Análise termodinâmica de um sistema de cogeração híbrido solar/biomassa

Abstract

A crescente demanda por sistemas energéticos mais eficientes e sustentáveis tem impulsionado o desenvolvimento de plantas de cogeração híbridas, nas quais a integração entre energia solar concentrada e biomassa surge como alternativa promissora para a redução do consumo de combustível e aumento da eficiência global. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo modelar e analisar energeticamente uma planta híbrida solar–biomassa sem armazenamento térmico, avaliando o desempenho do campo solar, o comportamento térmico do receptor e sua integração com uma caldeira a biomassa sob diferentes condições de irradiação solar. Para isso, desenvolveu-se um modelo termoenergético quasi-estático e parametrizável, implementado em linguagem Python, capaz de representar as principais resistências térmicas do receptor e incorporar propriedades termofísicas dependentes da temperatura. A simulação anual foi realizada com base em dados meteorológicos reais, considerando operação em regime estacionário e demanda térmica constante, permitindo quantificar a influência da variabilidade solar sobre a carga da caldeira. Os resultados indicaram convergência adequada do modelo para valores coerentes com a literatura e evidenciaram que a integração do campo solar possibilita uma economia anual de biomassa da ordem de 17,4\%, concentrada nos períodos de maior disponibilidade de irradiação solar. Adicionalmente, analisou-se o impacto do dimensionamento do campo solar em um cenário sem armazenamento térmico, mostrando que a ampliação além de certo limite não reduz significativamente a carga da caldeira e gera desperdício de energia. Evidenciando que a inclusão de sistemas de armazenamento é, portanto, estratégica para maximizar a fração solar e manter a estabilidade operacional.

The growing demand for more efficient and sustainable energy systems has driven the development of hybrid cogeneration plants, in which the integration of concentrated solar power and biomass emerges as a promising alternative to reduce fuel consumption and increase overall efficiency. In this context, this work aims to model and perform an energy analysis of a solar–biomass hybrid plant without thermal storage, evaluating the performance of the solar field, the thermal behavior of the receiver, and its integration with a biomass-fired boiler under different solar irradiation conditions. For this purpose, a quasi-static and parameterizable thermoenergetic model was developed and implemented in Python, capable of representing the main thermal resistances of the receiver and incorporating temperature-dependent thermophysical properties. An annual simulation was carried out using real meteorological data, assuming steady-state operation and constant thermal demand, which allowed the influence of solar variability on the boiler thermal load to be quantified. The results showed good convergence of the model and consistency with values reported in the literature, and demonstrated that the integration of the solar field enables an annual biomass saving of approximately 17.4\%, mainly during periods of higher solar irradiation availability. Additionally, the impact of solar field sizing was analyzed in a scenario without thermal storage, showing that expansion beyond a certain limit does not significantly reduce boiler load and leads to energy waste. The inclusion of storage systems is therefore strategic to maximize the solar fraction and maintain operational stability.