Modelagem termodinâmica de uma planta fresnel com geração direta de vapor e armazenamento de energia térmica

Abstract

O emprego de fontes de caráter renovável para a geração de energia no mundo tem apresentado um notável crescimento nos últimos anos. Nesse cenário, a tecnologia de concentração de energia solar (CSP, do inglês Concentrating Solar Power) é considerada uma alternativa promissora para a produção de energia limpa em larga escala nas próximas décadas. No Brasil, a geração termossolar ainda é incipiente, embora alguns estudos indiquem a viabilidade de aplicação dessa tecnologia no país. A proposta deste trabalho é desenvolver o modelo de uma planta CSP do tipo Fresnel e avaliar o potencial de geração elétrica dessa planta para a região do semiárido nordestino, onde os índices de irradiação normal direta superam o valor de 2000 kWh/m²/ano. Para realizar as simulações foi empregado o software Ebsilon Professional®, por meio do qual foi desenvolvido o modelo da planta utilizando-se os dados de um ano meteorológico típico (TMY) da cidade de Bom Jesus da Lapa/BA, localizada na bacia do rio São Francisco. A planta modelada é constituída, basicamente, de três subsistemas: (a) campo solar, onde vapor é gerado diretamente a 550 °C e 107 bar; (b) sistema de armazenamento de energia térmica e (c) ciclo Rankine, cuja potência bruta é igual a 30 MWe. A partir da simulação anual da planta foram obtidos os perfis de geração elétrica, fator de capacidade e eficiência solar-elétrica ao longo do ano. Os resultados mostraram uma distribuição razoavelmente uniforme da produção anual de energia da planta, embora a geração seja maior durante o período seco (abril a setembro) do que durante o período úmido (outubro a março). O oposto ocorre em relação ao armazenamento de energia térmica: durante a estação úmida a quantidade de energia armazenada é maior do que durante a estação seca. Os valores de eficiência solar-elétrica obtidos indicam que a geração direta de vapor e o armazenamento de energia térmica podem ser fatores importantes para o crescimento da competitividade da tecnologia Fresnel no mercado nos próximos anos.

Abstract : In recent years, the use of renewable sources of energy has shown a remarkable growth. In this scenario, concentrating solar power (CSP) is considered a promising alternative for large-scale clean energy production in the coming decades. In Brazil, the CSP market is still incipient, although some studies indicate the feasibility of incorporating this technology in the country. The purpose of this study is to develop the model of a linear Fresnel CSP plant and to evaluate the electricity generation potential of this plant for the semi-arid region of the Northeast of Brazil, where direct normal irradiation (DNI) exceeds 2000 kWh/m²/year. In order to carry out the simulations, the Ebsilon Professional® software was used, through which the model of the plant was developed using data from a typical meteorological year (TMY) of the city of Bom Jesus da Lapa/BA, located in the São Francisco river basin. The modeled plant consists basically of three subsystems: (a) solar field, where steam is directly generated at 550 °C and 107 bar; (b) thermal energy storage system and (c) Rankine cycle, whose design gross output is equal to 30 MWe. From the annual simulation of the plant, the profiles of electricity generation, capacity factor and solar-electric efficiency throughout the year were obtained. The results showed a fairly even distribution of the plant's annual energy output, although the generation is larger during the dry period (April to September) than during the wet period (October to March). The opposite occurs in relation to thermal energy storage: during the wet season the amount of energy stored is higher than during the dry season. The solar-electric efficiency values obtained indicate that the direct steam generation and the thermal energy storage can be important factors for the growth of Fresnel technology competitiveness in the market in the coming years.