Análise de um sistema de produção de energia elétrica a partir de energia solar usando CSP e ORC de microescala

Abstract

As alterações climáticas que o mundo tem sentido têm sido alvo de grande alarme e preocupação. Várias são as metas a atingir para que se evitem danos irreversíveis no meio ambiente, que interfiram com a sua estabilidade. A necessidade de diminuição das emissões, principalmente através da descontinuação da utilização dos combustíveis fósseis como fonte de energia para produção de eletricidade, revela-se fulcral, tanto que Portugal estabeleceu como objetivo atingir a neutralidade carbónica em 2050. Para tal é necessário garantir uma transição energética 100% renovável que assegure a despachabilidade, flexibilidade, segurança e fiabilidade da rede de distribuição elétrica.O principal objetivo da presente dissertação é avaliar o potencial de utilização da energia solar através da tecnologia Concentrated Solar Power (CSP) de pequena escala que possibilite diversificar as aplicações do Organic Rankine Cycle (ORC) presente no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM), já especificado em trabalhos anteriores.Com vista no objetivo acima descrito, foi utilizado o System Advisor Model (SAM), uma das principais ferramentas de avaliação de projetos de energias renováveis, para estudo de um sistema CSP de pequena escala e análise paramétrica. O sistema CSP implementado tem uma potência instalada de 50kWe com 6 horas de armazenamento e apresentou uma produção de145529 kWh no primeiro ano de funcionamento, com um custo de investimento total de $559416,15 e um Levelized Cost of Electricity (LCOE) de $0,3009/kWh. Posteriormente foram feitas análises paramétricas de alguns parâmetros, com o objetivo de otimizar o sistema e visualizar a influência que os mesmos têm na sua performance.Da análise dos resultados obtidos pode-se constatar o efeito das economias de escala refletidas no valor do LCOE, sendo que o mesmo vai de encontro aos valores expectáveis da redução de escala do sistema.Ficou ainda demonstrada a grande influência que as políticas governamentais, tais como incentivos e modelos de tarifas de eletricidade, a evolução dos preços de mercado e a saturação da rede de distribuição por tecnologias não-despacháveis podem ter no crescimento e desenvolvimento da tecnologia CSP, dado que a mesma, apesar de mais cara, poderá ser uma peça fundamental no processo de transição energética, tal como se prevê.

The climate change that the world has been experiencing has been the subject of great alarm and concern. There are several goals to be achieved to avoid irreversible damages to the environment that interfere with its stability. The need to reduce emissions, mainly through the discontinuation of the use of fossil fuels as a source of energy to produce electricity, is crucial, so much so that Portugal has set itself the objective of achieving carbon neutrality in 2050. To this end, it is necessary to guarantee a 100% renewable energy transition that ensures dispatchability, flexibility, safety, and reliability of the electrical distribution grid.The main objective of this dissertation is to evaluate the potential of using solar energy through the small-scale Concentrated Solar Power (CSP) technology that makes it possible to diversify the applications of the Organic Rankine Cycle (ORC) present in the Department of Mechanical Engineering (DEM), already specified in previous works.In view of the objective described above, the System Advisor Model (SAM), one of the main tools for evaluating renewable energy projects, was used to study a small-scale CSP system and parametric analysis. The implemented CSP system has an installed power of 50kWe with 6 hours of storage and presented a production of 145529 kWh in the first year of operations, with a total investment cost of $559416.15 and a Levelized Cost of Electricity (LCOE) of $0.3009/kWh. Subsequently, parametric analyzes of some parameters were carried out to optimize the system and analyze the influence they have on its performance.From the analysis of the results obtained, it can be seen the effect of economies of scale reflected in the LCOE value, which is in line with the expected values of the reduction of scale of the system.It was also demonstrated the great influence that government policies, such as incentives and electricity tariff models, the evolution of market prices and the saturation of the distribution grid by non-dispatchable technologies can have on the growth and development of CSP technology. Despite being more expensive, it could be a fundamental part of the energy transition process, as expected.