Análise de Ciclos de Potência e Armazenamento Térmico de Energia para uma Bateria de Carnot

Abstract

Com a descarbonização do setor energético, será previsível um crescimento no consumo de energia elétrica, a maioria da qual será fornecida por fontes de geração renováveis que são intrinsecamente variáveis. Para compensar esta variabilidade, será necessário recorrer a sistemas de armazenamento de energia sendo que as Baterias de Carnot se apresentam como uma das possíveis opções para o efeito. Esta tese foca-se na análise comparativa da adequação de diferentes ciclos de potência (e.g. ORC, subcrítico, supercrítico, transcrítico) tendo em análise a avaliação do armazenamento térmico de energia (TES), a diferentes soluções de armazenamento de energia térmica.Neste trabalho fez-se uma revisão sobre os sistemas de armazenamento de energia, com principal destaque nos sistemas térmicos de armazenamento de energia nos quais as Baterias de Carnot fazem parte. Em seguida procedeu-se uma análise preliminar de configurações da Bateria de Carnot, operando em ciclo subcrítico e transcrítico com dióxido de carbono, de modo a se estabelecer o ciclo termodinâmico de operação mais eficiente. Fez-se também uma análise cuidadosa da influência de diferentes fluidos de trabalho na eficiência global do sistema para a Bateria de Carnot. Dentre os fluidos selecionados, o R123zd mostrou-se mais eficiente.No final, por intermédio do modelo construído no MATLAD, procedeu-se a simulação dinâmica do armazenamento térmico de energia, para duas configurações destintas, nomeadamente de armazenamento sensível e latente. Contudo, dentre as conclusões obtidas os armazenamentos latentes mostraram-se mais eficientes, mas por sua vez constituem um valor de mercado muito mais caro que os sensíveis e exigem muito mais cuidados na sua utilização.

With the decarbonization of the energy sector, an increase in the consumption of electrical energy is foreseeable, most of which will be provided by renewable generation sources that are intrinsically variable. To compensate for this variability, it will be necessary to resort to energy storage systems, with Carnot Batteries being one of the possible options for this purpose. This thesis focuses on the comparative analysis of the adequacy of different power cycles (e.g., ORC, subcritical, supercritical, transcritical) considering the evaluation of thermal energy storage (TES), to different thermal energy storage solutions.In this work, a review of energy storage systems was carried out, with main emphasis on thermal energy storage systems in which Carnot Batteries are part. Then, a preliminary analysis of the configurations of the Carnot Battery was carried out, operating in subcritical and transcritical cycles with carbon dioxide, to establish the most efficient thermodynamic cycle of operation.A careful analysis was also made of the influence of different working fluids on the overall system efficiency for the Carnot Battery. Among the selected fluids, R123zd proved to be the most efficient.In the end, using the model built in MATLAD, a dynamic simulation of thermal energy storage was carried out, for two distinct configurations, namely sensitive and latent storage. However, among the conclusions obtained, latent storage proved to be more efficient, but in turn constitute a much more expensive market value than sensitive storage and require much more care in its use.