Sistema híbrido de geração de potência: planta termoelétrica de cogeração a biomassa assistida por energia solar
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Data
2017-12-15
Autores
Possatto, Benhur Azambuja
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Editor
Resumo
Este trabalho apresenta uma análise do comportamento de uma planta termoelétrica de
cogeração a bagaço de cana-de-açucar sob três propostas da integração de campos de coletores
solares de calha parabólica. A intermitência natural da energia solar e a indisponibilidade
de combustível para operação das plantas de cogeração do setor devido à sazonalidade da
safra da cana são mitigadas pela integração de tecnologias em plantas híbridas. Não havendo
necessidade de armazenamento térmico para operação da planta e a possibilidade da economia
de combustível são fatores que justificam a análise destes sistemas. Uma planta de cogeração
foi tomada como caso base para a integração de campos solares para pré-aquecimento da água
de alimentação, geração de vapor saturado e geração de vapor superaquecido em paralelo
com um dos geradores de vapor da usina. O sistema é analisado para cada hora de um ano
meteorológico típico. Determina-se a eficiência glogal dos coletores solares e a eficiência solar
para eletricidade, bem como o comportamento do sistema com as diferentes cargas de energia
solar. Os estudos são desenvolvidos utilizando a linguagem de programação Python. São
avaliados os efeitos diretos na eficiência térmica do ciclo com a introdução da energia solar. Os
resultados encontrados apontam que a melhor proposta de integração é o pré-aquecimento
da água de alimentação. A geração de vapor saturado e superaquecido em paralelo com
a caldeira ocorre com temperaturas médias de transferência de calor no campo solar mais
elevadas que no caso do pré-aquecimento. Dessa forma, as perdas térmicas do sistema são
maiores para as duas propostas de geração direta de vapor. Além disso, a área necessária
assim como o investimento inicial no caso da proposta de pré-aquecimento são menores que
para as propostas de geração direta de vapor. O ciclo de caso base, apresenta uma eficiência
térmica de 17,34% e um fator de utlização de 79,25% para a operação nas condições do período
efetivo da safra. A proposta de operação para entressafra leva a eficiência do ciclo a 22,11%. A
quantidade de bagaço economizado varia entre 1,07 e 10,12% em relação ao bagaço consumido
pela planta durante o período efetivo de safra, entre as propostas de pré-aquecimento e geração
de vapor superaquecido. A eficiência solar para eletricidade alcança 10,12 % para este caso
(e com um múltiplo solar de 1,5). O custo nivelado da energia foi determinado para cada
simulação e o melhor múltiplo solar para proposta foi especificado; os resultados da análise
termoeconômica sugerem que a proposta de pré-aquecimento da água de alimentação tem o
menor custo nivelado de energia, estimado em 565 US$/MWh.
Este trabajo presenta un análisis del comportamiento de una planta termoeléctrica de coge- neración a bagazo de caña de azúcar bajo tres propuestas de la integración de campos de recolectores solares de cilindros parabólicos. La intermitencia natural de la energía solar y la indisponibilidad de combustible para la operación de las plantas de cogeneración del sector debido a la estacionalidad de la cosecha de la caña es mitigada por la integración de tecnologías en plantas híbridas. No habiendo necesidad de almacenamiento térmico para operación de la planta y la posibilidad de la economía de combustible son factores que justifican el análisis de estos sistemas. Una planta de cogeneración se tomó como caso base para la integración de campos solares para precalentamiento del agua de alimentación, generación de vapor saturado y generación de vapor sobrecalentado en paralelo con uno de los generadores de vapor de la planta. El sistema se analiza para cada hora de un año meteorológico típico. Se determina la eficiencia glogal de los colectores solares y la eficiencia solar para la electricidad, así como el comportamiento del sistema con las diferentes cargas de energía solar. Los estudios se desarrollan utilizando el lenguaje de programación Python. Se evaluaron los efectos directos en la eficiencia térmica del ciclo con la introducción de la energía solar. Los los resultados encontrados apuntan que la mejor propuesta de integración es el precalentamiento del agua de alimentación. La generación de vapor saturado y sobrecalentado en paralelo con la caldera ocurre con temperaturas medias de transferencia de calor en el campo solar más elevadas que en el caso del precalentamiento. De esta forma, las pérdidas térmicas del sistema son mayores para las dos propuestas de generación directa de vapor. Además, el área necesaria así como la inversión inicial en el caso de la propuesta de precalentamiento son menores que para las propuestas de generación directa de vapor. El ciclo de caso base, presenta una eficiencia térmica del 17,34 % y un factor de utilización del 79,25 % para la operación en las condiciones del período efectivo de la cosecha. La propuesta de operación extendida para entresuela lleva la eficiencia del ciclo a 22,11 %. La cantidad de bagazo ahorrado varía entre el 1,07 y el 10,12 % en relación al bagazo consumido por la planta durante el período efectivo de cosecha, entre las propuestas de precalentamiento y generación de vapor sobrecalentado. La eficiencia solar para electricidad alcanza el 10,12 % para este caso (y con un múltiplo solar de 1,5). El costo nivelado de la energía se determinó para cada una de las simulaciones y el mejor múltiplo solar para la propuesta fue especificado; los resultados del análisis termoeconómico sugieren que la propuesta de precalentamiento del agua de alimentación tiene menor costo nivelado de energía, estimado en 565 US$/MWh
Este trabajo presenta un análisis del comportamiento de una planta termoeléctrica de coge- neración a bagazo de caña de azúcar bajo tres propuestas de la integración de campos de recolectores solares de cilindros parabólicos. La intermitencia natural de la energía solar y la indisponibilidad de combustible para la operación de las plantas de cogeneración del sector debido a la estacionalidad de la cosecha de la caña es mitigada por la integración de tecnologías en plantas híbridas. No habiendo necesidad de almacenamiento térmico para operación de la planta y la posibilidad de la economía de combustible son factores que justifican el análisis de estos sistemas. Una planta de cogeneración se tomó como caso base para la integración de campos solares para precalentamiento del agua de alimentación, generación de vapor saturado y generación de vapor sobrecalentado en paralelo con uno de los generadores de vapor de la planta. El sistema se analiza para cada hora de un año meteorológico típico. Se determina la eficiencia glogal de los colectores solares y la eficiencia solar para la electricidad, así como el comportamiento del sistema con las diferentes cargas de energía solar. Los estudios se desarrollan utilizando el lenguaje de programación Python. Se evaluaron los efectos directos en la eficiencia térmica del ciclo con la introducción de la energía solar. Los los resultados encontrados apuntan que la mejor propuesta de integración es el precalentamiento del agua de alimentación. La generación de vapor saturado y sobrecalentado en paralelo con la caldera ocurre con temperaturas medias de transferencia de calor en el campo solar más elevadas que en el caso del precalentamiento. De esta forma, las pérdidas térmicas del sistema son mayores para las dos propuestas de generación directa de vapor. Además, el área necesaria así como la inversión inicial en el caso de la propuesta de precalentamiento son menores que para las propuestas de generación directa de vapor. El ciclo de caso base, presenta una eficiencia térmica del 17,34 % y un factor de utilización del 79,25 % para la operación en las condiciones del período efectivo de la cosecha. La propuesta de operación extendida para entresuela lleva la eficiencia del ciclo a 22,11 %. La cantidad de bagazo ahorrado varía entre el 1,07 y el 10,12 % en relación al bagazo consumido por la planta durante el período efectivo de cosecha, entre las propuestas de precalentamiento y generación de vapor sobrecalentado. La eficiencia solar para electricidad alcanza el 10,12 % para este caso (y con un múltiplo solar de 1,5). El costo nivelado de la energía se determinó para cada una de las simulaciones y el mejor múltiplo solar para la propuesta fue especificado; los resultados del análisis termoeconómico sugieren que la propuesta de precalentamiento del agua de alimentación tiene menor costo nivelado de energía, estimado en 565 US$/MWh
Descrição
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia,
Infraestrutura e Território da Universidade
Federal da Integração Latino-Americana,
como requisito parcial à obtenção do título de
Bacharel em Engenharia de Energia.
Orientador: Prof. Walfrido Alonso Pippo
Palavras-chave
Bagaço de cana-de-açucar, Coletores de Calha - parabólica, Geração Direta de Vapor, Cogeração
Citação
POSSATTO, B. A. Sistema Híbrido de Geração de Potência: Planta Termoelétrica de Cogeração a Biomassa Assistida por Energia Solar. 2017. 171 páginas, Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Energia) – Universidade Federal da Integração Latino-Americana, Foz do Iguaçu, 2017