ANÁLISE EXERGOECONÔMICA DE UM SISTEMA CCP
COMPOSTO POR UM CICLO RANKINE ORGÂNICO E UM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
por
Ronelly José de Souza
Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade Federal da
Paraíba para obtenção do grau de Mestre.
João Pessoa - Paraíba Janeiro, 2019
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
RONELLY JOSÉ DE SOUZA
ANÁLISE EXERGOECONÔMICA DE UM SISTEMA CCP
COMPOSTO POR UM CICLO RANKINE ORGÂNICO E UM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal da Paraíba, em cumprimento às exigências para obtenção do Grau de Mestre.
Orientador: Carlos Antônio Cabral dos Santos
S729a Souza, Ronelly Jose de.
ANÁLISE EXERGOECONÔMICA DE UM SISTEMA CCP COMPOSTO POR UM CICLO RANKINE ORGÂNICO E UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO / Ronelly Jose de Souza. - João Pessoa, 2019.
153 f. : il.
Orientação: Carlos Antonio Cabral dos Santos. Dissertação (Mestrado) - UFPB/CT.
1. Sistema ORC. 2. Sistema de Refrigeração por Absorção. 3. Exergia. 4. Exergoeconomia. 5. SPECO. I. Santos, Carlos Antonio Cabral dos. II. Título.
Este trabalho é dedicado à minha filha Lavynia Manuella Duarte de Souza que não necessariamente trilhará exatamente os mesmos caminhos, mas saberá que a educação, como diz o meu pai, é a porta que tem o poder de abrir outras portas.
AGRADECIMENTOS
Posso afirmar, com toda certeza, que não haveria chegado nesta etapa da minha vida sem o amor e o apoio incondicional dos meus pais José Roberto de Souza e Eliane Maria de Souza. Eles sempre estiveram ao meu lado, nos melhores e piores momentos da vida, continuam me apoiando e incentivando a buscar sempre minha melhor versão e tenho certeza que sempre estarão comigo.
À minha esposa Cinthia Duarte de Maria e Souza e à minha filhinha Lavynia Manuella Duarte de Souza pelo amor, carinho, companheirismo e incentivo que elas dedicam a mim. Tenho plena certeza que o apoio delas é um combustível adicional nas minhas lutas diárias na busca sempre do melhor para nós.
Ao professor Dr. Carlos Antonio Cabral dos Santos que, além de ter sido o orientador deste trabalho, também se tornou um amigo. O seu apoio desde o início, com os problemas que enfrentei relativos ao processo de seleção deste mestrado, até as nossas conversas informais foram de primordial importância para superar as minhas lutas neste curso de mestrado.
Ao CNPq, através do programa Ciência sem Fronteiras, pela oportunidade de desenvolver uma parte da minha graduação na Universitat Rovira i Virgili, em Tarragona – Espanha, onde tive a feliz oportunidade de conhecer e trabalhar com o professor Alberto Coronas Salcedo. Esta oportunidade foi de grande importância para o desenvolvimento deste trabalho de mestrado, pois foi o ponto de partida para o tema proposto na presente dissertação.
À UFPB que, através dos seus órgãos competentes, apoiou financeiramente a divulgação de alguns resultados deste trabalho, através de artigos publicados e apresentados em congressos nacionais e internacionais.
Ao amigo e colega de curso de graduação e mestrado João Luiz de Medeiros Neto pelas discussões acerca do tema comum aos nossos trabalhos e pelo trabalho em conjunto no desenvolvimento de artigos para publicação.
Aos professores José Carlos Charamba Dutra e Abel Cavalcante Lima Filho que gentilmente aceitaram o convite para participação da banca avaliadora deste trabalho.
Uma teoria hipotética é necessária, como passo preliminar, para reduzir a expressão dos fenômenos à simplicidade e à ordem antes que seja possível progredir na elaboração de uma teoria abstrativa.
ANÁLISE EXERGOECONÔMICA DE UM SISTEMA CCP
COMPOSTO POR UM CICLO RANKINE ORGÂNICO E UM
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
RESUMO
O objetivo desta dissertação é efetuar uma análise exergoeconômica em um Ciclo Rankine Orgânico (ORC) com a introdução de um Sistema de Refrigeração por Absorção (SRA) no resfriamento do condensador. Além disso, este trabalho também visa melhorar a eficiência do aproveitamento da fonte de energia térmica e apresentar as análises paramétricas de desempenho sob os pontos de vista termodinâmico e econômico. Para avaliar o aumento relativo de eficiência foram analisadas duas configurações: Ciclo Rankine Orgânico Simples (ORC-S) e Ciclo Rankine Orgânico Combinado (ORC-C). A diferença essencial entre as duas é que o ORC-S rejeita calor para uma torre de resfriamento e tem como único produto a potência produzida pelo expansor, enquanto o ORC-C trabalha de forma combinada com um SRA e tem como produtos a potência produzida pelo expansor, a retirada de calor do condensador ORC e a climatização de um ambiente. A combinação dos sistemas é feita através da conexão entre o condensador do sistema ORC e um tanque de estocagem de água gelada que realiza trocas térmicas com o evaporador do SRA. A junção dos dois sistemas tem por objetivo permitir a diminuição da temperatura de condensação do ORC e a busca pelo aumento da potência e da eficiência no aproveitamento da energia disponibilizada pela fonte térmica. O sistema ORC em estudo utiliza um expansor do tipo scroll e opera com R-134a como fluido de trabalho. O SRA considerado foi de simples efeito utilizando o par água-brometo de lítio. As análises termodinâmicas foram realizadas através de um estudo energético e exergético das duas configurações, obtido através da aplicação dos princípios da primeira e da segunda lei da termodinâmica. O estudo econômico foi realizado através de uma análise exergoeconômica, desenvolvida por meio da aplicação do método SPECO (Custo Exergético Específico). O equacionamento exergoeconômico foi realizado através da especificação de dados de entrada como os custos específicos da energia, proveniente da fonte térmica, da água gelada e da tarifa da energia elétrica.
Palavras-chave: Sistema ORC, Sistema de Refrigeração por Absorção, exergia, exergoeconomia, SPECO.
EXERGOECONOMIC ANALYSIS OF A CCP SYSTEM
COMPRISING AN ORGANIC RANKINE CYCLE AND AN
ABSORPTION REFRIGERATION SYSTEM
ABSTRACT
The objective of this work is to carry out an exergoeconomic analysis in an Organic Rankine Cycle (ORC) with the introduction of an Absorption Refrigeration System (SRA) in the condenser cooling. In addition, this work also aims to improve the efficiency of the thermal energy source utilization and to present parametric analyzes of performance from the thermodynamic and economic points of view. To evaluate the relative efficiency increase, two configurations were analyzed: Simple Organic Rankine Cycle (ORC-S) and Combined Organic Rankine Cycle (ORC-C). The essential difference is that the ORC-S rejects heat to a cooling tower and has the power produced by the expander as its only product, while the ORC-C works in combination with an ARS and has the power produced by the expander, the heat removal from the ORC condenser and the heat removal from a room as products. The combination of the systems is done through a connection between the ORC condenser and an ice water storage tank that performs thermal exchanges with the ARS evaporator. The purpose of joining the two systems is to allow the reduction of the ORC condensation temperature and the search for the power and efficiency increase in the use of the energy provided by the thermal source. The ORC system under study uses a scroll type expander and operates with R-134a as working fluid. The ARS considered was a simple effect one using the water-lithium bromide pair. The thermodynamic modeling of the system was developed based on the specification of input parameters such as temperature at the expander inlet, pressure ratio and temperature of the supplied ice water. The thermodynamic analyzes were carried out through an energy and exergy study, of the two configurations, obtained by applying the principles of the first and second law of thermodynamics. The economic study was carried out through an exergoeconomic analysis, developed through the application of the SPECO (Specific Exergy Costing) method. The exergoeconomic equations were developed using input data specification such as the specific costs of energy from the heat source, the ice water and the electricity rate.
Keywords: ORC System, Absorption Refrigeration System, exergy, exergoeconomics, SPECO.
TRABALHOS PUBLICADOS E APRESENTADOS
Souza, R. J.; Santos, C. A. C. Estudo teórico-experimental do ciclo Rankine orgânico
operando com um expansor scroll para produção de energia. CONEM 2016, IX Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Fortaleza – Ceará – Brasil.
Souza, R. J.; Santos, C. A. C. Análise exergética de um sistema de cogeração operando
com um ciclo Rankine orgânico conectado a um sistema de refrigeração por absorção.
CIBEM 2017, 13º Congresso Ibero-Americano de Engenharia Mecânica, Lisboa – Portugal.
Souza, R. J.; Medeiros Neto, J. L.; Santos, C. A. C. Exergy analysis of a coupled unit to
produce electrical energy and cold water. COBEM 2017, 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering, Curitiba – Paraná – Brazil.
TRABALHOS EM ANDAMENTO
Souza, R. J.; Santos, C. A. C. Exergy analysis and comparative assessment of an ORC
system wasting heat to a cooling tower or to an absorption chiller. (Energy)
Souza, R. J.; Medeiros Neto, J. L.; Santos, C. A. C. Power availability evaluation of an ORC
system connected to commercially available absorption chillers through exergy analysis. (International Journal of Heat and Technology)
Souza, R. J.; Medeiros Neto, J. L.; Santos, C. A. C. Exergoeconomic analysis of a
cogeneration system operating with an organic Rankine cycle connected to an absorption refrigeration system. (Revista a definir)
SUMÁRIO
CAPÍTULO I ... 23
INTRODUÇÃO E OBJETIVOS ... 23
1.1 CONTEXTO ENERGÉTICO MUNDIAL ... 23
1.2 POLIGERAÇÃO... 27
1.3 SISTEMAS QUE PRODUZEM REFRIGERAÇÃO, CALOR E POTÊNCIA ... 29
1.4 OBJETIVOS ... 36 1.4.1 Objetivo Geral ... 36 1.4.2 Objetivos específicos ... 37 1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 37 CAPÍTULO II ... 40 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 40 2.1 INTRODUÇÃO ... 40
2.2 CICLO RANKINE ORGÂNICO (ORC) ... 41
2.2.1 Histórico ... 41
2.2.2 Ciclo Rankine orgânico (ORC) vs ciclo Rankine convencional (CRC) ... 43
2.2.3 Pesquisas recentes envolvendo sistemas ORC ... 48
2.3 CHILLERS DE ABSORÇÃO DISPONÍVEIS NO MERCADO ... 53
CAPÍTULO III ... 55
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 55
3.1 INTRODUÇÃO ... 55
3.2.1 Primeira lei da termodinâmica ... 56
3.2.2 Segunda lei da termodinâmica ... 58
3.2.3 Exergia ... 61 3.3 CUSTO EXERGÉTICO ... 63 3.4 EXERGOECONOMIA ... 67 3.4.1 O método SPECO ... 68 3.4.1.1 O princípio F ... 69 3.4.1.2 O princípio P ... 69 CAPÍTULO IV ... 70 MODELAMENTO TERMODINÂMICO ... 70 4.1. INTRODUÇÃO ... 70 4.2 CONFIGURAÇÕES ANALISADAS ... 70
4.2.1 Sistema ORC Simples (ORC-S) ... 70
4.2.2 Sistema ORC Combinado (ORC-C) ... 72
4.2.3 Consideração acerca do modelamento... 74
4.3 MODELAMENTO TERMODINÂMICO ... 76
4.3.1 Análise energética ... 76
4.3.2 Análise exergética ... 78
4.4 ESTRUTURA DO CÓDIGO COMPUTACIONAL ... 81
CAPÍTULO V... 83
ANÁLISE EXERGOECONÔMICA ... 83
5.1 INTRODUÇÃO ... 83
5.2 ANÁLISES PRELIMINARES ... 83
5.2.1 Custo de aquisição dos equipamentos ... 83
5.2.2 Fator de Recuperação de Capital ... 84
5.2.3 Fator de manutenção ... 85
5.3 APLICAÇÃO DO BALANÇO DE CUSTO EM CADA EQUIPAMENTO ... 86
5.3.3 Gerador ORC ... 86
5.3.4 Expansor ... 87
5.3.5 Condensador e Acumulador de líquido ... 88
5.3.6 Bomba ... 89 5.3.8 Ambiente climatizado ... 90 CAPÍTULO VI ... 91 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 91 6.1 INTRODUÇÃO ... 91 6.2 ANÁLISE TERMODINÂMICA ... 91 6.2 ANÁLISE EXERGOECONÔMICA ... 104 CAPÍTULO VII ... 114 CONCLUSÕES E SUGESTÕES ... 114 7.1 CONCLUSÕES ... 114
7.2 SUGESTÕES DE FUTUROS TRABALHOS ... 116
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 117
APÊNDICE ... 124
APÊNDICE A - EXPANSORES PARA SISTEMAS ORC ... 124
A.1 Expansores screw ... 126
A.2 Expansores vane ... 128
A.3 Expansores scroll ... 130
A.3.1 Compressores scroll herméticos ... 133
A.3.2 Compressores scroll open-drive ... 135
APÊNDICE B - FLUIDOS ORGÂNICOS ... 139
B.1 Características térmicas e físicas ... 140
B.2 Aspectos ambientais ... 142
B.3 Aspectos de segurança ... 143
APÊNDICE C - FONTES DE ENERGIA DE BAIXA TEMPERATURA ... 147
C.1 Geotérmica ... 147
C.2 Biomassa ... 148
C.3 Calor Residual ... 149
C.4. Solar ... 150
C.5 Fatores importantes para a seleção da fonte térmica ... 152
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-1 Consumo mundial total final de energia. ... 24
Figura 1-2 Consumo final no setor residencial brasileiro. ... 25
Figura 1-3 Consumo energético brasileiro por setor... 26
Figura 1-4 Diagrama esquemático de um sistema CCHP integrado com turbina eólica. .... 30
Figura 1-5 Diagrama esquemático do sistema CCHP alimentado por energia solar. ... 32
Figura 1-6 Diagrama esquemático do sistema ORC integrado com um sistema de absorção. ... 32
Figura 1-7 Diagrama esquemático do sistema ORC proposto por ANVARI et. al. (2017). 34 Figura 1-8 Sistema examinado por BELLOS e TZIVANIDIS (2017). ... 34
Figura 1-9 Diagrama esquemático do sistema CCHP estudado por AL-SULAIMAN et al. (2012). ... 36
Figura 2-1 Diagrama esquemático de um ciclo Rankine. ... 42
Figura 2-2 Diagrama esquemático da máquina a vapor de Howard. ... 43
Figura 2-3 Diagrama representativo de aplicações do sistema ORC de acordo com a temperatura da fonte de calor e com a capacidade requerida. ... 44
Figura 2-4 Diagramas esquemáticos das três classificações para fluidos de trabalho: (a) isentrópico, (b) úmido e (c) seco. ... 46
Figura 2-5 Exemplos de fluidos secos. ... 47
Figura 2-6 Diagrama esquemático do sistema estudado por Declaye et al (2013). ... 49
Figura 2-7 Diagrama esquemático do sistema estudado por Chang et al. (2014). ... 50
Figura 2-8 Diagrama esquemático do sistema estudado por Li et al. (2014). ... 51
Figura 2-9 Diagramas esquemáticos das quatro configurações propostas por Li, Gang (2016). ORC básico (a), ORC com IHX (b), ORC com reaquecedor (c) e ORC regenerativo (d). ... 52
Figura 3.1 - Quantidade máxima de trabalho que o sistema poderia produzir se não houvessem irreversibilidades. ... 61
Figura 4.1 – Diagrama esquemático do sistema ORC simples (ORC-S). ... 71
Figura 4.2 – Ilustração da limitação inerente ao sistema ORC-S. ... 72
Figura 4.3 – Diagrama esquemático do sistema ORC combinado (ORC-C). ... 73
Figura 4.4 – Consideração acerca do sistema ORC-S. ... 75
Figura 4.5 – Consideração acerca do sistema ORC-C. ... 75
Figura 4.6 – Estrutura do código computacional. ... 82
Figura 5.1 – Diagrama esquemático do volume de controle do Gerador ORC. ... 86
Figura 5.2 – Diagrama esquemático do volume de controle do Expansor. ... 87
Figura 5.3 – Diagrama esquemático do volume de controle do condensador e o acumulador de líquido. ... 88
Figura 5.4 – Diagrama esquemático do volume de controle da bomba. ... 89
Figura 5.5 – Diagrama esquemático do volume de controle do ambiente climatizado. ... 90
Figura 6.1 – Efeito da relação de pressão na potência líquida e na temperatura de condensação e limites de operação do ORC-S. ... 93
Figura 6.2 – Efeito da relação de pressão na eficiência térmica para ambos os sistemas ORC-S e ORC-C, e o limite de eficiência para o ORC-S. ... 93
Figura 6.3 – Efeito da relação de pressão na eficiência exergética para ambos os sistemas ORC-S e ORC-C, e o limite de eficiência para o ORC-S. ... 95
Figura 6.4 – Efeito da temperatura de entrada do expansor na exergia destruída para ambos os sistemas ORC-S e ORC-C. ... 96
Figura 6.5 – Efeito da relação de pressão na exergia destruída para ambos os sistemas ORC-S e ORC-C. ... 97
Figura 6.6 – Efeito da relação de pressão nas exergias destruídas para cada componente do sistema ORC-S... 97
Figura 6.7 – Efeito da relação de pressão nas exergias destruídas para cada componente do sistema ORC-C. ... 98
Figura 6.8 – Efeito da velocidade de rotação na potência líquida e na exergia destruída do sistema ORC-C. ... 100
Figura 6.9 – Exergia destruída em cada componente do sistema ORC-S, com relação de pressão de (a) 1,5 e (b) 2,0. ... 102
Figura 6.10 – Exergia destruída em cada componente do sistema ORC-C, com relação de pressão de (a) 1,5 e (b) 2,0. ... 103
Figura 6.11 – Custo total dos produtos com relação ao custo específico da água gelada proveniente do SRA. ... 105 Figura 6.12 – Custo total dos produtos com relação ao custo específico da água quente proveniente da fonte térmica. ... 106 Figura 6.13 – Custo total dos produtos e custo do ambiente climatizado com relação à pressão de entrada do expansor. ... 107 Figura 6.14 – Exergia destruída total em função da pressão de entrada do expansor. ... 108 Figura 6.15 – Exergia destruída por componente com relação à pressão de entrada do expansor. ... 109 Figura 6.16 – Custo total dos produtos em função da relação de pressão do sistema ORC-C. ... 110 Figura 6.17 – Custo dos produtos por componente em função da relação de pressão do sistema ORC-C. ... 110 Figura 6.18 – Custo total dos produtos em função da velocidade de rotação do expansor. ... 111 Figura 6.19 – Custo dos produtos por componente em função da velocidade de rotação do expansor. ... 111 Figura 6.20 – Fator exergoeconômico de cada componente do sistema ORC-C. ... 112 Figura 6.21 – Diferença relativa do custo de cada componente do sistema ORC-C. ... 113 Figura A-1 Faixas de potências aplicáveis a cada dispositivo de expansão e para dada fonte térmica. ... 125 Figura A-2 Expansor Screw em suas vistas superior, lateral e explodida. ... 127 Figura A-4 Projeto do Expansor Scroll apresentado pelo francês Léon Creux, 1905. ... 131 Figura A-5 Projeto da espiral fixa para um expansor Scroll (a) e compressor scroll tipo open-drive (b). ... 132 Figura A-6. (a) Vista exterior e (b) vista em corte das partes internas do compressor scroll hermético. ... 134 Figura A-7. Compressor scroll open-drive em (a) sua vista externa e (b) seu corte
longitudinal. ... 136 Figura A-8 Compressor scroll modificado para expansor. ... 138 Figura B-1. Diferenças de temperatura no trocador de calor para (a) água e (b) fluido orgânico. ... 141
Figura C-1. Uma das três configurações de um sistema ORC alimentado por fonte
geotérmica. ... 148 Figura C-2. Representação esquemática da configuração caldeira/ORC avaliada por
Mazzola. ... 149 Figura C-3. Ciclo subcrítico, alimentado por calor residual, analisado por Lecompte. .... 150 Figura C-4. Representação esquemática do fornecimento de calor a um sistema ORC. ... 151 Figura C-5. Coletor parabólico concentrado (a) e Coletor de tubo evacuado (b). ... 152
LISTA DE TABELAS
Tabela 1-1 Classificação dos sistemas CCHP, baseada em suas capacidades. ... 29
Tabela 2-1 Calor latente para a água e para alguns fluidos orgânicos. ... 45
Tabela 2-2 Razão da pressão de saturação, a dada temperatura, em relação àquela à 30 ºC, para a água e alguns fluidos orgânicos. ... 45
Tabela 2.3 Chillers de absorção disponíveis no mercado. ... 54
Tabela 5.1 – Parâmetros para o cálculo do CRF encontrados na literatura. ... 84
Tabela 6.1 Propriedades termodinâmicas em cada ponto analisado. ... 92
Tabela 6.2 Efeito da relação de pressão no calor fornecido ao gerador de vapor e nas eficiências energéticas e exergéticas para ambos os sistemas ORC-S e ORC-C. ... 94
Tabela 6.3 Efeito da relação de pressão na carga térmica removida (𝑄𝐴𝐶) e na exergia destruída (𝐸𝐷. 𝐴𝐶) do ambiente climatizado, no calor removido do condensador (𝑄𝐶. 𝑂𝑅𝐶) e na temperatura de condensação (𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑). ... 99
Tabela 6.4 Efeito da velocidade de rotação do expansor na carga térmica removida (𝑄𝐴𝐶) do ambiente climatizado, na exergia total destruída (𝐸𝐷. 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) e no calor removido do condensador (𝑄𝐶. 𝑂𝑅𝐶). ... 101
Tabela 6.5 Dados de entrada para a análise exergoeconômica. ... 104
Tabela 6.6 Efeito da pressão de entrada do expansor na carga térmica removida (𝑄𝐴𝐶) do ambiente climatizado e no calor removido do condensador (𝑄𝐶. 𝑂𝑅𝐶). ... 107
Tabela A-1. Desempenho de expansores scroll obtidos na literatura. ... 138
Tabela B-1. Dados de parâmetros ambientais de alguns fluidos orgânicos. ... 143
LISTA DE SIMBOLOS
$ – Dolar 𝐶̇ – Taxa de Custo 𝐸̇ – Taxa de Exergia 𝑄̇ – Potência térmica 𝑊̇ – Potência mecânica 𝑍̇ – Taxa de Custo Nivelado 𝑚̇ – Vazão mássicaALT – Tempo de Vida na Atmosfera
ASHRAE – Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar-Condicionado
AVACR - Aquecimento, Ventilação, Ar-Condicionado e Refrigeração BEM – Balanço Energético Nacional
CCHP – Combined Cooling Heat and Power CCP – Combined Cooling and Power
CFD – Computational Fluid Dynamics CHP – Combined Heat and Power CRC – Ciclo Rankine Convencional CRF – Fator de Recuperação de Capital EC – Energia Cinética
EES – Engineering Equation Solver EP – Energia Potencial
EPE – Empresa de Pesquisa Energética GLP – Gás Liquefeito de Petróleo GNL – Gás Natural Liquefeito
GWP – Potencial de Aquecimento Global ℎ – Entalpia específica
HCFC – Hidroclorofluorcarboneto HFC – Hidrofluorcarboneto
IEA – International Energy Agency IHX – Internal Heat Exchanger J – Joule
kWe – Quilowatts elétrico kWh – Quilowatts/hora
MCE – Motor de Combustão Externa MCI – Motor de Combustão Interna MME – Ministério de Minas e Energia
Mtep – Tonelada Equivalente de Petróleo x 106 MWe – Megawatts elétrico
N – Velocidade de Rotação do Expansor ODP – Potencial de Degradação do Ozônio ORC – Organic Rankine Cycle
ORC-C – Ciclo Rankine Orgânico Combinado ORC-S – Ciclo Rankine Orgânico Simples R$ – Real
Rp – Relação de Pressão rpm – Rotação por minuto
SPECO – Custo Específico da Exergia
SRA – Sistema de Refrigeração por Absorção TCE – Teoria do Custo Exergético
T-s – Temperatura-Entropia U – Energia Interna 𝐸 – Energia 𝑃 – Pressão 𝑄 – Calor 𝑆 – Entropia 𝑇 – Temperatura 𝑉 – Velocidade 𝑊 – Trabalho
𝑐 – Custo Específico 𝑒 – Exergia específica 𝑔 – Aceleração da gravidade 𝑖 – Taxa Anual de Juros 𝑠 – Entropia específica 𝑡 – Tempo
𝑢 – Energia interna específica 𝑣 – Volume específico 𝑧 – Variação de altura 𝜑 – Fator Exergoeconômico Subscritos: VC – Volume de Controle 𝑒 – Entrada 𝑠 – Saída
ciclo – Ciclo termodinâmico int.rev. – Internamente Reversível 1 – Estado Inicial 2 – Estado Final 0 – Estado de Referência ger – Geração 𝑒𝑛𝑡 – Entrada 𝑠𝑎𝑖 – Saída k – Késimo m – Massa W – Trabalho q – Calor 𝑛 – Enésimo P – Produto F – Combustível h – Horas D – Destruída
B.ORC – Bomba do sistema ORC G.ORC – Gerador do sistema ORC E.ORC – Expansor do sistema ORC liq.ORC – Líquido do sistema ORC AC – Ambiente Climatizado
G.Chiller – Gerador do SRA ref – Referência
D,E – Destruída do Expansor D,C – Destruída do Condensador
D,AL – Destruída do Acumulador de Líquido D,B – Destruída da Bomba
D,G – Destruída do Gerador D,total – Destruída Total ag – Água Gelada aq – Água Quente cond – Condensação Sobrescritos: CI – Custo de Investimento OM – Operação e Manutenção
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO E OBJETIVOS
1.1 CONTEXTO ENERGÉTICO MUNDIAL
Na história do contexto energético mundial, o acesso da população a fontes modernas de energia tem sido um indicador do nível de desenvolvimento econômico e social de qualquer país. As modernas sociedades industrializadas têm, como uma de suas principais características, o alto consumo de energia per capita, cujo suprimento é possível graças ao desenvolvimento de novas tecnologias, que permitem a exploração de diversas fontes de energia (EKINS et. al. 2015).
CHEN et. al. (2016) afirmam que depois de 1928, a população mundial aumentou de 2 bilhões para 7 bilhões de pessoas em um período de 84 anos. Além disso, a previsão para 2024 é de que esse número aumente para 8 bilhões de pessoas, fato que causa preocupações para as autoridades governamentais e para a comunidade científica. Esse aumento da população, em conjunto com as recentes mudanças climáticas mundiais, implica a necessidade de maior consumo de energia.
Segundo LAKSHMI et al. (2017), de 1973 até 2015, o consumo global de energia cresceu em aproximadamente 200%, de 4661 Mtep para 9384 Mtep (Figura 1-1). Desse total, a maior parte ainda continua sendo suprida por combustíveis de origem fóssil. Mas, como é do conhecimento comum, isso acarreta problemas. De acordo com EKINS et. al. (2015):
“Combustíveis fósseis ainda são abundantes na crosta terrestre e continuam suprindo a maior parte da demanda energética mundial. Mas eles são cada vez mais associados com problemas que estão se tornando mais proeminentes no cenário mundial.”
Um dos integrantes mais importantes desses problemas é a emissão de CO2, o que não é uma questão recente. As antigas sociedades industrializadas já lidavam com isso e, hoje em dia, as economias em desenvolvimento e as menos desenvolvidas estão lutando com isso (EKINS et.al. 2015). Segundo a IEA (2017), o escasso acesso da população mundial a serviços modernos de energia ainda é motivo de grandes preocupações. Estima-se que 2,8 bilhões de pessoas (aproximadamente 37% da população mundial) dependem de formas precárias de energia para cozinhar e para aquecimento, como biomassa e carvão. Desse total, 1,1 bilhão de pessoas (aproximadamente 15% da população mundial) não têm acesso a eletricidade.
Figura 1-1 Consumo mundial total final de energia.
Fonte: IEA (2017)
Esses fatos potencializam o problema da emissão de CO2 para a atmosfera e mostram pelo menos dois fatos. A implantação de políticas públicas, para incentivar o acesso da população à serviços modernos de energia, e a modernização das sociedades industrializadas dos países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento, têm um importante papel na preservação ambiental e no desenvolvimento sustentável, tanto a nível local como global. As recentes reduções em preços e o aumento de incentivos fiscais em tecnologias, para o aproveitamento de fontes de energia renováveis, têm causado o aumento das pesquisas nessa área e o desenvolvimento de novos equipamentos mais competitivos em termos de custos, em comparação com as tecnologias para aproveitamento de combustíveis de origem fóssil. 48.3% 14.0% 9.4% 13.5% 13.1% 1.7%
1973
41.0% 14.9% 18.5% 11.1% 11.2% 3.3%2015
Petróleo Gás Natural Eletricidade Carvão Biocombustíveis Outros 4.661 9.384De acordo com REDDY; ULGIATI, (2015), a Segurança Energética Sustentável é um importante indicativo para avaliar o progresso de qualquer nação. O autor define esse tipo de segurança energética como sendo o fornecimento de serviços modernos de energia sem interrupções, que tenham o mínimo possível de perdas durante o processo de geração e distribuição, que sejam economicamente acessíveis para todos e que preserve o meio ambiente.
A Segurança Energética Sustentável é um problema maior para as economias em desenvolvimento. Ainda segundo REDDY; ULGIATI, (2015), os países em desenvolvimento contribuirão com aproximadamente 66% no aumento do uso da energia mundial e com 75% no aumento das emissões de CO2. Com isso, a Segurança Energética Sustentável é um tema que necessita de mais atenção por partes desses países.
Figura 1-2 Consumo final no setor residencial brasileiro.
Fonte: (EPE, 2017)
Tomando como exemplo o setor residencial brasileiro, o consumo final de energia é dividido basicamente em eletricidade, Gás Liquefeito de Petróleo – GLP, lenha e outros (Figura 1-2). Segundo o (EPE, 2017), em 1975 esse cenário era composto por 18 Mtep de lenha, 1,9 Mtep de GLP, 1,2 Mtep de eletricidade e 1,2 de outros. Após 41 anos, com investimentos em novas fontes energéticas, com políticas de incentivos fiscais, com o acesso gradativo da zona rural à eletricidade, o cenário foi melhorado. Em 2016, as parcelas de contribuição, no consumo final do setor residencial, foram de aproximadamente 6 Mtep de
lenha, 6,5 Mtep de GLP, 11,5 Mtep de eletricidade e 1 Mtep de outros. Destaque para o consumo de lenha, que caiu de 81% para 24% do consumo final total do setor residencial, fato que contribuiu para a redução nas emissões de CO2.
No Brasil, o consumo de energia se divide em sete principais setores: energético, comercial, público, residencial, agropecuário, transportes e industrial. Como pode ser observado na Figura 1-3, os setores residencial e industrial compõem aproximadamente 50% do consumo total de energia. Apesar da parcela de contribuição desses setores ter reduzido nos últimos dez anos, eles ainda representam uma grande parcela do consumo energético brasileiro e possuem um grande potencial de economia de energia se forem aplicadas tecnologias apropriadas.
Figura 1-3 Consumo energético brasileiro por setor.
Fonte: (EPE, 2017)
Usinas eólicas, usinas solares, sistemas de aproveitamento de fontes de energia tais como geotérmica, maré motriz e biomassa são alguns exemplos desses tipos de tecnologia. No entanto, existem tecnologias desenvolvidas para o aproveitamento de uma fonte de energia que é muito abundante em vários setores do consumo energético, especialmente no setor industrial. É a energia térmica. Disponível sob a forma de calor residual e até podendo ser obtida de fontes renováveis, as tecnologias utilizadas para aproveitar essa fonte de energia possuem um grande potencial de aumentar a eficiência energética dos sistemas aos quais elas são combinadas.
Um exemplo clássico desses tipos de tecnologia são os Sistemas de Calor e Potência Combinados (do inglês, Combined Heat and Power – CHP), que são caracterizados pela
3.0% 1.8% 11.1% 40.4% 28.9% 4.5% 10.5%
2007
3.5% 1.7% 10.3% 35.0% 34.3% 4.3% 10.9%2017
Comercial Público Residencial Indústria Transporte Agropec. Energéticoprodução simultânea de calor útil e potência elétrica utilizando a mesma fonte térmica como, por exemplo, calor residual de processos industriais, que seria desperdiçado para a atmosfera. Se, por exemplo, esse tipo de sistema for implementado em uma turbina a vapor, a eficiência dela pode aumentar de aproximadamente 30% para 85%. Por isso, os sistemas CHP constituem a base de uma importante tecnologia de produção eficiente de energia, a poligeração (RONG; LAHDELMA, 2016).
1.2 POLIGERAÇÃO
Como apresentado na seção anterior, a poligeração é a geração de duas ou mais formas de energia útil, ao mesmo tempo, em um único sistema integrado. Além disso, um sistema de poligeração pode ser alimentado por uma grande variedade de combustíveis, incluindo aqueles de origem fóssil e os de origem renovável. Este fato, além de aumentar a eficiência global da produção de energia, constitui um importante passo no trajeto em direção a um futuro com segurança energética sustentável e um importante elo de ligação para o desenvolvimento de novas políticas energéticas (RONG; LAHDELMA, 2016).
Alguns autores tratam a poligeração com nomenclaturas específicas, quando um determinado sistema fornece duas formas úteis de energia (cogeração), três formas úteis de energia (trigeração) e poligeração para quatro ou mais produtos obtidos. CALISE et. al. (2015) estudaram um sistema, o qual chamou de poligeração, alimentado por energia geotérmica e energia solar (sistema híbrido) e que produzia quatro produtos finais: potência elétrica, refrigeração, calor e água dessalinizada. Em uma análise exergética e econômica de um sistema acoplado composto por um Ciclo Rankine Orgânico e um Ciclo de Compressão a Vapor, KARELLAS; BRAIMAKIS, (2016) avaliaram o sistema funcionando em dois modos. No primeiro, que foi chamado de modo trigeração, o sistema produziu eletricidade, calor e refrigeração durante o verão. No segundo, chamado de modo cogeração, o sistema produziu apenas eletricidade e calor durante o inverno. Já autores como RONG; LAHDELMA, (2016) consideram que se determinado sistema está fornecendo duas ou mais formas úteis de energia, então é considerado como poligeração. Neste trabalho será considerada a última nomenclatura citada acima, ou seja, a poligeração como sendo a produção simultânea de duas ou mais formas úteis de energia pelo mesmo sistema integrado. Os problemas discutidos até agora, relacionados ao contexto energético mundial, têm direcionado governantes e cientistas para um novo cenário no referido contexto
energético: as energias renováveis. Segundo a IEA (2011), as tecnologias relacionadas às energias renováveis são as que mais contribuirão para a redução das emissões de CO2 até 2050 e são soluções primordiais para os desafios impostos pelos problemas relatados anteriormente. Entretanto, tratando-se do sistema energético mundial, a transição para um cenário como esse leva tempo. As tecnologias baseadas em combustíveis fósseis não irão simplesmente desaparecer, e essa é uma das razões pelas quais esses combustíveis devem ser usados da forma mais eficiente possível.
A utilização eficiente desses combustíveis, pode ajudar a evitar que algumas tendências negativas mundiais se tornem realidade, tais como a falta de segurança energética sustentável, o agravamento das recentes mudanças climáticas e a elevação dos preços da energia primária. A poligeração constitui uma tecnologia consolidada, que admite vários tipos de aplicações, que possui uma ampla gama de capacidades, que pode ser alimentada com diversos tipos de combustíveis e que permite a utilização mais eficiente possível destes. Enquanto os sistemas tradicionais de geração de energia conseguem atingir, em média, eficiências da ordem de 30% a 37%, as plantas de poligeração podem elevar a eficiência de sistemas para a ordem de 70% a 80% na maioria dos casos e, a depender do sistema em questão, essa eficiência pode chegar a 90% (IEA, 2011). Os dados mais recentes publicados pela IEA (2014), afirmam que a eficiência média global da cogeração de potência e calor, no ano de 2011, foi de 58%. Apesar de não ser um dado recente, ele mostra que há sete anos os sistemas de cogeração já eram mais eficientes que os sistemas tradicionais de produção de energia.
Por outro lado, é importante entender que a aplicação da poligeração em um dado sistema, por exemplo, uma planta de geração de eletricidade, não irá aumentar a potência elétrica entregue pela planta, mas sim irá aumentar a porcentagem do insumo que é transformada em uma forma útil de energia (IEA, 2014). Dessa forma, a poligeração gera economia, tanto para quem produz a energia quanto para o consumidor, gera redução das emissões de CO2, aumento da segurança energética sustentável e menor necessidade de redes de transmissão (IEA, 2011).
Nos últimos anos, um tipo específico de poligeração tem sido objeto de grande interesse da comunidade científica. Trata-se da micro poligeração. Além de oferecer os mesmos benefícios discutidos anteriormente, são caracterizados pelo aproveitamento de fontes térmicas de baixa temperatura (solar, calor residual, geotérmica etc) e pelo fornecimento de potência variando de 1 a 10 kWe. Exemplos típicos de aplicações são
grandes prédios residenciais, comerciais e plantas industriais. Geralmente esses tipos de construções são equipados com grandes centrais de ar condicionado compostas por sistemas de aquecimento, refrigeração e ventilação, ideais para a aplicação desse tipo de poligeração (MURUGAN; HORÁK, 2016).
1.3 SISTEMAS QUE PRODUZEM REFRIGERAÇÃO, CALOR E POTÊNCIA
Os chamados sistemas Combinados de Refrigeração, Calor e Potência, ou, do inglês, Combined Cooling, Heat and Power (CCHP), são os exemplos mais comuns de plantas de poligeração. Eles são derivados dos sistemas Combinados de Calor e Potência, ou, Combined Heat and Power (CHP). As primeiras aplicações deste último datam do final do século 19, quando foram empregados em grandes plantas industriais. Um sistema CCHP é simplesmente um sistema CHP conectado a um equipamento, termicamente alimentado, para produção do efeito frigorífico (WU; WANG, 2006). A capacidade desses tipos de equipamentos depende da sua aplicação final, mas, segundo COGEN EUROPE (2001), a potência entregue pode variar desde 1 kWe até 500 MWe e pode ser classificada conforme a Tabela 1-1.
Tabela 1-1 Classificação dos sistemas CCHP, baseada em suas capacidades.
Capacidade Classificação
Menor que 20 kWe Micro
Entre 20 kWe e 500 kWe Mini Entre 500 kWe e 1 MWe Pequeno Entre 1 MWe e 10 MWe Médio
Maior que 10 MWe Grande
Fonte: (COGEN EUROPE, 2001)
Em 1997, um importante tratado entre diversas nações foi assinado na cidade de Kyoto, no Japão. O Protocolo de Kyoto, como é conhecido, teve como principal objetivo o estabelecimento de metas para a redução das emissões de gases poluentes, por parte dos países integrantes (NAÇÕES UNIDAS, 1998). Como consequência desse tratado, a busca pelo aumento da eficiência de sistemas já existentes e de sistemas em fase de projeto foi intensificada no início da década de 2000. Dentre os sistemas disponíveis que permitiriam
esse aumento de eficiência, já havia os consolidados sistemas CHP ou CCHP. A aplicação de tais sistemas passou a ser um elemento chave da estratégia de países, como a Inglaterra, para a redução dos poluentes que contribuem para o aumento do efeito estufa, como relatou o estudo feito por (MAIDMENT et. al. 2001).
O próprio trabalho realizado por MAIDMENT et. el. (2001), através de modelamento matemático, analisou típicos equipamentos CHP, que eram instalados em supermercados, e perceberam que esses equipamentos estavam sendo subutilizados, devido à demanda sazonal de calor. Para aumentar a eficiência do sistema, eles propuseram que um sistema de refrigeração por absorção (alimentado termicamente) fosse integrado ao sistema CHP, para a obtenção do efeito frigorífico durante o verão, época na qual o calor gerado não seria necessário. LI; WU, (2009) desenvolveram um sistema CCHP baseado em um sistema de refrigeração por adsorção utilizando o par químico sílica gel/água. O trabalho teve como principais objetivos, a análise de desempenho do sistema de adsorção integrado ao CCHP e o desenvolvimento de estratégias teóricas de controle do sistema.
Figura 1-4 Diagrama esquemático de um sistema CCHP integrado com turbina eólica.
Fonte: (MOHAMMADI et al., 2017)
MOHAMMADI et al. (2017) analisaram um caso de poligeração que combinou um sistema CCHP com energia renovável, neste caso a eólica (Figura 1-4). O sistema CCHP era composto por uma turbina a gás, um ciclo Rankine orgânico e um sistema de refrigeração
por absorção. A parte do sistema, responsável pelo aproveitamento da energia eólica, era composta por uma turbina eólica que alimentava eletricamente um compressor de ar. O principal objetivo do trabalho foi avaliar o desempenho do sistema global fornecendo como produtos: refrigeração, calor e potência. Segundo os autores, a junção de turbinas eólicas ao sistema faz com que seja fornecida a potência elétrica necessária para o compressor de ar e, por esta razão, a potência líquida entregue pelo sistema é aumentada. Com os resultados ficou constatado que o sistema é capaz de fornecer 2,56 kW de refrigeração, 1,82 toneladas de água quente por dia, 33,67 kW de eletricidade e eficiência de 53,94%.
Atualmente, os sistemas CCHP, classificados como “micro”, têm recebido grande atenção da comunidade científica, devido ao seu grande potencial para integração com fontes de energia renováveis. De acordo com GU et al. (2014), as classificações dos sistemas CCHP, mostradas na tabela 1-1, podem ser simplificadas em duas principais. A primeira delas são os habituais sistemas CCHP de grandes capacidades e a segunda diz respeito aos sistemas micro CCHP distribuídos, que contam com menores capacidades e com tecnologias mais avançadas. Estudos como WU, Q.; REN (2017), WANG et al. (2017) e ZHANG et al. (2017) têm avaliado características de projeto e a viabilidade da implantação de micro CCHP em aplicações residenciais e comerciais.
No estudo desenvolvido por WANG et al. (2015), foi avaliado um método de otimização de um sistema CCHP, que era composto basicamente por um ciclo Rankine orgânico e um ciclo de refrigeração por ejeção e eram alimentados por energia solar (Figura 1-5). Tal sistema, que também era provido de um aquecedor, possuía três válvulas de regulação: uma antes do referido aquecedor, outra antes do ejetor e uma terceira antes da turbina. O gerenciamento dessas válvulas permitia a configuração do sistema para funcionar no modo apenas de Potência, durante a primavera ou outono, no modo CHP, durante o inverno, ou no modo CCP (Combined Cooling and Power), durante o verão. Os resultados mostraram que as potências úteis alcançadas para cada um desses modos foram, respectivamente, 6,40 kW, 5,84 kW e 8,89 kW.
Figura 1-5 Diagrama esquemático do sistema CCHP alimentado por energia solar.
Fonte: (WANG et al. 2015)
CHAIYAT e KIATSIRIROAT (2015) estudaram um típico caso sistemas CCHP. Eles analisaram os aspectos energéticos, econômicos e ambientais da integração de um ciclo Rankine orgânico (ORC) com um sistema de refrigeração por absorção (SRA) (Figura 1-6). O sistema ORC operava com R245fa, como fluido de trabalho, e era integrado a um sistema de absorção de 20 kW, operando com água/brometo de lítio. Os dois sistemas eram alimentados pela mesma fonte térmica que fornecia água quente entre temperaturas de 90 e 105 ºC. Um dos principais objetivos da junção dos dois sistemas foi a possibilidade da redução da temperatura de condensação do sistema ORC, fato que contribuiu para o aumento da potência entregue pelo sistema e, consequentemente, para o aumento da eficiência global do sistema. Dentre os principais resultados foi observado que a eficiência do sistema ORC aumentou em 7%, com o SRA fornecendo água resfriada a 15ºC.
Figura 1-6 Diagrama esquemático do sistema ORC integrado com um sistema de absorção.
No estudo conduzido por ANVARI et. al. (2017), foi analisado um sistema CCHP composto, basicamente, por uma turbina a gás, um ciclo Rankine orgânico regenerativo e um chiller de absorção (Figura 1-7). O principal alvo do estudo foi avaliar a viabilidade da integração do ORC regenerativo (operando com R123) e do chiller de absorção (operando com água/brometo de lítio) a uma turbina a gás, do ponto de vista técnico e econômico. O princípio de funcionamento do sistema consistiu no aproveitamento da energia disponível nos gases de escape da turbina a gás. Esses gases passavam primeiramente através do pré-aquecedor de ar, da própria turbina, em seguida por um trocador de calor (para fornecimento de água quente), depois pelo evaporador do sistema ORC e, finalmente, pelo gerador de vapor do chiller de absorção. O estudo demonstrou que a integração dos referidos ciclos possibilitou um importante aumento da eficiência exergética, apesar do aumento nos custos do sistema global. Eles também concluíram que esse aumento nos custos é aceitável, frente ao considerável aumento obtido na eficiência exergética. O sistema ORC regenerativo contribuiu, respectivamente, com 2,3% e 5,5% na destruição de exergia e no custo total de capital, enquanto o chiller de absorção contribuiu, respectivamente, com 0,25% e 0,45%. Resultados semelhantes foram encontrados por AHMADI et. al. (2012). Eles também analisaram um sistema CCHP composto por uma turbina a gás, um sistema ORC (operando com n-octano), um chiller de absorção (operando com água/brometo de lítio) e um aquecedor de água doméstico. Eles chegaram à conclusão de que a eficiência exergética do sistema integrado é maior que no modo CHP ou na turbina a gás sozinha. Seguindo a mesma linha de raciocínio, também foi constatado que a emissão de CO2 é menor para o sistema em modo CCHP.
BELLOS e TZIVANIDIS (2017) investigaram um sistema CCHP (Figura 1-8) do ponto de vista energético e exergético. A demanda energética do sistema era assistida por coletores solar parabólicos, conectados a um tanque de estocagem térmica. Além disso, o sistema era composto por um ciclo Rankine orgânico (o qual foi estudado operando com oito diferentes fluidos orgânicos) e uma bomba de calor por absorção (operando com água/brometo de lítio). O funcionamento do sistema consistia, essencialmente, na alimentação do ORC, pelo tanque de estocagem térmica, sendo que o calor rejeitado pelo ORC alimentava o gerador de vapor da bomba de calor (sendo este último o responsável pela produção simultânea de aquecimento e refrigeração). Este trabalho, que teve como principal objetivo a otimização da eficiência global do sistema, concluiu que os fluidos de
trabalho, para o ORC, que resultaram na maior e menor eficiência exergética foram, respectivamente, o tolueno (29,42%) e o n-pentano (21,92%). Todos os fluidos de trabalho analisados proporcionaram um aumento de, em média, 5% na eficiência exergética, na comparação dos cálculos padrões iniciais com a otimização do sistema. Segundo os autores, esse aumento foi muito importante para tornar o sistema mais sustentável e conclui indicando que, operando com o tolueno, o sistema foi capaz de fornecer 177,6 kW de potência elétrica, 974,2 kW de calor e 398,8 kW de potência de refrigeração.
Figura 1-7 Diagrama esquemático do sistema ORC proposto por ANVARI et. al. (2017).
Uma pesquisa semelhante, realizada por AL-SULAIMAN et. al. (2012), analisou um sistema CCHP, também alimentado por coletores solar parabólicos e/ou tanques de estocagem térmica. O sistema era composto, essencialmente, pelo sistema de energia solar, por um sistema ORC operando com n-octano e por um chiller de absorção operando com o par químico água/brometo de lítio (Figura 1-9). Dentre as principais diferenças entre este e o trabalho de BELLOS e TZIVANIDIS (2017) era que este funcionava sob três modos de operação distintos. O primeiro era o “modo solar e estocagem” (das 8 horas da manhã às 4 horas da tarde), que era acionado quando a intensidade da radiação solar era suficiente para acionar o sistema e para armazenar energia simultaneamente. O segundo era o “modo solar” (das 6 às 8 horas da manhã e das 4 às 6 horas da tarde), acionado quando havia baixa intensidade de luz solar (suficiente apenas para acionar o sistema). Por último, o “modo estocagem” (das 6 horas da tarde às 6 horas da manhã), acionava o sistema apenas com a energia térmica estocada. Os três modos de operação do sistema CCHP proporcionaram, respectivamente, eficiências de 47%, 94% e 42%, frente a 7%, 15% e 6,5% quando apenas a produção de eletricidade foi considerada. Além disso, a energia rejeitada pelo sistema ORC, que foi projetado para fornecer 500 kW de potência elétrica, alimentava um processo de aquecimento e o chiller de absorção.
Um sistema mais simples, proposto por GROSU et al. (2016), também era composto por coletores solar, um sistema ORC (utilizando R245fa) e um chiller de absorção (utilizando água/brometo de lítio), mas não possuía os tanques de estocagem térmica. Além disso, o sistema ORC e o chiller de absorção eram conectados aos coletores solar de forma paralela, ou seja, diferentemente dos ciclos propostos por BELLOS e TZIVANIDIS (2017) e AL-SULAIMAN et. al. (2012), a alimentação dos dois sistemas era feita de forma independente. O principal objetivo do trabalho foi projetar o sistema de tal forma que fosse capaz de fornecer energia elétrica e refrigeração, para um prédio específico da universidade da qual a maioria dos autores são filiados, e encontrar os parâmetros otimizados do desempenho do sistema. Com uma temperatura de alimentação de aproximadamente 140 ºC e uma área de coletores solar de 300 m², o sistema foi capaz de fornecer 5,24 kW de potência mecânica, 45,6 kW de potência de refrigeração, 38% de eficiência energética e 26% de eficiência exergética.
Figura 1-9 Diagrama esquemático do sistema CCHP estudado por AL-SULAIMAN et al. (2012).
Em todos os sistemas de poligeração apresentados anteriormente pode-se inferir que, no mínimo, três características se destacam como sendo mais importantes: o fluido de trabalho utilizado em qualquer dos subsistemas componentes, a configuração desses subsistemas e a fonte da energia térmica. Vários trabalhos comprovam que um mesmo sistema ORC apresentará desempenhos distintos dependendo do fluido orgânico utilizado. O chiller de absorção também fornece diferentes performances à medida que o par químico é variado. No que concerne à configuração, diferentes estudos avaliaram o sistema ORC e o chiller de absorção sendo alimentados de forma paralela ou em série e as fontes térmicas mais comumente encontradas foram: solar, calor residual de turbina a gás ou motor diesel e geotérmica.
1.4 OBJETIVOS
A presente dissertação propõe realizar um estudo exergoeconômico em um sistema combinado de refrigeração e potência (CCP), alimentado por uma fonte térmica de baixa temperatura e composto, essencialmente, por um ciclo Rankine orgânico e um sistema de refrigeração por absorção de simples efeito.
1.4.2 Objetivos específicos
• Revisão bibliográfica de sistemas de poligeração, para produção simultânea de refrigeração, calor e potência sendo alimentados pelas fontes térmicas mais comumente analisadas pela comunidade científica e operando com diferentes fluidos de trabalho.
• Definição das características construtivas do sistema a ser estudado. • Modelagem energética e exergética do sistema.
• Modelagem exergoeconômica do sistema.
• Utilização do modelo para a análise paramétrica do sistema e para avaliação do desempenho termodinâmico e econômico do sistema.
1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Este trabalho de dissertação está estruturado nos seguintes capítulos:
No primeiro capítulo, é apresentado o contexto energético mundial, discutindo tanto o consumo de energia mundial quanto o consumo brasileiro. São mostradas as fontes de energia mais consumidas, os problemas causados por algumas delas e a importância da implementação de políticas públicas para que cada vez mais pessoas tenham acesso à fontes modernas de energia. Baseado nisso, é apresentado o conceito de poligeração e como ela pode ajudar a alcançar a segurança energética sustentável. Em seguida é feita uma revisão bibliográfica de sistemas de poligeração com diferentes capacidades, configurações e fluidos de trabalho. Por fim, foram definidos o objetivo geral e os objetivos específicos desta dissertação.
O capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre os sistemas ORC, os tipos de fluidos de trabalho utilizados e as fontes de energia térmica mais adequadas para tais sistemas. No primeiro momento é apresentado um histórico dos ciclos Rankine e de sistemas que já utilizavam fluidos alternativos para determinados fins. Em seguinda são destacadas as diferenças primordiais entre o ciclo Rankine orgânico e o ciclo Rankine convencional assim como também, pesquisas recentes envolvendo sistemas ORC. Na continuação são apresentados os principais tipos de expansores utilizados em tais sistemas, por se tratar do principal dispositivo e de mais criteriosa seleção. As principais características dos fluidos orgânicos, tais como aspectos termofísicos, ambientais, de segurança e nomenclatura são apresentadas logo depois, assim como também as fontes energéticas tais como geotérmica, biomassa, calor residual e solar. Por último são apresentados alguns Chillers de absorção disponíveis no mercado e é feita a seleção do mais adequado para os objetivos deste trabalho. O capítulo 3 apresenta os fundamentos teóricos que serão utilizados como base para a avaliação do sistema em estudo. Primeiramente são apresentados os princípios da termodinâmica, isto é, a primeira e a segunda lei e, em seguida, o conceito de exergia, que é a base da análise exergoeconômica. Na continuação é destacado o conceito de custo exergético e o método de análise exergoeconômica utilizado neste trabalho: o método SPECO.
O capítulo 4 apresenta o sistema em estudo, operando sob os dois modos de operação (ORC-S e ORC-C), o princípio de funcionamento de cada um deles o os motivos que levam o ORC-C a alcançar melhores níveis de desempenho. Em seguida é feito o modelamento numérico através da primeira lei da termodinâmica, incluindo o dimensionamento dos tanques de estocagem térmica, e depois através da segunda lei da termodinâmica. Todos esses modelamentos numéricos foram desenvolvidos através da plataforma EES (Engineering Equation Solver).
O capítulo 5, tomando como base o modelamento desenvolvido no capítulo 4, apresenta a aplicação da exergoeconomia ao sistema ORC-C, através do método SPECO. Primeiramente são realizadas análises preliminares, necessárias ao desenvolvimento do código computacional, que giram em torno do custo de aquisição dos equipamentos, do Fator de Recuperação de Capital, do fator de manutenção e alguns dados de entrada tais como a tarifa atual vigente da energia elétrica e outras considerações com respeito ao custo da fonte térmica e ao custo do sumidouro. Em seguida é feita a aplicação do balanço de custo para
cada equipamento, destacando o combustível e o produto para cada um, assim como também a definição das equações auxiliares através dos princípios P e F.
O capítulo 6 apresenta os resultados paramétricos do sistema CCP tanto do ponto de vista termodinâmico quanto econômico. Na parte termodinâmica é apresentado o comportamento de parâmetros-chave (como a potência líquida, a eficiência energética e a eficiência exergética) em função de importantes variáveis como a relação de pressão e a temperatura de condensação. Na parte exergoeconômica, o principal parâmetro analisado foi a taxa total de custo dos produtos do sistema, cujo comportamento foi verificado mediante a variação de diversas variáveis do sistema.
O capítulo 7 apresenta as principais conclusões desta dissertação e sugestões para trabalhos futuros a serem desenvolvidos nessa linha de pesquisa.
CAPÍTULO II
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 INTRODUÇÃO
A geração de potência, de forma estacionária, conta com duas principais modalidades de ciclos termodinâmicos: os ciclos abertos a gás e os ciclos a vapor. A aplicação do primeiro é justificada quando existe a disponibilidade de gás natural a baixo custo. Os ciclos a vapor se constituem como a aplicação mais ideal quando o tipo de fonte energética exige um sistema de ciclo fechado, frequentemente combinado com uma turbina a gás. As limitações desses tipos de sistemas começam quando a fonte energética só é capaz de fornecer calor a temperaturas de, no máximo, 400 ºC. Abaixo desse limite, as soluções tecnológicas disponíveis, nos ciclos termodinâmicos referidos acima, passam a ser inviáveis técnica e economicamente para a geração de potência. Com isso, o chamado ciclo Rankine orgânico (do inglês, Organic Rankine Cycle – ORC), se torna a tecnologia primária, de conversão de energia, mais adequada (BRACCO et al. 2016).
O correto dimensionamento de um ciclo Rankine orgânico depende de diversos fatores, tais como a integração ou não a outros sistemas, o tipo de sistema ao qual irá se integrar e o tipo de fonte de temperatura que irá alimentá-lo. Este capítulo apresenta um apanhado histórico dos sistemas ORC, as principais diferenças entre estes e o ciclo Rankine convencional (CRC), assim como também, uma revisão bibliográfica desses sistemas, apresentando os principais tipos de dispositivos de expansão utilizados. Também é apresentada uma revisão a respeito dos tipos de fluidos de trabalho utilizados, das fontes de energia utilizadas nos sistemas ORC e uma seção apresentando alguns dos principais Chillers de absorção disponíveis no mercado, assim como também a seleção Chiller que será usado como referência neste trabalho.
2.2 CICLO RANKINE ORGÂNICO (ORC)
2.2.1 Histórico
A hypothetical theory is necessary, as a preliminary step, to reduce the expression of the phenomena to simplicity and order before it is possible to make any progress in framing an abstractive theory.
Uma teoria hipotética é necessária, como passo preliminar, para reduzir a expressão dos fenômenos à simplicidade e à ordem antes que seja possível progredir na elaboração de uma teoria abstrativa.
(William John Macquorn Rankine) Professor Real (nomeado pela coroa britânica) nas áreas da Engenharia Civil e Mecânica, da Universidade de Glasgow, na Escócia, William John Macquorn Rankine (1820-1872) foi descrito como “o pai da ciência da engenharia neste país”. Ele dirigiu várias pesquisas pioneiras em áreas como engenharia ferroviária, física molecular e termodinâmica. Segundo o website da referida universidade, foi em pesquisas no campo da termodinâmica que, em 1859, ele descreveu o ciclo Rankine, uma ferramenta de extrema importância para a geração de potência, e que vem sendo utilizada em todo o mundo desde então. Assim como o ciclo descrito por Rankine, o ciclo Rankine orgânico, ou “sistema ORC” como será chamado neste trabalho, funciona da seguinte forma. Vapor superaquecido a alta pressão, do fluido orgânico, entra no dispositivo de expansão e realiza o trabalho desejado. Após sair do expansor, o fluido orgânico, a baixa pressão, passa através do condensador, para que o calor do ciclo seja removido, e segue para a bomba. Nela o fluido receberá a energia de pressão para ser enviado de volta para o gerador de vapor, para receber o calor da fonte térmica e ser enviado novamente para a entrada do expansor (Figura 2-1).
A grande diferença entre o CRC (que usa água como fluido de trabalho) e o sistema ORC é o fluido de trabalho, pois este utiliza os chamados fluidos orgânicos que tem como principal característica a baixa temperatura de evaporação. Apesar de ser um conceito com “ar” de moderno, pelo fato de ser aplicável a sistemas de energias renováveis, a consideração do uso de outros fluidos de trabalho, além da água, não é um conceito moderno.
Figura 2-1 Diagrama esquemático de um ciclo Rankine.
Existe uma divergência, entre alguns autores, sobre quando teria iniciado o desenvolvimento dos sistemas ORC, propriamente ditos. O fato de não haver uma data específica alimenta especulações sobre quando tal fato teria começado. O fato é que, o histórico do desenvolvimento dos sistemas ORC se entrelaça com o desenvolvimento dos ciclos Rankine convencionais (BRACCO et al. 2016). Por volta dos séculos XVIII e XIX, as pesquisas envolvendo diferentes máquinas térmicas já consideravam a troca da água por outros tipos de fluidos de trabalho (LI, 2016).
No final do século XVIII, o clérigo e inventor inglês Edward Cartwright desenvolveu uma máquina a vapor que oferecia a possibilidade do uso do álcool como fluido de trabalho (TILLOCH, 1798). Em um livro publicado em 1830 (GALLOWAY e HEBERT, 1834), os autores descrevem várias máquinas a vapor projetadas para o uso não só da água, mas também do éter, álcool, óleos, dióxido de carbono e ar. Por exemplo, a máquina a vapor projetada por Thomas Howard (Figura 2-2) em Londres, 1826. O objetivo de Howard foi criar uma máquina que operasse com álcool ou éter e que produzisse mais potência que uma máquina operando com vapor de água e sob temperaturas da mesma ordem. Segundo a mesma fonte, para a mesma força produzida pela máquina, as temperaturas máximas necessárias para o éter, álcool e água foram, respectivamente, 100, 175 e 212 ºC. No entanto, um dos maiores problemas do sistema foram os vazamentos, fato que era crítico para o álcool e para o éter.
Em 1870, o inventor americano Emile Lamm patenteou um motor a vapor que funcionava com uma solução de amônia e água como fluido de trabalho. Instalado em vagões de bondes, para transporte urbano, o custo de operação dos vagões, sendo tracionados pelo motor, correspondia a aproximadamente 60% do custo dos mesmos vagões sendo tracionados por animais (ASME - REGIONAL TRANSIT AUTHORITY, 1835).
Figura 2-2 Diagrama esquemático da máquina a vapor de Howard.
Fonte: (GALLOWAY e HEBERT, 1834)
Então, ao longo da história, vários inventores e engenheiros analisaram o uso de fluidos alternativos no intuito de buscar melhorias para o funcionamento de suas máquinas. No caso dos sistemas ORC, o objetivo é conseguir aproveitar fontes de energia, de baixa e média temperaturas, que os ciclos Rankine convencionais não são capazes de aproveitar. A concretização desse objetivo trás, no mínimo, duas excelentes consequências: a redução dos custos de operação e a preservação do meio ambiente.
2.2.2 Ciclo Rankine orgânico (ORC) vs ciclo Rankine convencional (CRC)
Como mencionado na seção anterior, o grande diferencial do sistema ORC, em relação ao CRC, é o fato de permitir o aproveitamento de fontes térmicas de baixa e média temperaturas. A Figura 2-3 proporciona uma visão geral de algumas das aplicações do sistema ORC, de acordo com a temperatura da fonte térmica e com a capacidade requerida. Como pode ser observado, existe um limite de temperatura para que a estabilidade térmica do fluido seja mantida. Esse limite está ligado à temperatura crítica do fluido. Se o fluido é submetido a temperaturas maiores que sua temperatura crítica, ele pode entrar em um processo de decomposição, o que seria irreversível. Essa decomposição envolve a quebra da molécula base do fluido e a consequente formação de moléculas residuais e fragmentos sólidos. Isso acarreta problemas tais como danificação das partes móveis da turbina e variação das propriedades térmicas do fluido (BRACCO et al. 2016). Segundo os mesmos
autores, outro fato importante é que, para temperaturas abaixo de 400 ºC os sistemas ORC passam a ter maior atratividade econômica em relação aos sistemas de geração de potência convencionais (como o CRC e as turbinas a gás).
Figura 2-3 Diagrama representativo de aplicações do sistema ORC de acordo com a temperatura da fonte de calor e com a capacidade requerida.
Fonte: (BRACCO et al. 2016)
Mas, segundo LI (2015), as principais vantagens do sistema ORC sobre o CRC podem ser concentradas em três: equipamentos mais simples, fluidos de trabalho com comportamento termodinâmico adequado para baixas temperaturas e boa resposta para baixas temperaturas ambiente. Essas vantagens serão explicadas detalhadamente a seguir.
Para entender porque o sistema ORC pode ser composto por equipamentos mais simples que os equipamentos do CRC é preciso analisar o fluido de trabalho a nível molecular. A intensidade da força, com a qual as moléculas de qualquer substância interagem, é denominada de força intermolecular (USBERCO e SALVADOR, 2002). Essas forças intermoleculares são diretamente proporcionais à temperatura de evaporação dessas substâncias, ou seja, quanto mais fortes forem essas interações entre as moléculas, mais alta será a temperatura de evaporação. A chamada “ponte de hidrogênio” é o tipo de força intermolecular mais intensa (mais comum na ligação entre um átomo de hidrogênio e um de flúor, oxigênio ou nitrogênio), e é justamente esse tipo de interação intermolecular que está presente na água.
Tabela 2-1 Calor latente para a água e para alguns fluidos orgânicos.
Temperatura (ºC) Calor latente [kJ/kg]
Água R245fa R123 Pentano
80 2308,0 152,5 145,5 318,1 100 2256,4 134,5 134,0 296,4 120 2202,1 111,8 120,5 271,1 140 2144,3 78,8 104,0 240,8 160 2082,0 – 81,9 202,2 180 2014,2 – 40,6 147,0
Nota: – Estado supercrítico Fonte: Adaptado de LI (2015)
Tabela 2-2 Razão da pressão de saturação, a dada temperatura, em relação àquela à 30 ºC, para a água e alguns fluidos orgânicos.
Temperatura (ºC)
Razão de pressão [-]
Água R245fa R123 Pentano
80 11,2 4,4 4,5 4,5 100 23,9 7,1 7,2 7,2 120 46,8 10,8 10,9 11,1 140 85,1 15,9 16,0 16,2 160 145,6 – 22,7 23,0 180 236,1 – 31,5 31,8
Nota: Pressões de saturação a 30 ºC → água = 4,2; R245fa = 177,8; R123 = 109,6 e Pentano
= 82,0 kPa. Fonte: Adaptado de LI (2015)
Por outro lado, a maioria dos fluidos orgânicos, como por exemplo, tolueno, n-octano, pentano, R245fa, R123, R134a, dentre outros, possuem as forças intermoleculares mais fracas. Por isso, os fluidos orgânicos possuem a temperatura de evaporação bem mais baixa que a da água, o que leva a inferir que a quantidade de energia necessária para ativar um sistema ORC é bem mais baixa que no CRC (Tabela 2-1). Além disso, a razão de pressão também é menor para os fluidos orgânicos, em comparação com a água (Tabela 2-2). Portanto, por exigirem menor quantidade de energia e relações de pressão mais baixas, os sistemas ORC podem ser constituídos por equipamentos mais simples que os equipamentos de um CRC, reduzindo, dessa forma, os custos com investimentos em equipamentos.
O comportamento termodinâmico do fluido de trabalho está diretamente relacionado com a classificação do mesmo, de acordo com a inclinação da curva de vapor saturado do diagrama (T-s), ou seja, os fluidos podem ser classificados como isentrópicos, úmidos ou secos (Figura 2-4). Os fluidos isentrópicos não apresentam (idealmente) inclinação na curva de vapor saturado, o que significa que durante o processo de expansão o processo termodinâmico segue paralelamente a curva de vapor saturado. Os fluidos úmidos apresentam a curva de vapor saturado com inclinação negativa, com isso, ao final do processo de expansão, o fluido se encontrará na região de mistura. A curva de vapor saturado dos fluidos secos possui inclinação positiva, o que faz o fluido continuar no estado de vapor superaquecido ao final do processo de expansão (CHEN et. al. 2010; GRONIEWSKY et. al. 2017; LI 2015).
A água é um exemplo de fluido úmido. Neste caso, para que o processo de expansão não termine na região de mistura (o que danificaria a turbina), a água deve passar por um processo de superaquecimento a pressão constante. É o que acontece em um CRC e esse é um dos motivos que fazem com que haja uma grande demanda de energia. Por outro lado, os fluidos orgânicos são típicos exemplos de fluidos secos (Figura 2-5). Por isso, além de possuírem baixa temperatura de evaporação, os fluidos orgânicos não requerem superaquecimento, fatos que fazem com que eles sejam as melhores escolhas para fontes térmicas de baixa e média temperatura.
Figura 2-4 Diagramas esquemáticos das três classificações para fluidos de trabalho: (a) isentrópico, (b) úmido e (c) seco.
