Análise exergoeconômica de uma central de concentração solar de coletores cilindro-parabólicos hibridizada com combustível fóssil e sistema fotovoltaico

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2019.A hibridização de centrais de concentração solar (CSP) tem sido estudada por vários pesquisadores como uma alternativa com o objetivo de diminuir os custos dessas centrais e acelerar a penetração de sua tecnologia no mercado. Esses estudos contribuem para assegurar a despachabilidade de energia, fornecendo uma produção firme e constante durante 24 h e 7 dias por semana. Nesse contexto, a proposta desta tese é desenvolver uma metodologia de simulação que permita avaliar o desempenho de centrais de concentração híbridas, bem como a racionalidade na utilização dos diferentes recursos dessas centrais. Adotou-se como referência uma central de concentração com coletores cilíndricos parabólicos (PTC), na qual avalia-se o potencial em hibridizá-la com um sistema fotovoltaico (PV) e combustíveis fósseis. Para tanto, foram realizadas simulações em regime transiente da central de concentração utilizando modelos de simulação quasi-dinâmicos. Esses modelos foram modificados a fim de avaliar o desempenho da central em termos de indicadores econômico, exergético, termoeconômico (exergetic cost), exergoeconômicos (exergy costing) e ambiental. Dois casos distintos são considerados no tocante a localidade e seus níveis de irradiação solar a saber: Crucero/Chile, cujo clima é caracterizado por excelente nível de irradiação; e Bom Jesus da Lapa, uma das melhores localidades do Brasil em termos de irradiação solar, mesmo que apresentando significativa variação devido à frequência de nuvens. Nesse contexto, foram apresentados os efeitos dos principais parâmetros de projeto no desempenho da central, onde buscou-se ilustrar os efeitos da hibridização, tanto em relação ao desempenho, quanto ao dimensionamento da central. Por fim, a central híbrida foi dimensionada através de algoritmos de otimização multiobjetivo, na qual foram identificadas as diferenças mais marcantes ao dimensionar a central, considerando-se objetivos econômicos-energéticos e exergoeconômicos. Na primeira análise foram considerados como objetivos o custo nivelado de energia e o fator de capacidade para a geração de energia em carga de base. Na segunda, adotou-se como objetivos, o custo exergoeconômico unitário dos produtos da central e o fator de capacidade. Para cada caso analisado, foram geradas fronteiras de Pareto com vários dimensionamentos ótimos. As informações obtidas mostram-se úteis para identificar relações de compromisso entre os objetivos considerados, de modo a proporcionar uma zona mais ampla de negociação. As análises nos mostram que o menor custo unitário exergoeconômico (cp) ocorre a um dimensionamento distinto do observado ao minimizar o custo nivelado de energia de base (LCOEbaseload), normalmente com um campo solar com maior múltiplo solar (SM), e com os valores de LCOEbaseload levemente superior. Assim, independentemente do método empregado para o dimensionamento da central, resultados de desempenho similares são obtidos.Abstract: Hybridization of concentrated solar power (CSP) plants has been studied as an alternative to reduce CSP cost and to accelerate the technology penetration in the market. These studies shown that, it is possible to ensure energy dispatchability, providing steady and firm production for 24 h and 7 days a week. In this context, the purpose of this theses is to develop a simulation methodology that allows evaluation of the hybrid CSP plants performance, as well as to rationalize the use of different energy sources. A parabolic trough collector (PTC) concentration plant is chosen as a reference plant, in which the potential to hybridize with photovoltaic system (PV) and fossil fuels is evaluated. For this purpose, transient simulations of the plant are performed by using quasi-dynamic simulation models. These models have been modified to assess the plant's performance in terms of economic, exergetic, exergetic cost, exergy costing and environmental indicators. Two distinct location are considered: Crucero/Chile, characterized by an excellent irradiance level; and Bom Jesus da Lapa, which is one of the best locations in Brazil in terms of solar irradiation, however, with significant irradiance variation due to the presence of clouds. In this context, the effects of the main design parameters on the performance and sizing of the plant are presented, illustrating the effects of different hybridization concepts. Finally, the hybrid plant is sized through multi-objective optimization algorithms, considering different combination of economic-energy and exergoeconomic objective functions. The most relevant differences, when using different objectives are identified respective to the optimal plant size. In a first step, the objective-function of levelized cost of energy and capacity factor for baseload power production are considered. In the second step, the objective-functions are the unit exergy cost and capacity factor. For each case, Pareto fronts with several optimal plant sizing are obtained. This information may be useful to identify the trade-off between the objectives, providing a broader negotiating zone. The analyses show that the lowest unit exergy cost ?cp? occurs at a different size, other than the one obtained by minimizing the levelized cost of baseload energy ?LCOEbaseload?, with a larger solar multiple ?SM?, and slightly higher values of ?LCOEbaseload?. Thus, regardless of the method employed for the plant sizing, similar performance results are obtained