Thermodynamic evaluation of a Compressed Air Energy System (CAES) against an open cycle gas turbine

O presente trabalho tem por objetivo investigar as vantagens da utilização de um sistema de armazenamento de energia por ar comprido na remediação da intermitência das fontes renováveis em contraponto à geração com uma turbina a gás alimentada com gás natural operando em ciclo aberto, ambos em regime permanente. Um modelo termodinâmico é desenvolvido para simular um Sistema de Acumulação de Energia por Ar Comprimido (CAES em inglês), composto por grupos separados de compressores de ar e de turbinas de expansão com combustão de gás natural, além da caverna para estocagem do ar comprimido. Os resultados são validados frente aos dados da unidade de Huntorf, na Alemanha, com desvios de 1,37 % para 59,18 MWel do compressor e 0,57% para 319,16 MWel da turbina. A simulação do turbo gerador segue o mesmo equacionamento e condições de operação do CAES, porém operando sem acumulação. Os parâmetros comparados são as potências desenvolvidas, as energias totais envolvidas, o consumo de combustível, as emissões de gás carbônico e as eficiências de cada sistema, sempre em relação a um período de carga e descarga do CAES. Verifica-se que o sistema CAES requer uma potência de compressão de 57,99 MWm e uma potência de expansão de 325,67 MWm, enquanto que o sistema de turbina a gás requer 461,56 MWm de potência de compressão e 787,23 MWm de expansão para geração de 319,16 MWel em ambos os sistemas É observado que para cada 1 MWhel produzidos, o sistema CAES utiliza 0,742 MWhel e 1,406 MWht emitindo 277,70 kgCO2/MWhel, ao passo que o sistema de turbina a gás utiliza 3,279 MWht e emite 647,67 kgCO2/MWhel para produzir a mesma quantidade de energia elétrica. É observado que o sistema CAES consome 8,976 kg/s de combustível com uma eficiência de 46,56 %, e o sistema de turbo gerador consome 20,931 kg/s do mesmo combustível com uma eficiência de 31,12 %. O estudo proposto tornou possível verificar que o sistema de armazenamento trabalha com volumes menores de energia, requer menos potência de suas turbomáquinas e apresenta um consumo de combustível reduzido do que um sistema termoelétrico convencional baseado em turbina a gás de ciclo aberto para produzir a mesma quantidade de energia elétrica. Assim, tecnicamente, um sistema de acumulação de energia por ar comprimido é capaz de suprir as intermitências observadas na geração por meio de fontes renováveis causando menos impactos ao meio ambiente e exigindo maquinário menor do que se utilizando sistemas baseados em turbina a gás de ciclo aberto.The objective of this work is to demonstrate the advantages of using a compressed air energy storage system to remediate intermittent renewable sources in counterpoint to the generation with a gas turbine fueled with natural gas operating in open cycle, both in permanent regime. A thermodynamic model is developed to simulate a Compressed Air Energy System (CAES), composed of separated groups of air compressors and expansion turbines with natural gas combustion, in addition to the compressed air storage cavern. The results are validated against data from the Huntorf plant in Germany, with absolute deviations of 1.37 % for 59.18 MWel from the compressor and 0.57 % for 319.16 MWel from the turbine. The simulation of the turbo generator follows the same equation and conditions of operation of the CAES, but operating without accumulation. The parameters compared are the developed powers, the total energies involved, the fuel consumption, the carbon emissions and the efficiencies of each system, always in relation to a loading and unloading period of the CAES. It is verified that the CAES system requires a compression power of 57.99 MWm and an expansion power of 325.67 MWm, while the gas turbine system requires 461.56 MWm of compression power and 787.23 MWm of expansion for generation of 319.16 MWel in both systems It is observed that for each 1 MWhel produced, the CAES system uses 0.742 MWhel and 1.406 MWhth emitting 277,70 kgCO2/MWhel, while the gas turbine system uses 3,279 MWhth and emits 647,67 kgCO2/MWhel to produce the same amount of electric energy. It is observed that the CAES system consumes 8.976 kg/s of fuel with an efficiency of 46.56 %, and the turbo generator system consumes 20.931 kg/s of the same fuel with an efficiency of 31.12 %. The proposed study allowed to verify that the storage system operates at lower energy volumes, requires less power from its turbomachinery and presents a reduced fuel consumption than a conventional thermoelectric system available in an open-cycle gas turbine to produce the same quantity of electricity. Thus, technically, a compressed air energy storage system can supply the intermittency in generation through renewable sources causing less impact to the environment and requiring smaller machinery than using open cycle gas turbine based systems