Thermodynamic and cost analysis of Organic Rankine Energy Storage (ORES) systems

Abstract

Este trabalho avaliou o potencial uso de fluidos orgânicos como meio de armazenamento de energia e propõe um sistema de armazenamento de energia, chamado de Armazenamento de Energia Rankine Orgânico (ORES) como alternativa aos sistemas LAES (Armazenamento de Energia por Ar Liquido) e CAES (Armazenamento de Energia por Ar Comprimido). CAES e LAES são duas das principais alternativas para armazenamento de energia de longo prazo. No entanto, CAES requer equipamentos e componentes robustos para lidar com as elevadas pressões e também apresenta baixa densidade de energia, enquanto o LAES requer ciclos de liquefação de ar, o que impõe sérias restrições à eficiência e maior custo. O objetivo do sistema ORES é incorporar algumas das vantagens enquanto mitiga as desvantagens de ambos os sistemas CAES e LAES. Este estudo focou, inicialmente, na avaliação do potencial dos fluidos orgânicos como meios de armazenamento de energia em termos de densidade de exergia e do custo do sistema de armazenamento (tanque e fluido). Antes de avaliar o sistema de armazenamento, um conjunto de cinco fluidos orgânicos foram selecionados com base na maturidade técnica, segurança e fatores ambientais, R-152a, R-134a, R-142b, R-365mfc e R-141b. A avaliação do potencial de fluidos orgânicos como meio de armazenamento de energia mostrou que todos os fluidos avaliados atingiram densidade de exergia superior à do ar comprimido. A máxima densidade de exergia para os fluidos orgânicos variou de 8 a 15 kWh 𝑚−3 para pressões de até 4,200 kPa enquanto a máxima densidade de exergia para o ar comprimido é 6,5 kWh 𝑚−3 e para o ar líquido 180 kWh 𝑚−3. O custo do sistema de armazenamento (tanque e fluido) para os fluidos orgânicos foi cerca de 33% menor quando comparados ao ar comprimido em condições operacionais comuns de sistemas CAES (8.000 kPa). O custo por unidade de exergia foi, então, calculado, sendo obtidos os menores valores para R-152a, R-134a e R-142b. Enquanto o custo por unidade de exergia mínimo para o ar comprimido variaram de 3.000 a 5.000 $ kWh−1, o custo para R-152a, R-134a e R-142b variou de 1.000 a 2.000 $ kWh−1 para volumes de armazenamento de 2 e 10 m3, respectivamente. Na segunda parte deste estudo um novo sistema de armazenamento de energia baseado do ORC (Ciclo Rankine Orgânico) é proposto. O sistema ORES proposto foi avaliado considerando uma análise em regime quase-permanente e uma análise transiente para os mesmos fluidos avaliados na análise do potencial dos fluidos orgânicos. A análise quase-permanente foi usada para avaliar os efeitos da pressão no HPT (tanque de alta pressão) e o grau de superaquecimento na eficiência de ciclo e a análise transiente foi usada para avaliar os efeitos do volume dos tanques de alta e baixa pressão, na eficiência, densidade energia e CAPEX do sistema. A eficiência de ciclo do sistema ORES obtida foi relativamente alta sob ambas a análise quasi-permanente e transiente, alcançando 74% e 73%, respectivamente, valores similares aos alcançados pelos sistemas CAES e LAES. No entanto, a densidade de energia do sistema ORES foi inferior ao do CAES, alcançando 2,29 kWh m−3 para o R-365mfc. Este estudo demonstrou que os fluidos orgânicos têm o potencial de se apresentar como alternativa aos sistemas CAES e LAES para armazenamento de energia em média escala e longa duração ambos em termos de eficiência e custo. Acredita-se que o sistema proposto pode ser aprimorado e, potencialmente, superar a densidade de energia do sistema CAES e ter seu CAPEX reduzido.