Modelagem transiente do armazenamento térmico em sistemas CSP

Texto

(1)Arthur Kleyton Azevedo de Araújo. Modelagem Transiente do Armazenamento Térmico em sistemas CSP. Natal - RN Março 2017.

(2)

(3) Arthur Kleyton Azevedo de Araújo. Modelagem Transiente do Armazenamento Térmico em sistemas CSP. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos obrigatórios à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica.. Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN Centro de Tecnologia – CT Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – PPGEM. Orientador: Prof. João Carlos Arantes Costa Júnior, Dr. Eng. Coorientador: Prof. Gabriel Ivan Medina Tapia, Dr. Eng.. Natal - RN Março 2017. i.

(4) Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN Sistema de Bibliotecas – SISBI Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede Araújo, Arthur Kleyton Azevedo de. Modelagem transiente do armazenamento térmico em sistemas CSP / Arthur Kleyton Azevedo de Araújo. - 2017. 102 f. : il. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Natal, RN, 2017. Orientador: Prof. Dr. João Carlos Arantes Costa Júnior. Coorientador: Prof. Dr. Gabriel Ivan Medina Tapia. 1. Energias renováveis - Dissertação. 2. Energia solar concentrada Dissertação. 3. Armazenamento térmico - Dissertação. I. Costa Júnior, João Carlos Arantes. II. Tapia, Gabriel Ivan Medina. III. Título. RN/UF/BCZM. CDU 620.92(812/813).

(5)

(6)

(7) Este trabalho é dedicado aos meus pais, por despertarem meu interesse e admiração pelo conhecimento.. v.

(8)

(9) Agradecimentos Agradeço... aos meus pais, Francisco das Chagas e Ana Célia pelo apoio incondicional, pelo seu amor, e por acreditar em minha competência. ao meu orientador Prof. Gabriel Ivan Medina Tapia, Dr. Eng., pelo conhecimento compartilhado e pela sua amizade. a minha companheira Paula Vanessa pelo seu amor, apoio e companheirismo durante todo o período do mestrado. aos amigos Alexandre Bruno, cujas ideias e conversas no laboratório se mostraram essenciais para solucionar os diversos problemas enfrentados ao longo do trabalho, e a João Gutemberg, pela dedicação em tornar este trabalho o melhor possível. a Filipi Marques, George Oliveira, Guilherme Aoyama e Philippe Eduardo, pela amizade desde os tempos da graduação. aos amigos da Equipe Car-Kará de aerodesign. a Universidade Federal do Rio Grande do Norte que se tornou minha segunda casa durante os oito anos desde a aprovação no curso de Engenharia Mecânica até a obtenção do grau de Mestre em engenharia mecânica. e a todos que se dispuseram a contribuir com este trabalho..

(10)

(11) "Felizes aqueles que se divertem com problemas que educam a alma e elevam o espírito" Fenelon. ix.

(12)

(13) Resumo Dentre as energias renováveis, a energia solar concentrada tem como diferencial a capacidade de armazenar energia na forma térmica, sendo esta mais barata e com densidade energética superior às das baterias de sistemas fotovoltaicos. Esta tecnologia permite que as plantas termossolares despachem energia mesmo quando as condições climáticas são desfavoráveis, como em períodos de nebulosidade e após o entardecer. Este trabalho busca, de forma geral, atestar o potencial solar da região Nordeste através de um estudo das perdas de calor, em modo transiente, de um sistema de armazenamento térmico por calor sensível de dois tanques ativo-direto ou indireto em relação às variáveis ambientais como irradiação solar, temperatura ambiente e velocidade do vento. Além disso, o trabalho também se propõe a verificar a sensibilidade do sistema ao seu nível de carregamento e temperaturas de operação. O potencial solar da região Nordeste foi comparado aos principais produtores mundiais de energia heliotérmica. Os principais sistemas de armazenamento de energia térmica em operação nas plantas de energia solar concentrada foram identificados, além dos materiais de armazenamento e de isolamento dos tanques. A análise transiente foi realizada resolvendo os termos difusivos das equações diferenciais resultantes do balanço energético e das trocas de calor utilizando o MDF na formulação implícita para discretização do sistema e o método TDMA para solução das equações. O estudo de sensibilidade do sistema às condições climáticas foi conduzido para duas regiões com características distintas, Sul e Nordeste. Dados experimentais do sistema de armazenamento térmico da planta termossolar Solar Two foram utilizados para validação do modelo proposto por este trabalho. As taxas de calor perdido para validação do modelo apresentaram valores de 97,36 kW para o tanque quente totalmente carregado e 46,12 kW para o tanque frio totalmente carregado, esses valores apresentaram diferenças, em relação a modelos experimentais, de 4,55% e 4,82%, respectivamente. As perdas de calor do tanque quente foram superiores para a região Sul, entretanto a diferença da eficiência de armazenamento entre as regiões foi inferior a 1,0%. As perdas de calor se mostraram relativamente sensíveis ao nível de carregamento do tanque, tendo apresentado uma diferença de 37,35% entre o tanque carregado e descarregado. As temperaturas de operação também se mostraram bastante influentes na eficiência do armazenamento térmico, sendo de 10,78% para o tanque a 300 ◦ C e 89,42% para o tanque a 600 ◦ C. O modelo desenvolvido para este trabalho apresentou resultados condizentes com medições experimentais e com o fenômeno físico do armazenamento. Por fim, o tanque se mostrou pouco sensível às mudanças das condições climáticas, entretanto demonstrou real sensibilidade ao nível de carregamento e temperatura de operação. As perdas de calor de um sistema de armazenamento térmico são funções de diversas variáveis e compreender a influência de cada parâmetro no sistema é primordial para o avanço da tecnologia. Palavras-chaves: energias renováveis, energia solar concentrada, armazenamento térmico. xi.

(14)

(15) Abstract Among the renewable energies, concentrated solar power is capable of store energy in its thermal form, which is cheaper and has energy density higher if compared to the batteries of photovoltaic systems. This technology allows solar thermal plants to dispatch energy even when climatic conditions are unfavorable, such as in periods of cloudiness and after sunset. This work seeks, in a general way, to verify the solar potential of the brazilian Northeast region through a transient study of the heat losses of a sensitive heat storage system by two active-direct or indirect tanks in relation to environmental variables such as solar irradiation, ambient temperature and wind speed. In addition, the work also aims to verify the sensitivity of the system to its loading level and operating temperatures. The solar potential of the brazilian Northeast region was compared to the main world producers of heliothermic energy. The main storage thermal energy systems in operation in concentrated solar power plants were identified, besides the storage and insulation materials of the tanks. The transient analysis was performed by solving the diffusive terms of the differential equations resulting from energy balance and heat exchanges using the FDM in the implicit formulation for discretization of the system and the TDMA method for solving the equations. The sensitivity study of the system to the climatic conditions was conducted for two regions with distinct characteristics, South and Northeast. Experimental data of the Solar Two thermal storage system were used for validation of the model proposed by this work. The heat loss rates for the simulated validation model presented values of 97.36 kW for the fully charged hot tank and 46.12 kW for the fully charged cold tank, these values presented differences, related to experimental models, of 4.55% and 4.82%, respectively. The heat losses of the hot tank were higher for the region of São Martinho da Serra - RS, however the difference in storage efficiency between these two regions was less than 1.0 %. The heat losses were relatively sensitive to the tank loading level, with a difference of 37.35% between the fully charged and fully discharged tank. Operating temperatures were also quite influential on the thermal storage efficiency, being 10.78% for the tank at 300 ◦ C and 89.42% for the tank at 600 ◦ C. The model developed for this work presented results consistent with experimental measurements and with the physical phenomenon of storage. Finally, the tank showed little sensitivity to changes in climatic conditions, however it showed real sensitivity to the loading level and operating temperatures. The heat losses of a thermal storage system is function of several variables and understanding the influence of each parameter on the system is primordial for the advancement of the technology. Key-words: Concentrating Solar Power, TES system, Two Tank.. xiii.

(16)

(17) Lista de ilustrações Figura 1.1 – Proporção entre recursos energéticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. Figura 1.2 – Mapa mundial da distribuição de DNI. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. Figura 1.3 – Mapa brasileiro da distribuição de DNI. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. Figura 1.4 – Esquema de uma central heliotérmica hibrida com TES implantado. . .. 7. Figura 2.1 – Classificações de sistemas de armazenamento térmico. . . . . . . . . . .. 11. Figura 2.2 – Proporção de sistemas TES utilizados em centrais heliotérmicas. . . . . 14 Figura 4.1 – Planta solar Andasol I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. Figura 4.2 – Desenho esquemático da planta solar Andasol I (setas brancas - sol fornecendo energia para o bloco de geração de potência e para o sistema TES; setas pretas - sistema TES fornecendo energia ao bloco de geração de potência). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Figura 4.3 – Modelo de Tanque de armazenamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Figura 4.4 – Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados ao tanque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Figura 4.5 – Distribuição de temperatura em tanque meio cheio após quatro dias de resfriamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Figura 4.6 – Variação da radiação solar extraterrestre ao longo do ano. . . . . . . . 37 Figura 4.7 – Variação da radiação solar direta, difusa e global, ao longo de cinco dias de verão - dezembro 2015. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Figura 4.8 – Variação da temperatura ambiente e velocidade do vento ao longo de cinco dias de verão - dezembro 2015. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Figura 4.9 – Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados ao sal solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Figura 4.10–Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados à superfície de sal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. Figura 4.11–Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados ao gás atmosférico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Figura 4.12–Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados à parede molhada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Figura 4.13–Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados ao fundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Figura 4.14–Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados a parede seca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Figura 4.15–Desenho esquemático dos mecanismos de trocas de calor aplicados ao teto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.

(18) Figura 5.1 – Discretização para uma parede plana em ∆r. . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.1 – Variações das taxas de resfriamento médias e das taxas de calor perdido médias em relação ao número de nós. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.2 – Variações da irradiação global, direta e difusa para a cidade de Petrolina - PE em dias de céu claro de verão - dezembro. . . . . . . . . . . . . . Figura 6.3 – Variações da temperatura ambiente e da velocidade do vento para a cidade de Petrolina - PE em dias de céu claro de verão - dezembro. . . Figura 6.4 – Variações da irradiação global, direta e difusa para a cidade de Petrolina - PE (dezembro). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.5 – Variações da irradiação global, direta e difusa para a cidade de São Martinho da Serra - RS (junho). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.6 – Variações da temperatura ambiente e da velocidade do vento para a cidade de Petrolina - PE (dezembro). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.7 – Variações da temperatura ambiente e da velocidade do vento para a cidade de São Martinho da Serra - RS (junho). . . . . . . . . . . . . . Figura 7.1 – Variação da taxa de calor perdido ao longo de cinco dias de verão dezembro 2015. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.2 – Variação da temperatura do sal solar ao longo de cinco dias de verão dezembro 2015. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.3 – Porcentagem da taxa de calor perdido por mecanismo de transferência de calor para os tanques quente e frio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.4 – Variação da taxa de calor perdido ao longo de cinco dias para as regiões de Petrolina - PE e São Martinho da Serra - RS. . . . . . . . . . . . . Figura 7.5 – Variação da temperatura do sal solar ao longo de cinco dias para as regiões de Petrolina - PE e São Martinho da Serra - RS. . . . . . . . . Figura 7.6 – Variação da taxa de calor perdido ao longo de cinco dias para diferentes níveis de carregamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.7 – Variação da temperatura do sal solar ao longo de cinco dias para diferentes níveis de carregamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.8 – Taxas de calor perdido médias versus níveis de carregamento. . . . . . Figura 7.9 – Variação da taxa de calor perdido ao longo de cinco dias para diferentes temperaturas de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.10–Variação da temperatura do sal solar ao longo de cinco dias para diferentes temperaturas de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7.11–Variação da eficiência de armazenamento para diferentes temperaturas de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xvi. 59 71 74 75 76 77 77 78 81 82 83 85 85 87 87 88 89 90 91.

(19) Lista de tabelas Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela Tabela. 1.1 – Usinas heliotérmicas em operação com TES implantado. . . . . . . . . 2.1 – Materiais para calor sensível. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 – Materiais de mudança de fase para TES. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 – Materiais para sistemas de armazenamento térmico por reações termoquímicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 – Critérios de projeto para TES aplicados a CSP. . . . . . . . . . . . . . 6.1 – Dados para análise de independência de malha. . . . . . . . . . . . . . 6.2 – Dados técnicos do sistema TES para planta Solar Two. . . . . . . . . . 6.3 – Características de irradiação solar, temperatura ambiente e velocidade do vento para as condições consideradas boas e ruins. . . . . . . . . . . 6.4 – Níveis de carregamento do sistema TES e a altura da coluna de sal correspondente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 – Temperaturas de operação do tanque quente e a capacidade de armazenamento correspondente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 – Taxas de resfriamento médio para os tanques quente e frio (cheio e vazio) - dezembro 2015. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 – Resultados teóricos e experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 – Taxas de resfriamento e calor perdido médias para as regiões de Petrolina - PE e São Martinho da Serra - RS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 – Taxas de resfriamento e calor perdido médias para os níveis de carregamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 – Taxas de resfriamento e calor perdido médias para as temperaturas de operação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 12 13 13 15 70 72 76 79 80 82 84 86 88 90.

(20)

(21) Lista de abreviaturas e siglas CFD. Computational Fluid Dinamics (Dinâmica dos Fluidos Computacional). CSP. Concentrating Solar Power (Energia solar concentrada). DNI. Direct Normal Irradiance (Irradiação normal direta). GEE. Gases do Efeito Estufa. IEA. International Energy Agency (Agência internacional de energia). MDF. Método das Diferenças Finitas. MEF. Método dos Elementos Finitos. MVF. Método dos Volumes Finitos. PCM. Phase Change Material (Material de mudança de fase). PNE. Planto Nacional de Energia. PV. Photovoltaic (Fotovoltaico). SA. Solução Aproximada. SE. Solução Exata. SEGS. Solar Energy Generating Systems. TES. Thermal Energy Storage (Armazenamento de energia térmica).

(22)

(23) Lista de símbolos A. Área da superfície [m]. Ad. Área do disco [m]. Al. Área lateral [m]. cp. Calor específico a pressão constante [J/kg K]. cv. Calor específico a volume constante [J/kg K]. DN I. Irradiação solar normal direta [W/m2 ]. e˙ ger. Taxa de energia gerada [W]. Eb. Emissividade de corpo negro [J]. Etotal. Energia total [J]. EC. Energia cinética [J]. EP. Energia potencial [J]. EQ. Energia química [J]. Fi→j. Fator de forma da superfície i para a superfície j [-]. g. Aceleração gravitacional [m/s2 ]. G. Irradiação [W/m2 ]. h. Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2 K]. ¯ h. Coeficiente de transferência de calor por convecção médio [W/m2 K]. Idif usa,horizontal Iglobal,horizontal. Incidência solar difusa horizontal [W/m2 ] Incidência solar global horizontal [W/m2 ]. J. Radiosidade [W/m2 ]. k. Coeficiente de condutividade térmica [W/m K]. L. Comprimento característico [m]. m. Massa [kg].

(24) n. Coeficiente da correlação de convecção mista [-]. P. Pressão [Pa]. Pp. Perimetro [m]. Q. Quantidade de calor [J]. Q˙. Taxa de quantidade de calor [W]. t. Tempo [s]. T. Temperatura [K ou ◦ C]. u. Energia interna específica [J/kg]. U. Energia interna [J]. V. Volume [m3 ]. V. Velocidade [m/s]. ˙ W. Potência [W]. Letras Gregas α. Difusividade térmica [m2 /s]. αabs. Absortividade [-]. β. Coeficiente de expansão térmica [1/K]. ∆r. Comprimento discretizado r [m]. ∆t. Tempo discretizado [s]. ∆z. Comprimento discretizado z [m]. ε. Emissividade [-]. η. Eficiência [-]. θzênite. Ângulo zênite [graus]. µ. Viscosidade dinâmica [Pa s]. ν. Viscosidade cinemática [m2 /s]. ρ. Massa específica [kg/m3 ]. τ. Número de malha de Fourier [-] xxii.

(25) Subscritos amb. Ambiente. cond. Condução. conv. Convecção. f. Fundo. g. Gás atmosférico. gp. Gás - Parede seca. gs. Gás - Superfície de sal. gt. Gás - Teto. p. Parede externa. pm. Parede molhada. ps. Parede seca. pa. Parede externa - Ambiente. s. Superfície. sf. Sal - Fundo. sp. Sal - Parede molhada. ss. Sal - Superfície de sal. ss. Superfície de sal. xxiii.

(26)

(27) Sumário 1. INTRODUÇÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.1. Radiação solar e seu potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. 1.2. Políticas brasileiras em energia solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.3. Armazenamento de energia térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.4. Estrutura do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.5. Objetivos do estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.5.1. Objetivo principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.5.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. 2.1. Tecnologia de armazenamento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. 2.2. Desenvolvimento da tecnologia de armazenamento térmico . . . . . 15. 2.3. Modelagem do sistema de armazenamento térmico . . . . . . . . . . 17. 2.3.1. Fluido de armazenamento e materiais do tanque . . . . . . . . . . . . . . . 18. 2.3.2. Modelos matemáticos em armazenamento térmico . . . . . . . . . . . . . 20. 3. ARMAZENAMENTO TÉRMICO. 3.1. Definição de armazenamento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23. 3.2. Termodinâmica do armazenamento térmico - Calor sensível . . . . . 23. 4. MODELAGEM DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. 4.1. Sistema de armazenamento térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. 4.1.1. Capacidade de armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32. 4.2. Tanques do sistema TES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33. 4.3. Considerações e condições de contorno . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. 4.3.1. Sal fundido e gás atmosférico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36. 4.3.2. Condições climáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. 4.4. Balanço de energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39. 4.4.1. Sal solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39. 4.4.2. Superfície de sal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. 4.4.3. Gás atmosférico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. 4.4.4. Parede molhada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44. 4.4.5. Fundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47. 4.4.6. Parede seca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49. 4.4.7. Teto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.

(28) 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.5. RESOLUÇÃO NUMÉRICA DO BALANÇO ENERGÉTICO DO TANQUE DE ARMAZENAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos de solução em engenharia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Métodos numéricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MDF explícito e implícito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Método explícito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Método implícito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solução do sistema de equações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicação do MDF as equações do balanço de energia . . . . . . . .. 57 57 57 60 61 62 63 64. 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.5 6.6 6.7. PROCEDIMENTO METODOLÓGICO . . . . . . . . . . . . Arranjo da simulação numérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Análise da malha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Validação do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Descrição do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propriedade dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Condições ambientais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sensibilidade do sistema às condições climáticas . . . . . . . Sensibilidade do sistema ao nível de carregamento . . . . . . Sensibilidade do sistema à temperatura de armazenamento .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 67 67 69 70 71 71 72 74 75 78 79. 7 7.1 7.2 7.3 7.4. RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . Validação do modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sensibilidade do sistema às condições climáticas . . . . . . . Sensibilidade do sistema ao nível de carregamento . . . . . . Sensibilidade do sistema à temperatura de armazenamento .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 81 81 84 86 89. 8. CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93. REFERÊNCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97. APÊNDICE A – SOLUÇÃO DO SISTEMA LINEAR DAS RADIOSIDADES DAS SUPERFÍCIES . . . . . . . . . . . 101. xxvi.

(29) 1. 1 Introdução O crescimento da população mundial consumidora aumentará a demanda energética. O consumo de energia aumenta mais rápido que o crescimento populacional, e estima-se que esse consumo dobre nos próximos 15-20 anos. Cerca de 80% da energia mundial consumida provém da queima de combustíveis fósseis (PAVLOVIC et al., 2012). As mudanças climáticas são evidentes, os principais causadores são os Gases do Efeito Estufa (GEE), sendo o dióxido de carbono (CO2 ) o mais abundante. No mínimo 90% das emissões de CO2 na atmosfera são emanadas pelos setores energéticos e de transportes, a partir da queima de combustíveis fósseis. Estudos recentes projetam que até 2035 as indústrias de economia de base serão responsáveis por 80% das emissões de CO2 . Baseado nesses dados pode-se afirmar que as mudanças climáticas tendem a aumentar se nenhuma medida for tomada (BEHAR et al., 2013). O grande desafio deste século é atender à grande demanda de energia por meios cada vez menos nocivos ao meio ambiente, e as fontes de energias renováveis se apresentam como principais soluções para este problema. Em diversos lugares do globo as matrizes limpas de energia estão à disposição e sem custo, como a energia solar, eólica, das marés, e outros tipos (PAVLOVIC et al., 2012). A energia solar térmica tem como principal diferêncial, a capacidade de armazenar energia em sua forma térmica. Portanto, a energia solar concentrada tem, provavelmente, o maior potencial dentre as fontes de energias renováveis. Nos dias atuais esta tecnologia está em ascensão, e o seu desenvolvimento técnico e comercial tem sido promissor (MILLS, 2004). A energia elétrica gerada a partir da energia solar não foi alcançada até meados da década de 80, entretanto a tecnologia base para conversão da energia solar em mecânica tem sido desenvolvida há pelo menos 140 anos, como Mouchot e Pifre em 1882 que construiram o primeiro motor solar equipado com um coletor parabólico, uma caldeira cilíndrica em vidro e uma máquina a vapor. Nos anos 80, devido à crise do petróleo e aos altos preços dos barris, as primeiras centrais heliotérmicas de larga escala foram instaladas, dando o primeiro passo para a exploração comercial desta matriz energética (MILLS, 2004). Nos anos seguintes o preço do petróleo voltou a cair e o interesse por fontes de energias renováveis diminuiu. A tecnologia de concentração de energia solar (CSP, do inglês Concentrating Solar Power) por calhas concentradoras continuou em desenvolvimento, sendo que, ainda na década de 80 foram construídas 8,9 km2 para as plantas SEGSs III-IX, totalizando 310 MWe. Buscando acompanhar o desenvolvimento da tecnologia de calhas concentradoras, projetos de plantas por torre central como a Solar One obtiveram sucesso em sua fase de testes, totalizando 10 MWe gerados, porém devido ao alto custo não foram.

(30) 2. Capítulo 1. Introdução. implementadas comercialmente (WAGNER, 2008). Centrais heliotérmicas por CSP estão atraindo cada vez mais interesse, principalmente na tecnologia de calhas concentradoras. Entretanto, as centrais heliotérmicas por torre central, devido à sua capacidade de alcançar altas eficiências, baixo custo operacional e o seu potencial de aprimoramento, vêm progressivamente ocupando o seu espaço (ZHANG et al., 2013). Sistemas com receptor central (ex.: torre central) possuem, em longo prazo, um menor custo em relação às outras plantas solares, pois podem alcançar temperaturas mais elevadas, utilizando os ciclos termodinâmicos de forma mais eficiente. Em uma planta por torre central, os raios solares são concentrados em um receptor central por meio de um campo de helióstatos. Em sistemas convencionais a energia incidente é transferida do receptor para um fluido de trabalho. Este fluido pode ser água, para geração direta de vapor, ou um fluido para transferência de calor (ex.: óleos, sais fundidos, fluidos térmicos etc.), que por sua vez seguem para um gerador de vapor. Por fim o vapor produzido é utilizado para gerar trabalho através do ciclo de Rankine (BEOREMA et al., 2012). Essas centrais podem ser híbridas, tendo como fonte secundária de fornecimento de calor os combustíveis fósseis, mantendo a geração de potência em períodos de nebulosidade e após o pôr do sol, quando a irradiação solar é insuficiente. O fluido de trabalho também pode armazenar a energia excedente coletada durante o dia, sendo utilizada em condições desfavoráveis (WENDEL, 2010). Aliando um Sistema de Armazenamento Térmico (TES, do inglês Thermal Energy Storage) e tendo uma fonte fóssil como suporte, a geração de energia por CSP fornece potência de forma consistente e confiável em comparação a outras fontes renováveis como a fotovoltaica (PV, do inglês photovoltaic) e eólica, essas somente fornecem energia de forma flutuante (SATTLER et al., 2015). Em termos gerais, a energia solar concentrada é uma das grandes alternativas para a diminuição dos efeitos danosos ao meio ambiente, além de possuir fonte inesgotável, o sol.. 1.1 Radiação solar e seu potencial O sol é uma esfera de massa gasosa de aproximadamente 1, 39 × 109 m de diâmetro, que devido à orbita excêntrica da Terra, está localizado a aproximadamente 1, 5 × 1011 m de distância. O sol pode ser considerado um corpo negro de temperatura 5777 K 1 , porém a temperatura no seu interior alcança os 40 × 106 K e sua massa específica é estimada em 100 vezes a da água. Este corpo celeste é um reator de fusão constante o qual se mantém unido pelas forças gravitacionais. Cerca de 40% da sua massa é localizada em seu núcleo, que corresponde a 15% do volume, este sendo responsável por gerar 90% de sua energia (DUFFIE; BECKMAN, 2013). 1. A radiação emitida pelo sol é a mesma que a emitida por um corpo negro a 5777 K..

(31) 1.1. Radiação solar e seu potencial. 3. Segundo Duffie e Beckman (2013), algumas definições precisam ser estabelecidas para a compreensão do texto: Radiação Direta é a parte da radiação solar que não sofre espalhamento pela atmosfera, ou seja, é a radiação que não sofre interferência no caminho da fonte até o anteparo. Radiação Difusa é a parte da radiação solar cuja a direção foi alterada devido ao espalhamento sofrido pela atmosfera. Radiação Solar Global é a soma da radiação direta e difusa, sendo, por algumas vezes, utilizado para indicar quantidades integradas para todo o espectro solar. Irradiância [W/m2 ] é a taxa de radiação incidente por unidade de área de uma superfície. Pode ser separada em direta, difusa e pelo espectro. Irradiação [Wh/m2 ] é a energia incidente total por unidade de área. Radiosidade [W/m2 ] é a taxa com a qual a radiação deixa a superfície por unidade de área por meio da emissividade, refletividade e transmissividade. Poder Emissivo [W/m2 ] é a taxa com a qual a radiação deixa a superfície por unidade de área somente por meio da emissividade. A energia irradiada pelo sol atinge a superfície terrestre diretamente e indiretamente. Em dias de céu claro cerca de 80% a 90% da radiação solar atinge a superfície da terra sem sofrer quaisquer alterações, entretanto é quase zero essa proporção em dias nublados. É esta a forma de radiação (radiação direta) que as plantas por CSP utilizam para gerar energia, sendo denominada de irradiação normal direta (DNI, do inglês Direct Normal Irradiation) (IEA, 2010). A quantidade de energia solar incidente no planeta é de longe a fonte de energia de maior proporção (Fig. 1.1). A região nordeste é a que apresenta níveis mais elevados de incidência da radiação solar global, tendo a maior média e a menor variância entre as regiões geográficas brasileiras. Essas condições permanecem favoráveis durante todo o ano, atingindo médias superiores às da Europa (MME, 2014). A DNI é um dos principais fatores que determinam a produção de energia através de CSP, pois esta estima o potencial gerador da planta. Na prática, para uma geração de potência confiável é necessário que a variância desta energia seja pequena durante o dia, situação essa, encontrada em regiões semiáridas. Valores de DNI no intervalo de 1900 a 2100 kWh/m2 /ano apresentam condições favoráveis à produção de energia elétrica utilizando CSP, para valores abaixo desse limite a aplicação de outras formas de aproveitamento da energia solar, que captam tanto a irradiação direta e difusa como a PV, se mostram mais competitivas (IEA, 2010)..

(32) 4. Capítulo 1. Introdução Figura 1.1 – Proporção entre recursos energéticos. Demanda Energética Mundial. Petróleo Gás Natural Carvão Mineral Eólica. Urânio. Hidráulica Energia Solar Anual Fotossíntese Fonte: Adaptado de MME (2014).. O semiárido brasileiro apresenta condições favoráveis para o aproveitamento da energia solar por CSP. A Fig. 1.2 mostra a distribuição mundial de DNI, no qual pode-se perceber que a região nordeste possui incidências de DNI semelhantes a região da Espanha, país pioneiro na produção de energia por CSP, apresentando medições na faixa de 1900 a 2400 kWh/m2 /ano, resultados esses que de acordo com a IEA (2010) permitem a geração de energia por CSP.. Figura 1.2 – Mapa mundial da distribuição de DNI.. c 2015 GeoModel Solar (SOLARGIS, 2015). Fonte: SolarGIS . A Fig. 1.3 apresenta a distribuição de DNI no território nacional. As regiões no entorno do rio são Francisco são as que mais recebem radiação direta do sol, sendo estes locais os mais favoráveis para geração de energia por CSP, além do alto volume de água da região..

(33) 1.2. Políticas brasileiras em energia solar. 5. Figura 1.3 – Mapa brasileiro da distribuição de DNI.. c 2015 GeoModel Solar (SOLARGIS, 2015). Fonte: SolarGIS . 1.2 Políticas brasileiras em energia solar Em função da sua localização geográfica, o Brasil possui grande potencial em matrizes energéticas renováveis como a eólica, solar, de biomassa e oceânica, além das fotnes hídricas. A abundância desses recursos coloca o país em posição privilegiada, sendo um diferencial em relação a outros países. No ano de 2007, o Plano Nacional de Energia 2030 (PNE)2 apontava a energia heliotérmica com baixa competitividade no mercado, entretanto a redução do custo dessas usinas se mostrava promissor, havendo a possibilidade de entrar em escala comercial no horizonte do PNE 2030 (MME, 2007). Em setembro de 2015, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) através da superintendência de pesquisa e desenvolvimento (SPE) abriu a Chamada No 19/2015, o Projeto estratégico: "Desenvolvimento de Tecnologia Nacional de Geração Heliotérmica de Energia Elétrica" como principal objetivo "a proposição de arranjos técnicos e comerciais para projeto de geração de energia elétrica através de tecnologia heliotérmica, de forma integrada e sustentável, buscando criar condições para o desenvolvimento de base tecnológica e infraestrutura técnica e tecnológica para inserção da geração heliotérmica na matriz energética nacional." (ANEEL, 2015). 2. O PNE têm como objetivos "prover a retomada do Planejamento Setorial, e dar a sociedade brasileira uma visão integrada de longo prazo do Setor Energético, propondo estratégias de expansão da oferta de energia, que levem em conta a eficiência energética e a inovação tecnológica, tanto na produção como no consumo de energia, dentro da ótica de desenvolvimento sustentável do País, com ênfase no tratamento das questões socioambientais." (MME, 2007)..

(34) 6. Capítulo 1. Introdução. O CEPEL (Centro de Pesquisa em Energia Elétrica), em conjunto com a Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), a Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação do estado de Pernambuco (Secti) e a Companhia Hidro Elétricas do São Francisco (Chesf), deram o primeiro passo para a implantação da primeira usina heilotérmica no Brasil. A planta CSP por calhas concentradoras que será instalada na região de Petrolina - PE terá potência de 1 MW e será capaz de abastecer até 570 residências. Inicialmente a usina não prevê armazenamento térmico, porém em fases posteriores, tal sistema poderá ser acoplado (CEPEL, 2016). O investimento em CSP no Brasil é de fundamental importância em regiões sem reservatórios de água capazes de gerar energia hidro elétrica, além de reduzir massiçamente a emissão de CO2 . Para tanto é necessário desenvolver TES para aumentar a despachabilidade dessas usinas. A geração de emprego, tanto de forma direta como indireta, trariam benefícios socioeconômicos para a região, bem como o desenvolvimento tecnológico, tornando o país cada vez mais competitivo no setor (SCHLIPF et al., 2014).. 1.3 Armazenamento de energia térmica O armazenamento de energia, como sugerido pelo próprio nome, é o acúmulo de energia que pode vir a ser utilizada posteriormente. Existem diversas formas de armazenar energia, como: energia cinética, energia potencial, energia química, energia elétrica, energia térmica, etc. Cada forma de armazenamento possui seus equipamentos e peculiaridades particulares. A conversão direta da irradiação solar em energia térmica por meio da concentração dos raios solares e a consequente elevação de temperatura do fluido de transferência de calor (HTF, do inglês Heat Transfer Fluid) faz com que o armazenamento de energia térmica se torne mais atrativo para aplicações em CSP (ZHANG et al., 2016). Por estocar o produto secundário da usina solar (energia térmica) o armazenamento térmico é uma alternativa mais barata se comparado ao armazenamento de energia aplicado às usinas PV e eólica, as quais armazenam o produto final (energia elétrica). O armazenamento térmico é o grande diferencial das usinas heliotérmicas, esse sistema permite que este tipo de geração de energia se torne atrativo em relação às outras fontes renováveis, pois aumenta o fator de capacidade3 dessas usinas. Sem esse sistema, a produção de energia por CSP possui poucas vantagens em relação às PV, que são mais simples e fáceis de serem expandidas para uma maior geração de energia (SATTLER et al., 2015). O sistema TES possui grandes vantagens se comparada a armazenamentos mecânicos e químicos, geralmente possuem um custo de investimento inferior e uma alta eficiência operacional (KURAVI et al., 2013). A Fig. 1.4 mostra o esquema de uma central heliotérmica híbrida com sistema TES acoplado. 3. Proporção entre a produção efetiva e a capacidade de produção em um mesmo intervalo de tempo..

(35) 1.3. Armazenamento de energia térmica. 7. Figura 1.4 – Esquema de uma central heliotérmica hibrida com TES implantado.. Fonte: Adaptado de Sattler et al. (2015).. A competitividade e a confiabilidade de uma matriz energética são uns dos principais fatores para a implementação das mesmas. Os sistemas TES têm papel fundamental nestes quesitos, podendo ser integrados a plantas solares funcionando como fonte alternativa para troca de calor em períodos de nebulosidade, ajudando a mitigar pequenas flutuações de radiação. Esses sistemas armazenam a energia durante o período fora do pico da demanda elétrica (manhã) e descarregam durante o período de pico (noite), além de aumentar o fator de capacidade anual das usinas, que dependendo do seu tamanho podem chegar a fornecer 24 h/dia de energia proveniente do sol (KURAVI et al., 2013). A Tabela 1.1 ilustra as principais usinas solares em operação que utilizam sistemas TES. Tabela 1.1 – Usinas heliotérmicas em operação com TES implantado. Plantas Solares. Tipo. Temperatura nominal [◦ C]. Tipo de Armazenamento. Potência da Usina [MW]. Capacidade de Armazenamento. Andasol-1 Archimede Arcosol 50 Arenales ASE Demo Plant Astexol II Bokpoort Casablanca Crescent Dunes Dahan Power Plant Extresol-1. Sal Sal Sal Sal Sal. fundido fundido fundido fundido fundido. Frio 293 290 293 293 290. Quente 393 550 393 393 550. 2-Tanques 2-Tanques 2-Tanques 2-Tanques 2-Tanques. indireta direta indireta indireta direta. 50 5 49,9 50 0,350. 7,5 hora(s) 8 hora(s) 7,5 hora(s) 7 hora(s). Sal Sal Sal Sal. fundido fundido fundido fundido. 293 293 293 287. 393 393 393 565. 2-Tanques 2-Tanques 2-Tanques 2-Tanques. indireta indireta indireta indireta. 50 55 50 110. 8 hora(s) 9,3 hora(s) 7 hora(s) 10 hora(s). 1. 1 hora(s). 50. 7,5 hora(s). Vapor Satu- 104 400 Outro rado/óleo Sal fundido 293 393 2-Tanques indireta Fonte: Adaptado de Kuravi et al. (2013).. Os sistemas TES por calor sensível de dois tanques utilizam em sua maioria sais de.

(36) 8. Capítulo 1. Introdução. Continuação Tab. 1.1 Plantas Solares. Gemasolar Jülich Solar Tower KaXu Solar One Khi Solar One La Africana La Dehesa La Florida Lake Cargelligo Manchasol-1 Nevada Solar One NOOR I Planta Solar 10 Puerto Errado 1 Solana Termosol 50 Termosol 1. Tipo. Temperatura nominal [◦ C] Frio 290. Sal fundido Cerâmica. Tipo de Armazenamento. Quente 565 2-Tanques direta 680 Outro. Potência da Usina [MW]. Capacidade de Armazenamento. 19,9 1,5. 15 hora(s) 1,5 hora(s). Sal fundido. 2-Tanques indireta. 100. 2,5 hora(s). Vapor Saturado Sal fundido Sal fundido Sal fundido Grafite. Outro. 50. 2 hora(s). 293 298 298 200. 393 393 393 500. 2-Tanques indireta 2-Tanques indireta 2-Tanques indireta Outro. 50 49,9 49,9 3. 7,5 hora(s) 7,5 hora(s) 7,5 hora(s). Sal fundido. 293 318. 393 393. 2-Tanques indireta. 49,9. 7,5 hora(s) 0,5 hora(s). Sal fundido. 293 250. 393 300. 2-Tanques indireta Outro. 160 11. 3 hora(s) 1 hora(s). Ruths tank. 140. 270. Sal fundido Sal fundido Sal fundido. 293 393 298 393 293 393 Fonte: Adaptado. Tanque estratificado 2-Tanques indireta 2-Tanques indireta 2-Tanques indireta de Kuravi et al. (2013).. 1,4 250 49,9 50. 6 hora(s) 7,5 hora(s) 9 hora(s). nitrato como material de armazenamento, esta tecnologia é bastante utilizada em plantas solares com tecnologia de calhas parabólicas, sendo a tecnologia mais difundida dentre os sistemas TES. As plantas solares Andasol I, II e III são exemplos de usinas que utilizam esta tecnologia (SATTLER et al., 2015).. 1.4 Estrutura do trabalho No capítulo 2, uma revisão bibliográfica acerca de sistemas TES é abordada identificando os meios de classificação desses sistemas, o desenvolvimento da tecnologia ao longo dos anos e as principais considerações a respeito da modelagem dos tanques. Esses trabalhos serviram de alicerce cujos pilares desta dissertação foram erguidos. No capítulo 3, uma breve apresentação dos conceitos de armazenamento térmico por calor sensível é explanada, focando na principal propriedade que rege este fenômeno, o calor sensível. Os princípios físicos e conceitos matemáticos básicos que comandam este comportamento também foram dissertados ao longo do capítulo, passando pela primeira lei da termodinâmica até os mecanismos com os quais o calor cruza a fronteira de um sistema..

(37) 1.5. Objetivos do estudo. 9. No capítulo 4, a modelagem do sistema é apresentada com foco nas principais peculiaridades atribuídas ao armazenamento. As principais considerações acerca da modelagem são explicitadas, desde os mecanismos de transferência de calor ao balanço de energia para cada um dos sistemas de controle. No capítulo 5, os métodos matemáticos são expostos quanto à sua aplicação (discretização e solução dos sistemas lineares) e formulação matemática. Estes métodos foram aplicados para solução das equações do balanço de energia exibidas no capítulo 4. No capítulo 6, o procedimento metodológico da análise é abordado, iniciando pela definição dos parâmetros técnicos das plantas solares e das propriedades térmicas dos materiais que compõem os tanques. Um modelo de validação para testar a confiabilidade dos resultados alcançados por este trabalho é apresentado. Por fim, como primeiro caso de estudo, as condições para verificar as perdas de calor em função dos dados climáticos são apresentadas. No capítulo 7, os resultados da validação do modelo proposto e da influência das condições climáticas nas perdas de calor dos componentes do sistema TES são apresentados e discutidos. Os principais parâmetros analisados são a taxa de calor perdido e a taxa de resfriamento dos tanques. Os principais mecanismos de perda de calor do sistema também são evidenciados na análise. No capítulo 8, são discutidas as conclusões acerca do potencial solar da região nordeste, dos sistemas de armazenamento térmico aplicados em CSP e dos resultados obtidos pelas simulações.. 1.5 Objetivos do estudo 1.5.1 Objetivo principal Este trabalho propõe um estudo transiente de um sistema TES de dois tanques (direto/indireto-ativo) para ser aplicado em CSP na região do semiárido nordestino.. 1.5.2 Objetivos específicos Aliado ao objetivo principal, é necessário alcançar os pontos abaixo indicados para quantificar a perda de calor em diferentes condições climáticas do sistema TES.. • Levantamento do potencial solar da região Nordeste para geração de energia com sistemas por CSP; • Estudar os sistemas de armazenamento térmico para CSP;.

(38) 10. Capítulo 1. Introdução. • Modelar matematicamente o sistema TES em regime transiente baseado em dados de irradiação solar existentes; • Validação do modelo proposto através de valores experimentais existentes na literatura; • Análise da sensibilidade do sistema de armazenamento térmico às condições climáticas (irradiação solar, temperatura ambiente e velocidade do vento); • Análise da sensibilidade do sistema de armazenamento térmico ao nível de carregamento dos tanques; • Análise da sensibilidade do sistema de armazenamento térmico às temperaturas de operação dos tanques..

(39) 11. 2 Revisão Bibliográfica Este capítulo retrata a tecnologia de armazenamento térmico abordando as suas classificações, o desenvolvimento relacionado a ela e os aspectos relativos à modelagem, elencando as considerações e condições de contorno aplicadas ao sistema. O capítulo é estruturado por tema abordado em ordem cronológica de produção bibliográfica.. 2.1 Tecnologia de armazenamento térmico Os sistemas de armazenamento térmico podem ser classificados quanto ao meio de armazenamento e quanto ao tipo de armazenamento (Fig. 2.1). A classificação quanto ao meio de armazenamento caracteriza o modo com o qual a energia será armazenada, podendo ser acondicionada na forma de calor sensível, calor latente e reações termoquímicas reversíveis. A classificação em relação ao tipo de armazenamento caracteriza o conceito com o qual a energia será transferida para o sistema de armazenamento, sendo categorizada como ativo ou passivo e também como direta ou indireta (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015; MENDES et al., 2010). Figura 2.1 – Classificações de sistemas de armazenamento térmico.. Fonte: Elaborado pelo Autor.. O armazenamento por calor sensível estoca energia por meio da elevação da temperatura sem que ocorra a mudança de fase do material durante este processo. A capacidade de armazenamento de sistemas que utilizam o calor sensível como modo de armazenamento dependem diretamente da capacidade calorífica, ρ cp , que determina a densidade energética do material, e da difusividade térmica, α, que determina a capacidade do material de liberar ou absorver calor (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015; MENDES et al., 2010). A Tab. 2.1 mostra alguns dos materiais de armazenamento1 comumente utilizados. São exemplos deste tipo de armazenamento os sistemas de dois-tanques, tanque estratificado, acumulador de vapor, packed bed, entre outros (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015). 1. Material que armazena a energia do sistema TES..

(40) 12. Capítulo 2. Revisão Bibliográfica Tabela 2.1 – Materiais para calor sensível.. Tf rio [◦ C]. Tquente Material [◦ C]. Condutividade Massa térmica específica [W/m K] [kg/m3 ]. 200 200 200 200 200 200. 300 400 400 500 700 700. 1,0 1,5 37,0 7,0 40,0 1,5. 200. 1200. 5,0. 250 250 270 300 180 15. 350 450 530 400 1300 400. Áreia-Rocha-Óleo Concreto reforçado Ferro fundido NaCl Aço fundido Tijolo refratário (Sílica) Tijolo refratário (Magnésia) Óleo sintético Sais de nitrato Sódio líquido Óleo de silicone Sal líquido de Lítio Dowtherm A. 0. 345. Terminol. Capacidade térmica volumétrica [kWh/m3 ]. Estado Físico. 1700 2200 7200 2160 7800 1820. Calor específico a pressão constante médio [kJ/kg K] 1,3 0,85 0,56 0,85 0,6 1,0. 60 100 160 150 450 150. Sólido Sólido Sólido Sólido Sólido Sólido. 3000. 1,15. 600. Sólido. 0,11 900 2,3 0,57 1825 1,5 71,0 853 1,3 0,1 900 2,1 38,1 510 4,19 2,2 0,1171 a 867 155◦ C 66,0 750 2,1 Fonte: Adaptado de Kuravi et al. (2013).. 57 152 80 52. Líquido Líquido Líquido Líquido Líquido Líquido Líquido. O armazenamento por calor latente estoca a energia absorvida necessária para promover a mudança de fase de um material. Este fenômeno pode ocorrer para transformações de sólido-sólido, sólido-líquido e líquido-vapor, sendo o primeiro caracterizado pela mudança na estrutura cristalina do material de acordo com a variação da entalpia. A transformação sólido-líquido possui uma expansão volumétrica menor que a líquido-vapor e maior calor latente que a sólido-sólido, portanto é a mais utilizada na prática (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015; MENDES et al., 2010). Os materiais utilizados neste modo de armazenamento são conhecidos como Materiais de Mudança de Fase (PCM, do inglês Phase Change Material) e sofrem o processo de fundição quando o sistema é carregado, e solidificação quando descarregado. Sistemas que utilizam esta forma de armazenamento não dependem somente do calor específico do material, mas também das entalpias de mudança de fase, sendo possível alcançar formas mais eficiêntes e de baixo custo para armazenar energia térmica (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015; MENDES et al., 2010). A Tab. 2.2 relaciona alguns PCM e suas propriedades para aplicação em sistemas de armazenamento por calor latente. O armazenamento de energia térmica por reações termoquímicas é o menos utilizado e pesquisado, entretanto tem potencial para armazenar mais energia que o por calor sensível e o latente. Este método consiste em utilizar o calor concentrado pelo campo solar para promover as reações termoquímicas reversíveis, portanto o material deve ser capaz de se dissociar completamente pela faixa de temperatura do campo solar. Para este caso é.

(41) 2.1. Tecnologia de armazenamento térmico. 13. necessário que a reação seja endotérmica quando o sistema é carregado e exotérmica quando o sistema é descarregado (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015). A Tab. 2.3 mostra alguns materiais utilizados para armazenamento térmico por reações termoquímicas. Tabela 2.2 – Materiais de mudança de fase para TES. Tmelt [◦ C]. Material. Calor Latente de Fusão [J/g]. 307 318. NaNO3 77,2 mol% NaOH-16,2% NaCl-6,6% Na2 CO3 54,2 mol% LiCl-6,4% BaCl2 -39,4% KCl KNO3 52 wt% Zn-48% Mg 58 mol% LiCl-42% KCl KOH 45,4 mol% MgCl2 -21,6% KCl-33% NaCl 96 wt% Zn-4% Al 37 wt% Na2 CO3 -35% K2 CO3 -Li2 CO3 59 wt% Al-35% Mg-6% Zn 48 wt% NaCl-52% MgCl2 36 wt% KCl-64% MgCl2 56 wt% Na2 CO3 -44% Li2 CO3 33 wt% NaCl-67% CaCl2 LiBr 46 wt% LiF-44% NaF2 -10% MgF2 Al MgCl2 Fonte: Adaptado de Kuravi et. 177 290. 320 335 340 348 380 380 381 397 443 450 470 487 500 550 632 660 714. 170 88 180 170 149,7 284 138 275 310 430 388 368 281 203 858 398 452 al. (2013).. Condutividade Térmica [W/m K] 0,5. 0,5. 0,5. 2,04 0,96 0,83 2,11 1,02 1,20 250. Tabela 2.3 – Materiais para sistemas de armazenamento térmico por reações termoquímicas. Composto Manganese oxide Calcium hydroxide Calcium carbonate Magnesium hydride Ammonia Methane/Water Magnesium oxide Iron carbonate Metal hydride Methanolationedemethanolation. Temperatura [◦ C] 530* 505* 896* 250-500 400-500 500-1000 250-400 180 200-300 200-250. Reação. ∆H [kJ/mol]. MnO2 +∆H ↔ 0,5Mn2 O3 +0,25O2 Ca(OH)2 +∆H ↔ CaO+H2 O CaCO3 +∆H ↔CaO+CO2 MgH2 +∆H ↔ Mg+H2 NH3 +∆H ↔ 1/2N2 +3/2H2 CH4 +H2 O ↔ CO+3H2 MgO+H2 O ↔ Mg(OH)2 FeCO3 ↔ FeO+CO2 Metal xH2 ↔ Metal yH2 +(x-y)H2 CH3 OH ↔ CO+2H+2. 42 112 167 75 67 n.a. 81 2,6 4 n.a.. ∆H [GJ/m3 ]. 4,4. 3,3. *(reagente a 1 bar) Fonte: Adaptado de Kuravi et al. (2013).. Um sistema TES por reações termoquímicas possui alta densidade de armazenamento, que após a separação dos produtos pode ser mantida praticamente sem perdas ao longo do tempo. Entretanto, o alto custo do material de armazenamento e a sua complexidade em relação aos meios de armazenamento térmico por calor sensível e latente, tornam.

(42) 14. Capítulo 2. Revisão Bibliográfica. este tipo de armazenamento ainda pouco estudado (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015). Os sistemas são ditos ativos quando o material de armazenamento escoa de uma região de alta temperatura para uma outra de baixa temperatura e são ditos passivos quando o Fluido de Transferência de Calor (HTF, do inglês Heat Tranfer Fluid)2 escoa por dentro do material de armazenamento. Sistemas ativo-direto utilizam o mesmo material tanto para HTF como para o armazenamento, caso contrário o sistema é ativo-indireto (KURAVI et al., 2013; SATTLER et al., 2015). No mundo, entre as plantas solares, o sistema TES mais utilizado é o por calor sensível de dois tanques ativo-direto ou indireto, pouco mais de 70% das centrais heliotérmicas em operação que possuem a tecnologia TES incorporada utilizam esse sistema (Fig. 2.2) (NREL, 2016). Os sistemas TES por calor sensível de dois tanques utilizam em sua maioria sais de nitrato como material de armazenamento. Esta tecnologia é bastante utilizada em plantas solares com tecnologia de calhas parabólicas, sendo a tecnologia mais difundida dentre os sistemas TES (SATTLER et al., 2015). Figura 2.2 – Proporção de sistemas TES utilizados em centrais heliotérmicas.. 2-Tanques indireto. 12.12% 1.52% 3.03%. 2-Tanques direto. 3.03%. Estratificado. 1.52% Leito de rocha 6.06% Vapor/Óleo saturado Acumulação de vapor 18.18%. Dissipador cerâmico 54.55%. Outros. Fonte: Realizado pelo autor, dados retirados de NREL (2016).. Apesar deste sistema ser o mais utilizado pelas plantas solares, o investimento neste projeto é o dobro se comparado a sistemas que utilizam apenas um tanque, em consequência do custo de um tanque extra e a necessidade de uma bomba para cada. Outra desvantagem apresentada por este sistema é a utilização de sais de nitrato como 2. Fluido que transporta a energia absorvida no receptor solar..

(43) 2.2. Desenvolvimento da tecnologia de armazenamento térmico. 15. fluido de armazenamento, pois estes possuem uma alta temperatura de solidificação (120 ◦ C a 220 ◦ C) e por se tratar de uma commódite o seu preço flutua bastante (SATTLER et al., 2015).. 2.2 Desenvolvimento da tecnologia de armazenamento térmico A eficiência de um sistema TES tem papel primordial para a determinação da despachabilidade de uma planta solar, portanto dimensioná-lo de forma correta é essencial. Tiang e Zhao (2013) em seu artigo de revisão aborda os principais critérios de projeto para um sistema térmico, desde suas propriedades técnicas, passando pelo custo e culminando nos impactos ambientais. Dentro desses critérios também são discutidas a seleção de materiais para armazenamento, bem como as tendências tecnológicas neste ramo. A Tab. 2.4 elenca os principais critérios de projeto apresentados por Tiang e Zhao (2013) de um sistema TES para aplicações em usinas CSP. Tabela 2.4 – Critérios de projeto para TES aplicados a CSP. Critérios Técnico. Fatores de influência 1. Alta capacidade de armazenamento térmico 2. Troca de calor eficiente entre HTF e o material de armazenamento 3. Estabilidade mecânica e química do material de armazenamento 4. Compatibilidade entre HTF, trocador de calor e material de armazenamento 5. Reversibilidade completa para um grande número de ciclos de carregamento e descarregamento 6. Baixas perdas de calor e fácil controle. Custos. 1. Custo do material de armazenamento 2. Custo do trocador de calor 3. Custo do espaço para alocação do TES. Ambientais. 1. 2. 3. 4.. Estratégia operacional Carregamento máximo Temperatura nominal e queda de entalpia específica no carregamento Integração à usina Fonte: Adaptado de Tiang e Zhao (2013).. Em trabalho semelhante ao realizado por Tiang e Zhao (2013), Kuravi et al. (2013) discursaram sobre as metodologias de projeto de sistemas TES e elencaram os principais fatores a serem considerados em diferentes níveis hierárquicos para aplicações em plantas CSP. Neste trabalho foram abordados os principais critérios para integração dos sistemas TES com as plantas CSP, bem como a seleção do tipo de sistema a ser implantado, levando em consideração a compatibilidade, estabilidade térmica, custos e outros parâmetros fundamentais para a seleção dos componentes do sistema. Além disso, foram apresentados modelos matemáticos teóricos para descrever o comportamento de vários sistemas, como o 2-tanques ativo, acumulador de vapor, entre outros..

(44) 16. Capítulo 2. Revisão Bibliográfica. Herrmann et al. (2004) em seu artigo evidenciaram que as primeiras usinas solares por CSP (SEGS I e Solar Two) possuíam sistemas TES ativo-direto, o que agregava um alto custo ao sistema de armazenamento devido ao preço elevado do HTF. Buscando diminuir o custo de armazenamento, eles realizaram um estudo para avaliar um conceito que utilizasse um fluido mais barato como material de armazenamento, tal como os sais fundidos, no lugar do HTF. Neste estudo foram realizadas análises de desempenho e custo para verificar a viabilidade econômica deste novo conceito. Essas análises foram baseadas nas experiências operacionais das plantas solares. Os autores concluíram que o custo específico para um sistema TES por 2-tanques utilizando sal fundido varia no intervalo de US$30-40/kWhth dependendo da capacidade de armazenamento. Schulte-Fischedick et al. (2008) realizaram uma análise de CFD visando investigar as perdas de calor, velocidades e distribuição de temperatura para um sistema TES de 2-tanques utilizando sal fundido como meio de armazenamento. O estudo elaborado pelos autores acusaram um grande fluxo de perda de calor nas bordas mais inferiores dos tanques, sendo o local com maior gradiente de temperatura. O caso mais extremo foi encontrado para o tanque frio, cujo sal solar pode solidificar em 3,25 dias caso seja mantido no nível mais baixo neste período. Em relação a isto os autores concluem que o projeto desta região tem um impacto considerável tanto na perda de calor quanto na solidificação do material de armazenamento. Relloso et al. (2009) evidenciaram em seu experimento com a planta comercial de calhas parabólicas Andasol I, que a temperatura do tanque diminui em 1 ◦ C ao longo de um dia de armazenamento em seu nível máximo, e decresce de 5 a 6 ◦ C no nível mais baixo, independente de qual seja o tanque, quente ou frio. Eles perceberam também, que as perdas térmicas dependem da temperatura do material de armazenamento, e principalmente do nível de sal nos tanques. Rovira et al. (2011) simularam duas configurações de plantas heliotérmicas, uma com sistema de armazenamento térmico duplo e outra com campo solar subdividido em setores especializados. De acordo com os autores, um dos sistemas TES teria uma temperatura maior que a nominal e o outro seria um sistema TES clássico. O intuito deste conceito é estender o tempo de produção de energia na potência nominal, aumentando a despachabilidade destas usinas. A subdivisão do campo de helióstatos reduz as perdas do campo solar, aumentando a eficiência da usina. Essas simulações foram comparadas a valores de referência de plantas solares térmicas e obtiveram um aumento na geração de 1,7% para o sistema TES duplo e 3,9% para a subdivisão do campo solar. Oró et al. (2012) realizaram um estudo comparativo dos ciclos de vida dos principais sistemas TES, dois tanques por calor sensível, utilizando concreto de alta temperatura e sais fundidos como meio de armazenamento e um por calor latente, utilizando PCM. O intuito do trabalho foi analisar o impacto ambiental produzido durante as fases de.

(45) 2.3. Modelagem do sistema de armazenamento térmico. 17. construção e operação desses sistemas em relação à produção de energia. Os autores dizem que diversos cenários hipotéticos foram analisados para apontar as diferenças entre os sistemas, e que o sistema que utiliza concreto apresentou o menor impacto ambiental por kWh. O sistema que utiliza o sal fundido, por necessitar de mais material e equipamentos complexos apresentou o maior impacto ambiental por kWh. Manenti e Ravaghi-Ardebili (2013) focaram na simulação dinâmica e controle de plantas CSP no intuito de simplificar o modelo e evidenciar os principais problemas dos sistemas de geração de energia e dos sistemas de armazenamento. Para isso foram detalhados modelos matemáticos integrados a modelos comerciais para realizar a simulação, garantindo resultados de alta confiabilidade e acuracidade. Segundo os autores a aplicação dessas ferramentas auxilia na identificação de pontos críticos da dinâmica de usinas CSP, como foi verificado, por exemplo, a necessidade de otimização nos processos de inicialização e desligamento da usina para aumentar a eficiência do sistema. Cocco e Serra (2015) compararam dois sistemas TES para uma planta solar de tecnologia linear Fresnel com ciclo Rankine orgânico. Os sistemas TES analisados foram o de 2-tanques direto e de tanque único estratificado. O estudo foi conduzido comparando diferentes valores de solar multiple e capacidade de armazenamento. Os autores concluíram que a tecnologia de TES por 2-tanques direto possui um desempenho sensivelmente superior ao tanque estratificado em relação à eficiência de conversão de energia. Contudo, sistemas de tanque estratificado se mostraram como alternativa para diminuição dos custos de produção para usinas CSP. Prieto et al. (2016) em publicação recente, realizaram experimentos em uma planta piloto de um sistema TES de dois-tanques construída em 2008 na universidade de Lleida na Espanha, onde foram verificadas a distribuição de temperatura do sal fundido. Os resultados do experimento mostraram temperaturas inferiores nas partes mais próximas às paredes, ao fundo e ao teto do tanque, entretanto não foi encontrada estratificação térmica em seu interior. Também foram percebidos os principais parâmetros que governam a distribuição de temperatura desses sistemas, sendo eles o isolamento, a existência de resistências elétricas, a orientação e o entorno do tanque. Por fim, as perdas de calor foram medidas e comparadas com modelos unidimensionais em regime permanente simulados presentes na literatura. Os autores chegaram a medições de 61 W/m2 para o fundo, 80 W/m2 para as paredes e 73 W/m2 para o teto.. 2.3 Modelagem do sistema de armazenamento térmico As ferramentas para previsão do comportamento de sistemas estão a cada dia se tornando mais eficientes, graças aos computadores que conseguem resolver modelos numéricos cada vez mais complexos. Em consequência do grande interesse em novas.

(46) 18. Capítulo 2. Revisão Bibliográfica. tecnologias para geração de energia por meios renováveis, novos trabalhos surgem com frequência acerca do comportamento térmico de materiais tanto de isolamento quanto de armazenamento, bem como mecanismos de transferência de calor mais fidedignos à realidade do armazenamento térmico.. 2.3.1 Fluido de armazenamento e materiais do tanque Kuravi et al. (2013) em seu artigo de revisão elencaram alguns dos critérios principais para seleção do meio de armazenamento. Os autores afirmam que este material deve ser escolhido de forma bastante criteriosa, onde devem ser considerados o custo, as propriedades e reatividade térmica, bem como a estabilidade tanto térmica quanto química do material, visto que o meio de armazenamento sofrerá diversos ciclos de carga e descarga, permitindo o projeto de um sistema robusto para incontáveis ciclos. Esses critérios limitam drasticamente o acervo de materiais que podem ser aplicados ao armazenamento térmico. Kearney et al. (2004) realizaram um estudo buscando investigar a viabilidade de se utilizar sais fundidos como HTF e como fluido de armazenamento visando melhorar o desempenho do sistema e diminuir os custo de geração de energia. O estudo foi conduzido para dois sais, um composto binário de 60% de NaNO3 e 40% de KNO3 , comumente conhecido como sal solar e um composto ternário de 48% de Ca(NaO3 )2 , 7% de NaNO3 e 45% de KNO3 , comercialmente conhecido como HitecXL. Os autores afirmam que com a utilização destes sais fundidos como meio de armazenamento e HTF, a temperatura de saída do campo solar pode ser elevada para 450-500 ◦ C. Se comparados aos sistemas que até então utilizavam óleos sintéticos como material de armazenamento e HTF, estas temperaturas mais elevadas podem atingir eficiências de 40%, além de serem mais baratos e menos nocivos ao meio ambiente. Herrmann et al. (2004) em análise semelhante ao trabalho de Kearney et al. (2004), afirmaram que sais de nitrato inorgânicos são preferíveis como meio de armazenamento pois apresentam combinações favoráveis das suas propriedades, tais como massa específica, calor específico a pressão constante, baixa reatividade química, baixa pressão de vapor e baixo custo. Os autores também afirmam que é necessária atenção à temperatura de solidificação destes sais e que a temperatura mínima do sistema deve ser superior a esta temperatura para evitar problemas de cristalização do material de armazenamento nos tubos e trocadores de calor da planta. Ferri et al. (2008) desenvolveram através de experimentos realizados no ENEA Cassica Reasearch Centre, uma ferramenta numérica para simulações de circuitos dinâmicos de termofluidos. Os experimentos foram conduzidos pela equipe para testar novos materiais e verificar a efetividade dos ciclos termodinâmicos de centrais termo solares que utilizam sal fundido. Os resultados gerados pela ferramenta computacional foram então validados.