Modelagem termodinâmica e simulação de um sistema de armazenamento de energia PH-CAES

O papel fundamental que a eletricidade desempenha na atual sociedade não pode ser subestimado. A atual tendência mundial de crescimento de consumo energético, aliado à redução na utilização de combustíveis fósseis rumo a uma matriz energética sustentável incorrerá em profundas mudanças, não apenas no mercado de energia, mas bem como na sociedade em si. Nesse documento, propõe-se um Sistema de Armazenamento de Energia em que se substitui compressores e turbinas a ar, utilizados em sistemas CAES convencionais, por bombas e turbinas hidráulicas, chamado Pumped Hydraulic Compressed Air Energy Storage (PH-CAES). A compressão direta do ar, como é feito em CAES, demanda uma grande quantidade de energia, e o gás confinado a uma pequena câmara de compressão, é submetido à rápida pressurização. Dessa maneira, o aumento de pressão é acompanhado por aquecimento substancial, levando à necessidade de materiais e métodos especiais para manipular a massa gasosa a altas temperaturas. Ao invés de comprimir o ar diretamente, no sistema proposto água é bombeada para um reservatório fechado, e assim, por meio da redução do volume disponível, pressuriza o ar armazenado. Dessa maneira, além da simplicidade construtiva e operacional, a amplitude térmica e potência requerida para operação são reduzidos, e o sistema opera como um híbrido de PHES (durante carregamento e descarregamento) e CAES (meio de armazenamento). A partir de uma extensa revisão bibliográfica, os principais tipos de ESS e suas aplicações no mercado energético foram descritos. Em seguida, a operação do sistema proposto foi descrita, e seu funcionamento modelado a partir de conceitos fundamentais das Leis da Termodinâmica, mecânica dos fluidos e transferência de calor. Esse modelo matemático foi então aplicado, por meio de simulação em Matlab, em um sistema de pequena escala. Essa simulação se deu sob diferentes aspectos operacionais, de modo a compreender o comportamento do sistema em diversos cenários. Os resultados das simulações indicaram que o sistema possuía rápida resposta, sendo capaz de produzir energia de maneira estável. Além disso, a proposição de redução de consumo e diminuição da amplitude térmica foram comprovados. Dessa maneira, uma eficiência global de 45% foi atingida, o que considerando a reduzida escala e simplicidade do proposto, é considerada promissora. Para comprovar tal constatação, esse valor foi comparado com diversas referências sobre CAES disponíveis na literatura. O valor encontrado de eficiência é comparável a sistemas maiores, mais complexos e que em muitos casos dependem de uma fonte externa de energia térmica, ou combustão para atingir valores aceitáveis de eficiência, o que comprova, de maneira definitiva, a competitividade técnica do sistema proposto.The fundamental role of electricity in modern society cannot be overstated. In a ever increasing energy consumption world, shifting from fossil fuels towards a more renewable generation system will incur in deep changes, not only in the electric system, but also on society itself. In this rapidly changing scenario, Energy Storage Systems (ESS) are seen as a powerful ally to assist the transition. In this research, a novel ESS named Pumped Hydraulic Compressed Air Energy Storage proposes replacing the air the compressor and turbine, utilized in conventional CAES system by hydraulic pumps and turbines. Directly compressing the air, as is done in CAES is a energy demanding process, in which the gas is confined to a small chamber and undergoes a rapid transformation. As a result, its temperature increases considerably, which in turn, require special materials and methods to be handled. Instead of, a hydraulic pump pushed water into a closed tank, slowly and indirectly compressing the air inside. This way, a great deal of simplicity is achieved, temperature increase and power requirement are diminished and the system operates as a hybrid between PHES (charging and discharging) and CAES (storage medium). An extensive literature review is performed, aiming to describe and explain the possible types and applications ESS on the energy generation and distribution market. Following, the new system operating sequence is completely described and modelled under the scope of the Laws of Thermodynamics, fluid mechanics and heat transfer concepts. The proposed methodology is then applied to a laboratory scale simulation, performed in Matlab. Several operating scenarios were simulated, in order to assess the system performance over a wide range of conditions. The results found proved that the new system is able to quickly respond, generating a stable power output. Also, replacing the compressor by hydraulic pumps, and indirectly compressing the air with water results in a considerable decrease in power consumption. This way, a round trip efficiency figure of 45% is achieved, and considering the proposed system size and simplicity, it is considered a promising. To test this, the system efficiency is compared to several CAES literature references, and its value is comparable to larger, more complex and potentially expensive systems, which usually depend on multiple heat exchangers, burning fuel or an external