[pt] Um gerador de pasta de gelo foi desenvolvido para o estudo experimental de suas características de transferência de calor. Uma das características da pasta de gelo é que pode ser bombeada como qualquer líquido. O gerador de pasta de gelo é um evaporador, do tipo trocador de calor de superfície raspada com intensificação mecânica de transferência de calor. Foi estabelecida a influência de vários parâmetros na transferência de calor no gerador de pasta de gelo: a vazão mássica, a velocidade de rotação do raspador, a temperatura da parede na interface, a temperatura de operação da solução aquosa, entre outros. Estudou-se tanto a transferência de calor com ou sem mudança de fase. Utilizaram-se soluções aquosas de etanol com diferentes concentrações. A pasta de gelo era produzida continuamente sem acumulação no evaporador. O gerador era parte de um sistema integral contendo os seguintes componentes: o sistema de medição da fração de gelo on-line, através da medição da massa específica da pasta de gelo; uma bomba helicoidal de cavidade progressiva, que permitia controlar a vazão, por meio de um variador de freqüência; um aquecedor elétrico, atuando como carga térmica, com a possibilidade de variar a capacidade desta carga térmica e, com isto, o controle da temperatura de operação do sistema; e o sistema de aquisição de dados. Foi estabelecido um modelo para determinar, experimentalmente, o número de Nusselt e, por conseguinte, o coeficiente interno de transferência de calor da pasta de gelo. Utilizou-se uma unidade condensadora convencional, com R22 como fluido refrigerante. A pasta de gelo resultante era bombeada continuamente em um circuito fechado, assegurando o estudo de um fluido homogeneamente distribuído, visto que o circuito não permitia a acumulação de pasta de gelo. Os sistemas de geração de pasta de gelo apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas de termoacumulação estáticos de gelo ou dinâmicos, como o ice harvesting. / [en] An ice slurry generator for was developed for the experimental study of its heat transfer characteristics. One of the main characteristic of ice slurry is that it can be pumped as any liquid. The ice slurry generator is an evaporator, with mechanical heat transfer enhancement, by surface scraping. The dependence of several parameters on heat exchanger performance was established. They included: mass flow rate, scraped rotational velocity, surface temperature, solution operating temperature. Single and two-phase flow was studied. Aqueous ethanol solutions, of different concentrations, were used. Ice slurry was produced on a continuous basis. The experimental apparatus consisted of the heat exchanger itself, an on-line ice mass fraction measurement device, a helicoidal positive displacement variable flow rate pump, an electrical heater, the data acquisition system and a R22 condensing unit. The ice slurry was pumped continuously on a closed circuit, providing a homogeneous fluid, as no accumulation of ice was possible. Ice slurry systems have the potential of significant reduction on capital and maintenance costs, when compared to traditional technologies, static or dynamic, of ice thermoaccumulation.

[pt] Um sistema térmico de armazenamento da energia com pasta de cristais de gelo foi desenvolvido para aplicações de condicionamento de ar e resfriamento de processos. O sistema usa um evaporador orbital de haste, um trocador de calor vertical do tipo tubo e carcaça com intensificação mecânica de transferência de calor. A pasta de gelo é produzida continuamente sem acumulação no evaporador e é compatível com unidades condensadoras convencionais, tanques de armazenamento e bombas. Soluções aquosas diluídas ou soluções inorgânicas de salmoura promovem a formação de cristais de gelo, e o gelo líquido resultante pode ser bombeado ou por gravidade alimentar um tanque de armazenamento. O circuito hidráulico de refrigeração (carga térmica) pode ser desacoplado da produção do gelo utilizando-se o tanque de armazenamento. O armazenamento de gelo líquido fornece temperaturas consistentemente baixas à medida que se derrete o gelo, que por sua forma pode ser derretido também muito rapidamente. Com suas altas temperaturas características de evaporação e elevados fluxos do calor, os sistemas de geração de gelo líquido apresentam potencial para reduzir significativamente os custos de capital inicial e operação, quando comparados com tecnologias de sistemas estáticos de gelo ou ice harvesting. / [en] New ice crystal slurry thermal energy storage (TES) system has been developed for both HVAC and process cooling applications. The system uses an orbital rod evaporator (ORE), a vertical shell-and-tube heat exchanger with mechanical heat transfer augmentation, as a dynamic ice maker to generate liquid ice. Ice forms continuously without accumulation in the ORE and is compatible with conventional condensing units, storage tanks, and pumps. Dilute glycol or inorganic brine solutions promote formation of ice crystals, and the resulting liquid ice may be pumped or gravity fed to a storage tank. The cooling load circuit can be hydraulically decoupled from ice production at the storage tank. Stored liquid ice provides consistently low solution supply temperatures over significant portions of the ice melt period and may be melted very rapidly. With its characteristic high evaporator temperatures and high heat fluxes, ORE TES systems have the potential for significantly lower capital and operating costs than static ice or ice harvesting technologies.

[pt] O aumento da penetração de fontes de energia intermitentes é uma realidade dentro da matriz energética brasileira. A utilização em larga escala de energia renovável diminui a flexibilidade operativa com a redução da inércia equivalente sincronizada no sistema, podendo colocar em risco a segurança e a qualidade do suprimento de energia dos sistemas elétricos de potência com a diminuição da capacidade de regulação de frequência. Com expectativas de crescimento acentuado, surgem os dispositivos de armazenamento de energia (Energy Storage Devices – ESD) como uma alternativa viável para contornar essas dificuldades, principalmente quando se trata de um sistema de potência isolado. Nesta dissertação, avalia-se o comportamento dinâmico do sistema elétrico do estado de Roraima, através de uma metodologia desenvolvida para quantificar a penetração de energia renovável intermitente em sistemas isolados. Avalia-se também como a utilização de dispositivos de armazenamento de energia podem contribuir para o controle de frequência, observando as vantagens que tais dispositivos podem acarretar nesse sistema. A construção do Mapa de Decisão pode auxiliar as análises tanto na etapa de planejamento como na fase de programação e operação dos sistemas. Nas simulações realizadas foi possível constatar que a utilização de ESD pode promover um aumento significativo na penetração de usinas renováveis intermitentes, como eólica e solar fotovoltaica, em sistemas de potência isolados / [en] The increase in the penetration of intermittent energy sources is a reality within the Brazilian energy matrix. The large-scale use of renewable energy decreases the operational flexibility with the reduction of the equivalent inertia synchronized in the system, which can endanger the safety and quality of the energy supply of electric power systems with the reduction of the frequency regulation capacity. With expectations of sharp growth, energy storage devices (ESD) appear as a feasible alternative to overcome these difficulties, particularly when it comes to an isolated power network. In this dissertation, the dynamic assessment of the electrical system of the state of Roraima is evaluated, using a methodology developed to quantify the penetration of intermittent renewable energy in isolated systems. It is also evaluated how the use of energy storage devices can contribute to frequency control, observing the advantages that such devices can bring to this system. The construction of the Decision Map can assist the analyses during the planning, programming and operation phases. In the simulations carried out, it was possible to verify that the use of ESD can promote a significant increase in the penetration of intermittent renewable plants, such as wind and solar photovoltaic, in isolated power systems.

[pt] Umas das principais características do Sistema Elétrico Brasileiro é a alta penetração de renováveis, principalmente da energia hidráulica, e com destaque para a expansão das fontes solar e eólica. No entanto, estas duas últimas têm como particularidades a inerente variabilidade e imprevisibilidade, mesmo no curto prazo. Para lidar com este problema, usinas hidrelétricas reversíveis (UHR) vem sendo consideradas com uma boa complementação às fontes intermitentes devido a sua capacidade de armazenamento de energia em períodos de baixa demanda. No Brasil, ainda não há UHRs em operação comercial, e este trabalho analisará a viabilidade econômico-financeira de sua implantação no país. Adicionalmente, será estudada a contratação ótima, sob o ponto de vista da UHR, em dois mercados, um de longo prazo e outro de curto prazo com preços de liquidação de diferenças (PLD) horários. / [en] One of the main characteristics of the Brazilian Electrical System is the high penetration of renewable energy, mainly hydroelectric power, and especially the expansion of solar and wind power sources. However, these last two sources have as their main characteristics the inherent variability and unpredictability, even in the short term. To deal with this issue, pumped-storage hydropower plants (UHR) are being considered as a good complementation to these intermittent sources, due to their energy storage capacity in low demand periods. In Brazil, there are still no UHRs in commercial operation, and this work will analyze the economic and financial viability of their implementation in the country. In addition, the optimal hiring, from the UHR s point of view, will be studied in two markets: long-term and short-term with hourly settlement prices (PLD).

[pt] A recente expansão das fontes renováveis para geração de energia elétrica decorre do encarecimento dos combustíveis fósseis e da preocupação com impactos ambientais e mudanças climáticas, assim como de avanços tecnológicos e da queda de seus custos de implantação. Entretanto, a natureza intermitente e sazonal dos recursos naturais, como vento e irradiação solar, pode afetar a operação do sistema elétrico. Uma alternativa para dar equilíbrio à carga do sistema, proporcionando ainda outros benefícios, é o armazenamento de energia. Uma tecnologia de larga escala para armazenamento é a de bombeamento hidráulico por meio de usinas hidrelétricas reversíveis (UHR), que oferecem mais eficiência, tempo de resposta mais rápido e vida útil mais longa que outras alternativas. Tendo em vista as lacunas teóricas no campo acadêmico, a dissertação propõe um modelo para identificação de locais potenciais para implantação dessas usinas, com o auxílio de ferramentas de sistema de informação geográfica e de formulações matemáticas que consideram critérios fisiográficos, energéticos, econômicos e socioambientais. Partindo de uma abordagem baseada no conceito de geomorphons combinada com soluções de um problema de otimização, o modelo proposto tem por objetivo definir uma formulação que busque minimizar os custos de construção de uma UHR. A demonstração da aplicabilidade do modelo é feita em torno do reservatório da UHE Sobradinho, e os resultados são discutidos a partir da comparação dos locais selecionados e dos custos obtidos. Pode-se concluir que é possível identificar potenciais locais para implantação de UHR a partir desse modelo, o que pode beneficiar agentes de planejamento do setor elétrico, bem como empresas que estejam interessadas em investir nesta tecnologia. / [en] The expansion of the use of renewable sources for electricity generation in recent years is a result of the increase of fossil fuels costs and the growing concern with climate change and the impacts on the environment, as well as technological advances and the reduction in their implementation costs. However, the availability of some natural resources for renewable energy matrices, such as wind and solar irradiation, has an intermittent and seasonal nature, which may affect the electrical system operation (CANALES et al., 2015; KELMAN & HARRISON, 2019). One of the alternatives to balance the system load is energy storage, which offers benefits to the electricity provision (ancillary services, for example) and regulates the frequency in times of high demand with low energy supply from renewables, contributing with the necessary inertia so that demand does not change instantly (BARBOUR et al., 2016). The most widely large-scale technology used for storage in the world is hydraulic pumping through pumped storage hydropower – PSH (GUITTET et al., 2016; IHA, 2018). Compared to other technologies, it provides a solution with high efficiency, faster response time and longer useful life (REHMAN et al., 2015). The operation of the plants is characterized by the pumping of water from a lower reservoir for its accumulation in an upper reservoir for energy generation in periods of high demand (BARBOUR et al., 2016). Energy storage alternatives are already on the agenda in the Brazilian energy sector as an option to ensure the system development in an economic and sustainable manner. In the 2030 Ten-Year Energy Expansion Plan (EPE, 2021b), PSH is highlighted as one of the resources to expand the offer for rush hour demand response. EPE understands that preliminary studies are an important step to support the sector s planning and guide the definition of regulatory aspects, which do not yet exist, related to the systemic benefits of this type of solution.

[pt] A inserção de sistemas de armazenamento de energia é uma tendência global observada no cenário de diversificação energética de vários países no mundo. Considerando a predominância da geração hídrica centralizada na matriz elétrica brasileira, as Usinas Hidrelétricas Reversíveis possuem uma tendência à utilização dentro do Sistema Interligado Nacional (SIN). Entretanto, tal processo de inserção deve considerar as possíveis alterações no marco regulatório advindas de novas políticas regulatórias para o setor elétrico brasileiro. A seleção destas políticas deve considerar diversos critérios e várias dimensões. Além disso, a política escolhida deve considerar uma Análise de Impacto Regulatório para sua efetividade. O objetivo principal desta dissertação é propor um modelo de seleção e avaliação dessas políticas, utilizando um processo de análise de impacto regulatório (AIR), com o auxílio de métodos multicritério de apoio à decisão (MCDM). O modelo definido foi proposto em seis etapas: definição do problema regulatório; determinação do framework regulatório; mapeamento das alternativas de ação; análise benefício-custo conduzida com o método AHP; seleção da política preferida com o método fuzzy-TOPSIS e monitoramento e avaliação desta política. A modelagem foi aplicada para as seguintes cinco políticas definidas: criação de um mercado de capacidade; criação de um mercado de flexibilidade; implementação de um leilão multiatributos; implementação de um leilão de capacidade; e adoção de uma política de incentivos. Os resultados foram comparados com algumas referências, confirmando a aplicabilidade da metodologia e indicando que o desenvolvimento do modelo proposto preencheu lacunas na literatura referente às aplicações de abordagem multicritério para políticas energéticas. / [en] The insertion of the energy storage systems is a global trend observed in the energy diversification scenario of several countries in the world. Considering the predominance of centralized hydroelectric generation in the brazilian electric matrix, Pumped Storage Hydroelectric Plans tend to be used within the National Interconnected System (SIN). However, such insertion process must consider the new changes in the regulatory framework arising from Brazilian regulatory policies for the sector. The selection of these policies must consider several and several dimensions. In addition, the chosen policy must consider a Regulatory Impact Analysis for its own. The main objective of this dissertation is to propose a model for the selection and evaluation of these policies, using a Regulatory Impact Analysis (RIA) process, with the aid of multicriteria decision making methods (MCDM). The defined model was proposed in six stages: definition of the regulatory problem; determination of the regulatory framework; mapping of action alternatives; benefit-cost analysis with the AHP method; selection of preferred policy with the fuzzyTOPSIS method and monitoring and evaluation of this policy. The modeling was applied to the following five policies: creating a capacity market; creation of a flexibility market; implementation of a multi-attribute auction; implementation of a capacity auction; and adoption of an incentive policy. The policies were compared with some references, confirming the applicability of the methodology and indicating the development of the proposed model, gaps in the literature regarding the applications of multicriteria for energy.

[pt] O presente trabalho consiste na integração de um campo solar em uma usina de gaseificação de resíduos sólidos urbanos no município de Boa Esperança em Minas Gerais. Os resíduos sólidos acumulados no lixão da cidade são utilizados como insumos para a geração de gás de síntese no reator químico da unidade. Esta operação recupera a extensa área degradada deste vertedouro permitindo a instalação do campo solar com coletores de calhas parabólicas. O intuito do projeto é o fornecimento contínuo de calor pelo campo solar através da instalação de tanques de armazenamento direto de calor. A operação do campo solar é simulada pela elaboração de uma rotina computacional no software Matlab através do método das diferenças finitas unidimensional. A solução numérica do sistema de equações diferenciais que compõe o balanço de energia do receptor solar é validada pela comparação com o teste experimental do Laboratório Nacional de Sandia do concentrador solar SEGS LS-2 com tubo absorvedor evacuado. Além disso, o controle da vazão mássica circulante pelo campo solar é incorporado na lógica computacional de modo que a temperatura na saída do campo solar seja mantida com valores próximo ao set-point de 390 graus Celsius. Portanto, as simulações computacionais com proposições sobre a partida e operação do campo solar são testadas para dias ensolarados do ano meteorológico típico de Boa Esperança. Finalmente, um dia real com nebulosidade é simulado para a análise do funcionamento do campo solar de acordo com a variação intermitente da irradiância direta normal. Os resultados da operação do dia real são utilizados como base para a aplicação da presente rotina computacional em futuros projetos do campo solar. / [en] This work intends to hybridize a solar field into the current waste to energy gasification power plant in Boa Esperança in Minas Gerais. The gasification process converts municipal solid waste to usable synthesis gas for electrical production. This current operation of waste to energy power plant removes waste accumulated from the landfill site. It recovers an extensive area for future solar field installation due to this available space without any waste in the future. The design of the planned solar field comprises the parabolic trough concentrating systems. The aim of the solar design is to provide ongoing heat to the power block with direct storage tanks. The solar field operation is simulated by the development of a Matlab computer program based one dimensional implicit difference method with energy balance approach of an evacuated receiver. The validation of present model was done by comparing the outlet temperatures of simulation results and the experimental data obtained by Sandia National Laboratories. Moreover, the mass flow rate is regulated through the field to make sure that the outlet temperature from the solar collector is kept as close to the desired 390 Celsius Degree as possible. To accomplish the main purpose of the work, many different computational models with start-up and full operation stages are suggested for different clear days along the typical meteorological year of the city Boa Esperança. Eventually, a cloud day with a real meteorological data was chosen for a computational model of the solar field performance. All results of the real day operation are used to improve the computer program of the present work. These results are useful for future solar field design.