Wind energy resource modelling in Portugal and its future large-scale alteration due to anthropogenic induced climate changes

Abstract

The high dependence of Portugal from foreign energy sources (mainly fossil fuels), together with the international commitments assumed by Portugal and the national strategy in terms of energy policy, as well as resources sustainability and climate change issues, inevitably force Portugal to invest in its energetic self-sufficiency. The 20/20/20 Strategy defined by the European Union defines that in 2020 60% of the total electricity consumption must come from renewable energy sources. Wind energy is currently a major source of electricity generation in Portugal, producing about 23% of the national total electricity consumption in 2013. The National Energy Strategy 2020 (ENE2020), which aims to ensure the national compliance of the European Strategy 20/20/20, states that about half of this 60% target will be provided by wind energy. This work aims to implement and optimise a numerical weather prediction model in the simulation and modelling of the wind energy resource in Portugal, both in offshore and onshore areas. The numerical model optimisation consisted in the determination of which initial and boundary conditions and planetary boundary layer physical parameterizations options provide wind power flux (or energy density), wind speed and direction simulations closest to in situ measured wind data. Specifically for offshore areas, it is also intended to evaluate if the numerical model, once optimised, is able to produce power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ measured data than wind measurements collected by satellites. This work also aims to study and analyse possible impacts that anthropogenic climate changes may have on the future wind energetic resource in Europe. The results show that the ECMWF reanalysis ERA-Interim are those that, among all the forcing databases currently available to drive numerical weather prediction models, allow wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements. It was also found that the Pleim-Xiu and ACM2 planetary boundary layer parameterizations are the ones that showed the best performance in terms of wind power flux, wind speed and direction simulations. This model optimisation allowed a significant reduction of the wind power flux, wind speed and direction simulations errors and, specifically for offshore areas, wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements than data obtained from satellites, which is a very valuable and interesting achievement. This work also revealed that future anthropogenic climate changes can negatively impact future European wind energy resource, due to tendencies towards a reduction in future wind speeds especially by the end of the current century and under stronger radiative forcing conditions.

A elevada dependência energética de Portugal face ao exterior em termos de combustíveis fósseis, aliada aos compromissos assumidos pelo País no contexto internacional e á estratégia nacional em termos de política energética bem como às temáticas da sustentabilidade dos recursos e alterações climáticas, inevitavelmente obrigam Portugal á necessidade de investir na sua auto-suficiência energética. A estratégia definida pela União Europeia, sob a forma da Estratégia 20/20/20, define que em 2020 60% do total da electricidade consumida seja proveniente de fontes de energia renováveis. A energia eólica constitui presentemente uma das principais fontes de produção de energia eléctrica em Portugal, produzindo em 2013 cerca de 23% do consumo total nacional de electricidade. A Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE2020), que visa garantir o cumprimento da Estratégia Europeia 20/20/20, prevê que cerca de metade desta meta de 60% seja fornecida pela eólica. O presente trabalho pretende aplicar e optimizar um modelo numérico de previsão do tempo na simulação e modelação do recurso eólico em Portugal, em zonas offshore e onshore. A optimização do modelo numérico baseou-se na determinação de quais as condições iniciais e de fronteira e opções de parametrizações físicas da camada limite planetária a usar no modelo que proporcionam simulações do fluxo de potência (ou densidade de energia), velocidade e direcção do vento mais próximas de dados medidos in situ. Especificamente para zonas offshore pretende-se também avaliar se o modelo numérico, uma vez optimizado, é capaz de produzir dados de vento e fluxo de potência mais concordantes com dados medidos in situ que dados de vento provenientes de satélites. Neste trabalho ambiciona-se ainda estudar e analisar possíveis impactos que alterações climáticas de origem antropogénica poderão ter no recurso eólico disponível sobre a Europa no futuro. Os resultados deste trabalho revelaram que as reanálises do ECMWF ERA-Interim são aquelas que, entre todas as bases de dados de forçamento de modelos de previsão numérica presentemente disponíveis, permitem simulações do fluxo de potência, velocidade e direcção do vento mais concordantes com medições de vento in situ. Verificou-se também que as parametrizações da camada limite planetária Pleim-Xiu e ACM2 são as que permitem ao modelo usado neste trabalho obter os melhores resultados em termos de simulação do fluxo de potência, velocidade e direcção do vento. Esta optimização do modelo permitiu uma redução significativa dos erros de simulação do fluxo de potência, velocidade e direcção do vento e, para zonas offshore, a obtenção de simulações do fluxo de potência, velocidade e direcção do vento mais concordantes com medições de vento in situ do que dados provenientes de satélites, resultado este de grande valor e interesse. Este trabalho revela ainda que alterações climáticas de origem antropogénica poderão produzir impactos negativos no recurso eólico futuro na Europa, devido às tendências detectadas para uma futura diminuição das velocidades do vento especialmente na segunda metade do presente século e sob cenários de forte forçamento radiativo.