Sustainable pathways for the integration of renewable energy systems for the energy transition in islands – the case study of Madeira archipelago for 2050

Fabíola Maria de Sousa Pereira

Key information

Authors:

Fabíola Maria de Sousa Pereira (Fabíola Maria de Sousa Pereira)

Supervisors:

Carlos Augusto Santos Silva (Carlos Augusto Santos Silva)

Published in

June 19, 2023

Abstract

Os sistemas energéticos das ilhas partilham características comuns, incluindo uma forte dependência dos combustíveis fósseis e restrições de fornecimento de energia devido à falta de interconexões entre ilhas. Apesar destes desafios, as ilhas têm o potencial de se tornarem líderes na transição energética e adotarem soluções inovadoras para enfrentar as alterações climáticas em consonância com o Pacto Ecológico Europeu, impulsionando a investigação, inovação e serem laboratórios da transição energética. O âmbito desta dissertação consiste em desenvolver e avaliar caminhos sustentáveis para a penetração de fontes de energia renováveis na transição energética a nível regional nas Ilhas. Para o efeito o trabalho divide-se em três etapas, 1) previsão da procura de energia utilizando séries de dados estatísticos e aprendizagem automática considerando o impacto da transição digital e variáveis socioeconómicas, 2) soluções para o aumento de recursos energéticos renováveis em Ilhas; 3) planeamento e modelação de sistemas energéticos no Arquipélago da Madeira com criação de cenários em 2030, 2050 e 2055 rumo a tornarem-se Ilhas Sustentáveis. No caso do abastecimento de energia, este trabalho foca-se na análise de dados tendo-se criado uma nova metodologia que combina dados satélite com dados de modelação numérica, de forma a determinar o potencial de energia eólica offshore. Obteve-se 100% de energias renováveis com a redução de 60% das emissões de CO2 na Madeira e Interconexão incluindo hidrogénio e veículos elétricos em 2050, 937.16 GWh de energias renováveis na produção de eletricidade em 2055 e redução de 99% de CO2 no Porto Santo em 2055. Desenvolveram-se soluções de aproveitamento de biorresíduos, energia solar flutuante, o impacto das alterações climáticas, experiências com emulsões e foram elaborados questionários sobre o futuro da mobilidade. Em conclusão, com este trabalho alcançou-se diferentes percursos para a sustentabilidade na Ilha Porto Santo e na Ilha da Madeira com várias aplicações em diferentes Ilhas. Islands energy systems share common characteristics, including a strong dependency on fossil fuels and energy supply constraints due to missing interconnections between islands. Despite those challenges, islands have the potential to become frontrunners in the energy transition and adopt innovative solutions to address climate change, to be according to European Green Deal while boosting research, innovation and serve as energy transition laboratories. The scope of this dissertation is to develop and evaluate sustainable pathways for the energy transition at a regional level in Islands including the penetration of renewable energy sources. For this purpose, this work is divided into three parts: 1) prediction of energy demand using statistical data series and machine learning regarding the impact of the digital transition and socioeconomic variables, 2) solutions to increase penetration of renewable energy resources in Islands; 3) planning and modeling energy systems in Madeira Archipelago with the creation of scenarios in 2030, 2050 and 2055 for becoming sustainable Islands. In the case of the supply, this work focuses on data analysis with the creation of a novel methodology that combines satellite data analysis with numerical modelling data for the application in energy modelling to determine the offshore wind energy potential. It was obtained 100% Renewable Energies with a 60% reduction of CO2 emissions in Madeira and Interconnection in 2050 including hydrogen and electric vehicles, 937.16 GWh of renewable energy sources in the electricity production in 2055 and it was achieved 99% reduction of CO2 emissions in Porto Santo in 2055. It was developed a biowaste plant solution, floating solar photovoltaic energy, the impact of climate change, experiments with emulsions and questionnaires about the mobility of the future. In conclusion, with this work, different pathways for sustainability were achieved on Porto Santo Island and Madeira Island with several potential applications on different islands.