Thermodynamic and economic assessment of cryogenic energy storage (CES) systems operating in cogeneration regime

Abstract

O sistema de armazenamento de energia criogênica (CES) é uma tecnologia emergente que pode melhorar a estabilidade da rede elétrica respondendo aos desequilíbrios na produção e no consumo de energia elétrica e, consequentemente, contribuir para aumentar a participação de fontes de energia renováveis intermitentes conectadas à rede. Além disso, os sistemas CES podem ser integrados à indústria, usinas de energia e setores de serviços, fornecendo capacidade e energia após uma falha do sistema (blackout). No entanto, a eficiência do ciclo CES, sua integração e os modos de operação dos processos de carga e descarga requerem investigações adicionais. Esta pesquisa visa aprimorar o desempenho da tecnologia CES por meio da operação simultânea dos processos de carga e descarga, explorando seu potencial de co-geração e adotando algumas modificações no layout do ciclo para aumentar a produção de energia. Além disso, a tese propõe uma metodologia sistemática para projeto e avaliação de sistemas CES. É demonstrada a superioridade da modificação conceitual referente à simultaneidade dos processos de armazenamento e descarga em relação a tecnologias semelhantes. Para isso, três alternativas principais com diferentes modos de operação são projetadas, simuladas e avaliadas usando critérios termodinâmicos e econômicos. Primeiramente, uma análise termodinâmica e um modelo matemático detalhado baseado em balanços de massa, energia e exergia são desenvolvidos. Além disso, os principais métodos econômicos, como valor presente líquido (VPL), taxa interna de retorno (TIR), período de retorno (PBP), relação benefício-custo (B/C) e custos nivelados são avaliados. Um procedimento de otimização e uma análise de sensibilidade utilizando o software Engineering Equation Solver (EES) são realizados para investigar a influência de alguns parâmetros nos principais índices e indicadores. Com base nas premissas estabelecidas, verifica-se que a operação simultânea dos processos de carga e descarga e a modificação do layout do sistema CES produzem uma redução no consumo de energia durante o processo de armazenamento de 19,9 % e um aumento na produção de energia de 59,6 % durante o processo de descarregamento, levando a uma melhoria significativa da eficiência de ida e volta em comparação com o caso base. Para o calor residual disponível a 600 K, uma pressão da bomba de saída de 20 MPa e uma capacidade do tanque criogênico de 200 t, a eficiência de ciclo completo atinge entre 38,5 e 46,8 %. Os resultados também mostraram que o rendimento líquido específico encontrado é de 0,412 𝑘𝑔𝐿/𝑘𝑔𝑎, resultando em 39,3 % maior do que na investigação anterior em que este estudo se baseia. As análises termodinâmicas e a otimização mostram que a densidade de exergia e o fator de utilização de exergia no regime de descarga são determinados como 133,5 𝑘𝑊ℎ/𝑚3 e 89,2 %, respectivamente. A densidade exergética é comparativamente maior do que a de outras tecnologias, como armazenamento de energia hidroelétrica bombeada (PHES) e armazenamento de energia por ar comprimido (CAES). A análise econômica sugere que o sistema CES de cogeração é altamente competitivo com outras tecnologias de armazenamento. O custo de investimento específico do sistema CES ótimo resultou de 1301,4 a 782,3 $𝑈𝑆/𝑘𝑊 e o período de retorno variou entre 20,9 e 15,2 anos, dependendo da escala do sistema CES. Por fim, o estudo revela que a rentabilidade do sistema CES de cogeração é altamente sensível à temperatura do calor residual, ou seja, quanto maior a temperatura de reaquecimento, maior o valor presente líquido.