Estudo da dinâmica de um ciclo de potência Brayton Solar com sCO2 e otimização do seu armazenamento térmico

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2021.É inegável que o consumo de energia elétrica vem aumentando continuamente nos últimos anos, tornando cada vez mais necessário o aumento de sua geração. Atualmente, fontes fósseis de energia são ainda as mais utilizadas no mundo. Além de causarem danos ao meio ambiente, contribuindo com o aquecimento global, elas são também recursos finitos. Tais fatores são apenas alguns dos quais justificam o grande interesse por aumentar a parcela de fontes renováveis na matriz energética global. Dentre elas, a energia solar vem recebendo atenção tanto com dispositivos fotovoltaicos, quanto com plantas termosso- lares. Focando-se estas, o ciclo de potência Brayton com recompressão utilizando CO2 supercrítico como fluido de trabalho apresenta-se como alternativa de destaque. Adici- onalmente, as variabilidade e intermitência naturais da energia solar podem dificultar a operação das plantas. Assim, duas alterativas para suprimir tais efeitos são armazena- mento de energia térmica e aquecimento auxiliar. Para melhor entender a dinâmica do ciclo para uma geração de potência de 10MW, foram utilizados dados meteorológicos re- ais e simulações numéricas transientes. Duas configurações de plantas foram propostas, i.e., sem e com controle de inventário da massa de fluido no sistema. Na primeira, houve grandes variações de propriedade termofísicas do fluido, levando a quedas expressivas de eficiência do sistema; já a segunda mostrou-se mais estável. O efeito do tamanho dos campos de armazenadores térmicos e coletores solares sobre a dinâmica do sistema tam- bém foi investigado. Com controle preditivo, otimizou-se o sistema de armazenamento térmico, minimizando o aquecimento auxiliar. No entanto, os resultados demonstraram pouca efetividade desta estratégia. Por fim, análises estatísticas com dados meteorológi- cos reais de 9 dias dentre os anos de 2017 e 2018 para a cidade de Florianópolis foram utilizadas a fim de se determinar o tamanho ótimo do campo de armazenadores. Os re- sultados mostraram, em função das condições diárias, as configurações de operação que minimizam o uso de aquecimento auxiliar, sendo obtidos bons resultados, com reduções superiores a 10%.Abstract: It?s undeniable that eletricty consumption has been increasing in the past few years, mak- ing it necessary to increase its generation. Currently, fuel fossil is the most used energy source. Besides the enviroment damage that it can cause, it is a finite resource. Such factors are just some of which justify the great interest in increasing the share of renew- able sources in the global energy matrix. Among them, solar energy has been receiving attention both with photovoltaic devices and with thermosolar power plants. Focusing on these, the Brayton power cycle with recompression using supercritical CO2 as the work- ing fluid is presented as a prominent alternative. Additionally, the natural variability and intermittence of solar energy can make it difficult for plants to operate. Thus, two alternatives to suppress such effects are thermal energy storage and auxiliary heating. To better understand the dynamics of the cycle for a power output of 10MW, real meteo- rological data and transient numerical simulations were used. Two plant configurations have been proposed, i.e., without and with inventory control of the fluid mass in the system. In the first, there were large variations in the fluid?s thermophysical properties, leading to significant drops in the system?s efficiency; the second was more stable. The effect of the size of thermal storage and solar collectors fields on the dynamics of the system was also investigated. With predictive control, the thermal storage system was optimized, minimizing auxiliary heating. However, the results showed little effectiveness of this strategy. Finally, statistical analyzes with real meteorological data of 9 days be- tween the years 2017 and 2018 for Florianópolis city were used in order to determine the optimal size of the storage field. The results showed, depending on the daily conditions, the operating settings that minimize the use of auxiliary heating, with good results being obtained, with reductions greater than 10%