Thermodynamic modelling and simulation of a Pumped Hydro - Compressed Air Energy Storage System (PH-CAES)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Modelagem termodinâmica e simulação de um sistema de armazenamento de energia PH-CAES
Primeiro orientador
Membros da banca
Matheus Pereira Porto
Thales Alexandre Carvalho Maia
Rafael Augusto Magalhães Ferreira
Paulo Vinicius Trevizoli
Jorge Maia Alves
Thales Alexandre Carvalho Maia
Rafael Augusto Magalhães Ferreira
Paulo Vinicius Trevizoli
Jorge Maia Alves
Resumo
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.
Abstract
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.
Assunto
Engenharia mecânica, Energia - Armazenamento, Métodos de simulação, Modelagem matemática
Palavras-chave
CAES, PH-CAES, Sistemas de armazenamento de energia, Modelagem matemática, Simulação