo de sólidos suspensos) devem funcionar continuamente. Processos menores, como dosagem de tampão de pH, rotinas de retrolavagem, trocas de água ou oxigenação de reserva, não precisam funcionar continuamente /td /tr tr class="mesmo” td 1—3 kWSube/Sub /td /tr tr class="mesmo” td 8,76—28,26 Mwhsube/sub/ano /td /tr tr class="ímpar” td rowspan=2 iluminação /td td 80—150 W/mSUP2/Sup /td td rowspan=2 As plantas precisam de ~4—6 h de escuridão, o resto do dia elas podem ser iluminadas artificialmente. Isso deixa aprox. 0 (verão) a 12 (inverno) horas de iluminação adicional flexível /td /tr tr class="mesmo” td Com um fator de capacidade de 10 a 20%, isso leva a 28—105 MWhsube/sub/ano KWSube/sub/submarino /td /tr tr class="ímpar” td rowspan=2 Aquecimento de ambiente (piso radiante) e aquecimento de tanques de aquicultura /td td 444 kWsubth/sub/MSUP2/SUP/ano /td td rowspan=2 Devido à alta massa térmica do piso de concreto e ao grande volume de água no tanque RAS, a carga de calor é extremamente flexível /td /tr tr class="ímpar” td 177,8 MWhsub/sub/ano /td /tr tr class="mesmo” td rowspan=2 Unidade de destilação /td td 50 kWsubth/Sub MWhSuba/sub/ano /td td rowspan=2 A unidade de destilação opera com água quente (70—90° C) e pode ser operada com um grau significativo de flexibilidade (MemSys 2017) /td /tr tr class="ímpar” td 166,4 MWhsub/sub/ano /td /tr /tbody /tabela

   efeito sobre a flexibilidade geral do sistema. Com 95,38% de autossuficiência de energia, este sistema funciona melhor do que qualquer outro sistema economicamente viável avaliado em pesquisas anteriores (de Graaf 2018).

   _Control Architecture _ Facilitar uma economia energética local descentralizada, como a proposta no conceito Smarthoods, requer uma plataforma que acompanhe todas as transações peer-to-peer que ocorrem dentro da vizinhança. A rede peer-to-peer correspondente pode ser classificada como uma abordagem de sistema multiagente (MAS), na qual múltiplos nós (por exemplo, agregados familiares ou edifícios de utilidade pública) funcionam como agentes independentes com o seu próprio objetivo (por exemplo, minimizar custos ou maximizar a poupança de energia) e o correspondente processo de tomada de decisão. Uma abordagem de tomada de decisão descentralizada e multiagente é necessária devido à complexidade do sistema. Há simplesmente muita informação e muitas variáveis para o cálculo de uma arquitetura de controle hierárquica, de cima para baixo e centralizada.

   Blockchain Uma arquitetura de controle de sistema multi-agente baseada em blocos poderia potencialmente fornecer a estrutura necessária para acomodar uma rede peerto-peer descentralizada. Um grande número de nós distribuídos garante estabilidade e segurança para a rede, e uma alternativa à mineração pode ser usada: a cunhagem. Com a cunhagem, os tokens/moedas são gerados com base nos dados fornecidos por um dispositivo do mundo real, como um medidor de energia inteligente. Desde que essas fontes de informação possam ser confiáveis, ou seja, que esses dispositivos possam ser invioláveis, pode ser criado um livro de contabilidade seguro e independente no qual várias partes interessadas possam trocar bens (por exemplo, eletricidade) e serviços (por exemplo, gestão do lado da demanda). Usando contratos inteligentes, serviços complexos, como negociação de flexibilidade podem ser programados na arquitetura de controle do sistema.

   Internet of Things Os componentes constituintes do sistema Smarthood, tais como bombas de calor, iluminação de estufa ou UASB, podem ser controlados usando sensores e atuadores conectados à Internet, conhecidos como Internet das Coisas. Uma rede de sensores IoT permite a ampla aquisição de dados, que vão desde a concentração de nutrientes do tanque de peixes até, por exemplo, ciclos de carga da bateria, tudo em uma base de tempo. Estes dados podem ser utilizados para verificar o modelo numérico e otimizar o controlo dinâmico do sistema.

   Inteligência Artificial Otimizar o controle do sistema Smarthood pode ser feito analisando os dados usando algoritmos de inteligência artificial, como programação genética (algoritmos evolutivos) ou aprendizado de reforço de máquina. Com o aprendizado de reforço de máquina, por exemplo, um conjunto de ações e sua influência sobre o ambiente são passados para o algoritmo como argumentos de entrada, juntamente com o estado atual do sistema e uma função cumulativa objetiva/custo. Um processo de tomada de decisão heurística de melhoria incremental pode ser implementado em cada agregado familiar, que se adaptará dinamicamente às situações, a fim de encontrar um programa de tomada de decisão quase ótimo que gerencie os fluxos de energia dentro da casa e do Smarthood. Cada casa pode executar esse algoritmo e, como resultado, uma arquitetura de sistema de controle multi-nodal, conhecida como um sistema multi-agente (MAS), pode ser criada que é relativamente barata computacionalmente (em comparação com o controle centralizado) —- e próxima do ideal.

   _Barreiras Legais _ A natureza altamente inovadora de vários aspectos do conceito Smarthood, como a microrede de poligeração, o sistema aquapônico multi-loop e os requisitos de planejamento urbano não convencionais, traz um conjunto único de desafios a superar. Para muitos desses desafios, o atual quadro regulamentar é insuficiente para acomodar os desenvolvimentos propostos no conceito de Smarthoods.

   Microgrids, por exemplo, funciona melhor quando há um mercado local em que vários prosumers (consumidores que produzem simultaneamente energia) podem se envolver em comércio de energia sem atrito peer-to-peer em um mercado livre. As forças do mercado trabalharão então para criar um mercado local da energia, no qual um preço flutuante da energia resultará da oferta e da procura locais. Por conseguinte, esta flutuação de preços incentivará soluções energéticas inteligentes, tais como o armazenamento de energia, a gestão da procura ou a produção flexível de energia. Na maioria dos países da UE, um mercado local livre é actualmente impossível devido à regulamentação; os impostos têm de ser pagos por cada kWh que passa pelo contador de electricidade, o preço da electricidade para os consumidores é fixo e os consumidores não estão autorizados a participar no mercado da energia sem a intervenção de um terceiro chamada aggregator. Com o aumento esperado do desenvolvimento de projetos de microrede, as entidades reguladoras terão de encontrar formas de facilitar os mercados locais da energia, a fim de desbloquear todo o potencial das microredes altamente integradas (ver exemplo 15.2).

   Exemplo 15.2

   Um avanço recente no quadro regulamentar nos Países Baixos é a introdução do experimenteerregeling, uma lei experimental que permite a um pequeno número de projectos cuidadosamente seleccionados (como a de Ceuvel, exemplo Z.1) para permitir que as cooperativas energéticas se tornem o seu próprio operador de rede de distribuição, como se estivessem atrás de uma única conexão de metro. Esta lei é indicativa do conhecimento, por parte dos órgãos reguladores neerlandeses, das barreiras jurídicas anteriormente mencionadas, pelo que provavelmente levará à revisão da actual legislação relativa à electricidade num futuro próximo, a fim de melhor acomodar os desenvolvimentos das microredes.

   Existem também algumas barreiras legais na maioria dos países da UE no que diz respeito à reutilização da água negra tratada para a produção de peixe e de plantas, uma vez que é necessário garantir que os agentes patogénicos humanos sejam totalmente eliminados. Mais informações sobre o quadro jurídico da aquapônica podem ser consultadas em Capítulo 20.

7. 15.7 Conclusões

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   O objetivo desta pesquisa foi quantificar o grau de flexibilidade e auto-suficiência que uma microrede integrada aquapônica pode proporcionar. Para alcançar esta resposta, um bairro de 50 domicílios foi assumido como um “Smarthood”, com uma instalação aquaponica dissociada multiloop presente que é capaz de fornecer peixe e legumes para todos os 100 habitantes da Smarthood.

   Os resultados são promissores: graças ao alto grau de flexibilidade inerente ao sistema aquaponico como resultado de alta massa térmica, bombas flexíveis e iluminação adaptativa, o grau geral de auto-suficiência é de 95,38%, tornando-o quase completamente auto-suficiente e independente da rede. Com o sistema aquaponico sendo responsável por 38,3% do consumo de energia e 51,4% do consumo de calor, o impacto da instalação aquaponica no balanço energético total do sistema é muito alto.

   Pesquisas anteriores (de Graaf 2018) indicaram que é muito difícil alcançar níveis de autoconsumo acima de 60% sem depender de uma fonte externa de biomassa para conduzir uma CHP. Mesmo com essa fonte incluída, o autoconsumo máximo tecno-economicamente viável não excedeu 89%. No Smarthood, as entradas de biomassa para a PCCE são parcialmente derivadas do próprio sistema aquapônico e da reciclagem de água cinzenta e negra. Um maior autoconsumo combinado com uma menor dependência de insumos de biomassa externa, e um autoconsumo resultante de 95%, faz com que a microrede aquaponica integrada tenha um desempenho melhor do ponto de vista da autossuficiência do que qualquer outra microrede renovável conhecida pelos autores.

   Os autores deste capítulo, portanto, acreditam fortemente que, com experimentação suficiente, a integração de sistemas de efeito estufa aquaponico dentro de microredes produz um grande potencial para criar sistemas altamente auto-suficientes de alimentos e água-energia a nível local.