Densidade de potência eólica a partir de ensembles de modelos climáticos regionais no Nordeste do Brasil para o passado recente e futuro

dc.contributor.advisorLima, Kellen Carla
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4524628383146981pt_BR
dc.contributor.authorGurgel, Augusto de Rubim Costa
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0002-0581-9475pt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0169161961991874pt_BR
dc.contributor.referees1Nascimento, Diego Silveira Costa
dc.contributor.referees2Sales, Domingo Cassain
dc.contributor.referees3Ribeiro, Marcos Samuel Matias
dc.contributor.referees4Coutinho, Maytê Duarte Leal
dc.date.accessioned2024-07-16T21:55:30Z
dc.date.available2024-07-16T21:55:30Z
dc.date.issued2024-02-26
dc.description.abstractThe significant increase in electricity consumption and consequent rise in greenhouse gas emissions has led to a heightened exploration of clean energy sources worldwide. In Brazil, particularly in the Northeast region (NEB), there has been notable development in wind and solar energy. Therefore, the main goal of this thesis is to perform high-resolution ensembles from the CORDEX project using simple and robust statistical techniques as well as machine learning to project wind speed and wind power density across different areas of the NEB under two climate scenarios for the near future (2041-2060) and distant future (2081-2099), comparing them to the recent past (1986-2005). The thesis is organized in the form of articles. In the first article, the relationship between wind speed and other climatic variables was evaluated. Principal Component Analysis (PCA) was used to correlate wind speed with air temperature, relative humidity, and precipitation using the Regional Climate Model (RCM) RegCM4.7_HadGEM2-ES for Rio Grande do Norte, in the recent past from 1986 to 2005. The results utilized only PC1 as it accounted for 75.74% of the data variability and had an eigenvalue above 1. Wind speed showed a strong negative correlation with precipitation and relative humidity, -0.91 and -0.94 respectively. In the second article, wind power density was calculated for areas in the NEB during the recent past (1986-2005). Initially, the ECMWFERA5 reanalysis was spatially validated with observed data. Subsequently, the RCMs RegCM4.7, RCA4, and Remo2009 were validated against the reanalysis, and overestimation values above 1m/s were observed in several NEB areas during the dry season (July to December). Four areas in the NEB were selected for study based on the number of wind farms and different climatic aspects: northern Ceará (N-CE), northern Rio Grande do Norte (N-RN), the Borborema Plateau (Borborema), and central Bahia (C-BA). The RCMs with the best statistical indices in each area were chosen to perform the wind power density calculation. NRN and N-CE were the areas that showed the highest wind power density in the recent past. Finally, in the third article, arithmetic mean and other robust techniques were applied to perform ensembles in the same areas chosen in the previous article and the same period (recent past). The arithmetic mean and convex combination techniques showed high underestimation of wind speed for the first semester, except in the C-BA area, and high overestimation for the second semester. The other techniques accurately represented (median values close to) the ECMWF-ERA5 reanalysis in all studied NEB areas. Based on the Taylor Diagram and Willmott’s index of agreement and the standard deviation ratio, the technique that best represented the reanalysis in all NEB study areas was PCR. Using this technique, wind power density was calculated for both the recent past and the near and distant futures under RCP 2.6 and 8.5 scenarios. It was considered that there is stability in wind power density values for the near and distant futures. Therefore, the N-RN area showed the highest wind power density in the NEB, followed by N-CE, Borborema, and C-BA, both for the recent past and for the near and distant futures.pt_BR
dc.description.resumoO aumento significativo no consumo de energia elétrica e consequente, o aumento da emissão de gases de efeito estufa fez com que fontes de energia limpa passassem a ser mais exploradas em todo o mundo. No Brasil, em especial, observou-se o desenvolvimento das energias eólica e solar, principalmente, na região do Nordeste do Brasil (NEB). Dessa forma, o objetivo geral desta tese é realizar ensembles de alta resolução pertencentes ao projeto CORDEX por meio de técnicas estatísticas simples e robustas e por aprendizado de máquina a fim de projetar a velocidade do vento e a densidade de potência eólica para diferentes áreas do NEB sob dois cenários climáticos para um futuro próximo (2041-2060) e distante (2081-2099) e comparálas com o passado recente (1986-2005). A tese está organizada no formato de artigos. No primeiro artigo, avaliou-se como a velocidade do vento se relacionava com outras variáveis climáticas. Para tanto, utilizou-se a Análise de Componentes Principais (ACP) para correlacionar a velocidade do vento com a temperatura do ar, a umidade relativa do ar e a precipitação a partir do Modelo Climático Regional (MCR) RegCM4.7_HadGEM2-ES para o Rio Grande do Norte, no passado recente de 1986 a 2005. Como resultado, utilizou-se apenas a CP1 pois apresentou 75,74% da variabilidade dos dados e autovalor acima de 1. A velocidade do vento teve forte correlação negativa com a precipitação e umidade relativa do ar, -0,91 e -0,94, respectivamente. No segundo artigo, foi calculada a densidade de potência eólica para áreas do NEB no passado recente de 1986 a 2005. Diante disso, primeiramente, validou-se a reanálise ECMWF-ERA5 com os dados observados de forma espacial. Em seguida, os MCR RegCM4.7, RCA4 e Remo2009 foram validados com a reanálise, e observou-se valores de superestimação acima de 1m/s em diversas áreas do NEB no período seco (julho a dezembro). Quatro áreas no NEB foram escolhidas para estudo com base na quantidade de parques eólicos e nos diferentes aspectos climáticos: o norte do Ceará (N-CE), o norte do Rio Grande do Norte (N-RN), o Planalto da Borborema (Borborema) e o centro da Bahia (C-BA). Os MCR com melhores índices estatísticos em cada área foram escolhidos para realizar o cálculo da densidade de potência eólica. O N-RN e o N-CE foram as áreas que apresentaram maior densidade de potência eólica no passado recente. Por fim, no terceiro artigo, foram aplicadas técnicas de média aritmética e outras técnicas robustas para realizar ensembles nas mesmas áreas escolhidas no artigo anterior e mesmo período (passado recente). As técnicas de média aritmética e combinação convexa apresentaram alta subestimação da velocidade do vento para o primeiro semestre, exceto a área da C-BA, e alta superestimação para o segundo semestre. As demais técnicas conseguiram representar bem (medianas próximas) a reanálise ECMWF-ERA5 em todas as áreas estudadas no NEB. A partir da análise do Diagrama de Taylor e dos índices estatísticos de concordância de Willmott e a razão dos desvio-padrão, a técnica que melhor representou a reanálise em todas as áreas de estudo do NEB, foi a PCR. Assim, a partir dessa técnica foi realizada o cálculo da densidade de potência eólica, tanto para o passado recente como para o futuro próximo e futuro distante, mediantes os RCP 2.6 e 8.5. Considerou-se, que há uma estabilidade nos valores da densidade de potência eólica para o futuro próximo e distante. Portanto, a área do N-RN apresentou a maior densidade de potência eólica do NEB, seguido do N-CE, Borborema e C-BA, tanto para o passado recente quanto para os futuros próximo e distante.pt_BR
dc.identifier.citationGURGEL, AUGUSTO DE RUBIM COSTA. Densidade de potência eólica a partir de ensembles de modelos climáticos regionais no Nordeste do Brasil para o passado recente e futuro. Orientadora: Dra. Kellen Carla Lima. 2024. 138f. Tese (Doutorado em Ciências Climáticas) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58805
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS CLIMÁTICASpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectCordex-Corept_BR
dc.subjectReanálise ECMWF-ERA5pt_BR
dc.subjectEnsemblept_BR
dc.subjectRegressão múltipla por componentes principaispt_BR
dc.subjectAprendizado de máquinapt_BR
dc.subjectDensidade de potência eólicapt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRApt_BR
dc.titleDensidade de potência eólica a partir de ensembles de modelos climáticos regionais no Nordeste do Brasil para o passado recente e futuropt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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