Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2013-07-16T04:07:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 285675.pdf: 4090154 bytes, checksum: ab9997390ea1458647ae76004294d4e1 (MD5) / As últimas etapas da geração de eletricidade por tecnologias de energia solar concentrada são semelhantes aos processos convencionais de geração termoelétrica, uma vez que se utiliza também vapor ou gás para a movimentação de turbinas ou pistões. A diferença fundamental reside no fato de que se gera o vapor ou o gás aquecido a partir de radiação solar em vez de combustíveis fósseis ou energia nuclear. O menor custo para a eletricidade gerada com energia solar tem sido obtido através de usinas de grande escala baseadas nesse conceito, conhecidas como centrais heliotérmicas. Simulações de computador representam uma opção de baixo custo para o projeto de sistemas térmicos. O presente estudo tem o objetivo de desenvolver uma metodologia para a simulação transiente de uma central heliotérmica de micro escala (120 kWe) que seja adequada em termos de precisão e esforço computacional. A planta considerada opera opcionalmente com cogeração de potência elétrica e água gelada, empregando calhas parabólicas para a captação da radiação solar, um ciclo de Rankine orgânico para a geração de energia elétrica e um ciclo de refrigeração por absorção para a produção de água gelada. O ciclo de Rankine orgânico é interessante por proporcionar uma planta de estrutura relativamente simples e com operação automatizada. A metodologia proposta neste estudo é implementada no software de simulação TRNSYS com novos módulos (TYPEs) desenvolvidos para o campo de coletores e para os ciclos térmicos. O módulo do campo de calhas parabólicas é baseado em uma curva de eficiência experimental para o coletor solar. No caso do ciclo de Rankine e do ciclo de absorção, os módulos são baseados em polinômios de desempenho gerados no software EES a partir de modelos termodinâmicos detalhados, os quais são calibrados com dados de desempenho dos fabricantes. Distintas configurações para a planta são consideradas. Um algoritmo de otimização é usado para a busca de um ponto ótimo de operação em cada caso. Resultados são apresentados para os municípios brasileiros de Fortaleza, Petrolina e Bom Jesus da Lapa, sendo que o último oferece o melhor desempenho global para a planta. Uma análise da influência do armazenamento térmico sobre a eficiência e o fator de capacidade anuais mostra tendências semelhantes aos resultados encontrados na literatura. Uma análise com o ciclo de absorção demonstra a inviabilidade de aproveitamento do calor residual do condensador do ciclo de Rankine para a produção de água gelada. A simulação da planta revela-se numericamente estável, sendo adequada para a análise do comportamento dinâmico e do desempenho de longo prazo de uma central heliotérmica de micro escala. / The final steps of generating electricity from concentrated solar power (CSP) technologies are similar to conventional thermal processes, since steam or gas is also employed for moving turbines or pistons. The fundamental difference lies on the fact that steam or hot gas is generated by solar radiation instead of fossil fuels or nuclear heat. The cheapest electricity generated from solar energy has been achieved with large-scale power stations based on this concept. Computer simulations represent a low-cost option for the design of thermal systems. The present study aims to develop a methodology for the transient simulation of a micro-scale solar-thermal power plant (120 kWe) which should be appropriate in terms of accuracy and computational effort. The facility considered can optionally operate as a cogeneration plant producing electric power as well as chilled water. Solar radiation is collected by parabolic troughs, electricity is generated by an organic Rankine cycle (ORC) and chilled water is produced by an absorption cooling cycle. The organic Rankine cycle is of interest because it allows for a plant with relatively simple structure and automated operation. The simulation methodology proposed in this study is implemented in TRNSYS with new components (TYPEs) developed for the solar field and thermal cycles. The parabolic trough field component is based on an experimental efficiency curve of the solar collector. In the case of the Rankine and absorption cycles, the components are based on performance polynomials generated with EES from detailed thermodynamic models, which are calibrated with performance data from manufacturers. Distinct plant configurations are considered. An optimization algorithm is used for searching the best operating point in each case. Results are presented for the following Brazilian sites: Fortaleza, Petrolina and Bom Jesus da Lapa. The latter offers the highest global plant performance. An analysis about the influence of the thermal storage on the annual efficiency and capacity factor shows trends that are similar to results found in literature. An analysis with the absorption cycle demonstrates that it is not feasible to recover waste heat from the Rankine cycle condenser in order to produce chilled water. The simulation of the facility proves to be numerically stable and appropriate for analyzing the dynamic behavior and the long-term performance of a micro-scale solar-thermal power plant.

[pt] Diante da crise energética e de mercado a Cogeração se apresenta oportuna tanto para a produção de energias elétrica e térmica quanto para a redução dos custos operacionais de produção de uma empresa. Um sistema de cogeração integrado e adaptado ao processo de uma Planta Criogênica de Separação de Ar, que tem a energia elétrica como insumo básico, pois o ar não tem custo, pode se mostrar viável, com considerável redução nos custos operacionais da planta. Um estudo termoeconômico, englobando uma análise da Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica, e uma análise Econômica, foi necessário não apenas para demonstrar esta viabilidade, mas também para propor as modificações no processo Criogênico de Separação de Ar, assim como, para definir o melhor sistema de Cogeração a ser integrado à planta típica T-240 NA MPL3. Os resultados da Análise Termodinâmica das modificações foram bem satisfatórios. As eficiências de Segunda Lei - Exergéticas - dos equipamentos envolvidos nas modificações da planta melhoraram, e o seu consumo de energia elétrica foi reduzido em 12 porcento. Foram propostos para integrar a planta 4 (Quatro) Sistemas de Cogeração a partir dos Ciclos Clássicos: Rankine, Brayton, Combinado e Otto. Estes Sistemas foram analisados inicialmente pelas Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica e finalmente foram analisados economicamente. Termoeconomicamente, o Sistema de Cogeração a partir do Ciclo Combinado foi o que melhor se apresentou para integrar o processo Criogênico de Separação de Ar da planta. Neste Sistema houve um maior equilíbrio entre as demandas térmica e elétrica, acarretando a eficiência de Segunda Lei - Exergética - mais alta. Este Sistema teve, também, a maior Receita Operacional e embora o seu Investimento Adicional tenha sido um pouco maior, este acréscimo compensou, pois apresentou os menores Tempo e Taxa Interna de Retorno. Apesar do Sistema de Cogeração a partir do Ciclo Combinado se apresentar viável, os resultados devem ser considerados, apenas, como preliminares, pois são provenientes da primeira interação Termoeconômica. Outras interações devem ser realizadas visando a melhoria deste Sistema, para viabilizar cada vez mais a Cogeração em Plantas Criogênicas de Separação de Ar. / [en] The energy shortage and the cogeneration market present a unique opportunity for energy cost reduction of an industry by simultaneously making use of electric and thermal energy generated with the same fuel. This thesis analyzes an integrated cogeneration system adapted to an air separation criogenic plant which has electric energy as a basic input, besides the available and costless air from the atmosphere. It has been shown to be feasible with the big savings inthe operational cost of the plant. A thermal and economic study, carried on by using the first and second Law of thermodynamics demonstrated the economic feasibility of the cogeneration system, and proposed modifications to be done in the studied criogenic plant, a typical T240- NA MPL3 plant. The thermodynamic analysis showed that the second law efficiency of the processes could be improved, together with a 12 percent electric energy consumption reduction. Four cogeneration schemes were analyzed with both the first and second laws of thermodynamics and, then, the economic analysis was performed. Rankine, Brayton, OTTO and combined gas-steam basic cycles were used in this analysis. The combined gas-steam cycle was shown to be more economically feasible than others. Thermal and electric loads were well balanced, resulting in a higher second law efficiency. Although the initial investiment for the modification was higher, the savings resulted to be higher, turning into a high rate of return of the investment. This analysis was judged to be preliminary. More precise results require a deepers analysis with more detailed information.

[pt] As opções de geração de energia no Brasil de forma sustentável estão fortemente relacionadas às fontes de energia alternativa, em especial a biomassa. Neste estudo é analisada a viabilidade econômico-financeira de um projeto de recolhimento da palha da cana de açúcar em uma usina no Brasil que tem a flexibilidade de expandir a venda de energia, ao investir na utilização da palha como insumo na cogeração. O preço da energia elétrica é modelado como um processo geométrico de reversão à média e é aplicada a teoria de opções reais para determinar o valor das flexibilidades gerenciais. Uma vez que a decisão de recolhimento da palha é tomada, a empresa tem a opção de investir na produção de briquetes, e a partir daí, realizar o switch entre o fluxo de caixa da energia e o fluxo de caixa de briquetes. O modelo é então resolvido utilizando uma árvore binomial recombinante não censurada de reversão à média. Os resultados indicam que a flexibilidade de escolher entre a venda de energia e a venda de briquetes agrega 9,7 milhões de reais, ou 38 por cento ao valor do projeto determinístico de 25,6 milhões de reais, o que é significativo, considerando que a cogeração não é a atividade principal da usina de cana. Assim, o recolhimento da palha da cana pode ainda incentivar projetos de retrofit em usinas que de outra forma poderiam não se mostrar viáveis. / [en] Options for sustainable power generation at competitive prices in Brazil are strongly related to alternative energy sources, in particular, sugar cane biomass. In this study we analyze a cane trash recovery project for a sugarcane mill in Brazil that has the option to expand sales of surplus bioelectricity by introducing the sugarcane trash as feedstock for cogeneration. We model electricity prices as a geometric mean reverting process, and apply the real options approach to determine the value of this managerial flexibility. Once the decision to recover the cane trash has been made, the firm has the option to invest in briquetting production, that will allow it to switch between energy and briquette sales depending on the relative prices of energy and briquettes. The model is then solved using a non censored binomial mean reverting lattice. The results indicate that the flexibility to choose between energy and briquette production adds 9.7 million of reais in value, or 38 per cent to the project value of 25.6 million of reais, which is significant, considering cogeneration is not the core business of the sugarcane mill. This indicates that recovery of cane trash, which is currently wasted in the field, may represent a significant source of value for further development of bioelectricity cogeneration or briquetting production, when retrofitting older sugarcane mills.

[pt] O uso seqüencial de energia elétrica e energia térmica a partir da energia química do mesmo combustível tem sido estudado para melhorar o custo benefício de uma geração distribuída. O objetivo deste estudo é determinar o mercado potencial desta tecnologia na região de influência da concessionária local de energia elétrica. Para alcançar este objetivo, foi necessário avaliar o desempenho de um sistema de cogeração com uma microturbina fornecendo potência elétrica e energia térmica através dos gases de exaustão que aquecem água para o ginásio esportivo da PUC-Rio. O sistema está configurado por uma microturbina, uma caldeira de recuperação, um reservatório térmico (boiler) e uma caixa para alimentação de água fria. Resultados obtidos de testes de curta duração, através de uma metodologia desenvolvida, para a avaliação do desempenho do sistema de cogeração na produção de energia elétrica e térmica, são apresentados. Os testes foram realizados para potências elétricas de 100, 75, 50 e 25 % da carga máxima da microturbina. Em adição, testes para avaliação do desempenho ao longo do tempo em função das variações da carga e das condições ambientais foram estudados. Além disso, através de uma metodologia desenvolvida, mostram-se os resultados nos cálculos de incerteza dos parâmetros analisados. Dados de consumo de energia elétrica em janeiro de 2003, de cerca de 8000 consumidores na área de concessão da LIGHT SESA, em diferentes classes tarifárias, atualizadas para 2007, foram utilizados com a metodologia desenvolvida para estimar o mercado potencial de energia elétrica na região de influência da concessionária local de energia elétrica em 384,5 MW e 20415 MWh/mês, considerando uma taxa interna de retorno mínimo de 15% a.a. Foi mostrado que o elevado custo da microturbina é uma barreira para sua introdução no mercado. Entretanto, a cogeração pode colaborar substancialmente para melhorar o custo benefício. Estas conclusões foram obtidas a partir do tempo de retorno do investimento no sistema pelos consumidores analisados. / [en] The sequential use of electric energy and thermal energy from the chemical energy of the same fuel has been studied to improve the cost benefit of a distributed generation. The objective of this study is to evaluate the potential market of this technology in the region of influence of the local utility of electric energy.utility company (LIGHT). In order to attain this objective, it was necessary to evaluate the performance of a micro turbine based cogeneration system used for supplying electrical and thermal energy to PUC-RIO´S Gymnasium. The system consists of a microturbine, a heat recovery boiler, and a cold water feeding reservoir. The short duration test results are presented for the evaluation of the cogeneration system performance for the production of electric and thermal energy. The tests were carried on for 100, 75, 50 and 25% micro turbine electric energy generation loads. Time performance of the micro turbine was also studied. Moreover, a methodology was shown to calculate the uncertainty of measurements of several performance parameters. The micoturbine marked potential was estimated by analyzing the consumption of about 8000 clients in January 2003, updating the tariffs to 2007, resulting in 384,5 MW and 20415 MWh/month, considering a minimum internal rate of return of investiment of 15% per year, during a 15 year period. It was concluded that the microturbine cost is still a barrier to its market penetration. Cogeneration can be used to improve the cost benefit of the system.

[pt] A cogeração é um conceito presente nas formas de conversão energética do futuro, uma vez que propõe a otimização no aproveitamento das fontes ou recursos energéticos utilizados. A especificação do sistema passa, primeiramente, por uma análise técnica-econômica, onde todos os insumos têm seu custo marginal ponderado, e as despesas energéticas finais são quantificadas para minimizar o custo da energia produzida. Na transformação dos sistemas convencionais para operação em cogeração, existe a necessidade de estimar o consumo de energia elétrica e térmica consumida por estes, para que o sistema de cogeração possa ser dimensionado e assim deslocar a energia elétrica consumida pelos sistemas convencionais. Neste trabalho, uma metodologia foi desenvolvida para a estimativa dos perfis elétrico e térmico mês a mês ao longo do ano, a partir dos poucos dados normalmente disponíveis. No perfil elétrico, dados de consumo de energia elétrica medidos na PUC-Rio, para cada 15 minutos no período um de um ano, foram utilizados para validar esta metodologia. No perfil térmico, uma metodologia foi desenvolvida; discutir-se-á como o consumo de energia térmica pode ser estimado a partir dos valores da temperatura ambiente, cargas térmicas internas e radiação solar incidente no local. Devido à pouca disponibilidade de dados e bibliografia para a validação desta metodologia, apresenta-se, simplesmente, uma comparação no cálculo da radiação solar média da metodologia proposta com uma outra diferente e um exemplo de cálculo de cargas térmicas, para um restaurante localizado em Albuquerque - Estados Unidos. / [en] The cogeneration will be an always present concept in the forms of energy conversion in the future, since it proposes to optimize the use of the energy resources. The system specification goes primarily through a technical economic analysis, where all the investments and operational costs are quantified for minimizing the cost of the produced energy. In the transformation of conventional systems for operation in cogeneration mode, there exists the necessity to estimate of electric and thermal consumption by these, so that the cogeneration system can be planned and thus displace the electric energy that would be used by the conventional systems. This works develops a methodology for estimating the electric and thermal load profiles, month by month along the year, from the few normally available data. For the electric profile, annual consumption data of electric energy measured at PUC-Rio, every 15 minutes in period of one year, has been used to validate this methodology. For the thermal profile, a methodology was developed; it discusses how the consumption of thermal energy can be estimated from values of ambient temperature, internal thermal loads and solar radiation incident on to place. Due to little data availability a comparison of the average solar radiation calculated by the proposed methodology and the one which is usually available in the literature, is done for a typical restaurant located in Albuquerque - United States.

[pt] O presente trabalho tem por objetivo analisar e comparar sistemas de trigeração (produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração) de diferentes arquiteturas com base nas eficiências energética e exergética e nas emissões de CO2. Sistemas de trigeração são considerados mais eficientes na conversão de energia, se comparados a sistemas convencionais, devido ao reaproveitamento do calor de rejeito do motor térmico para outros fins (aquecimento, acionamento de chiller, ou geração de eletricidade). Quatro configurações (com chiller de compressão de vapor, com chiller de absorção, com a combinação dos ciclos anteriores, e combinado com um ciclo Rankine orgânico) foram estudadas a partir de modelos matemáticos resultantes dos balanços de energia e de exergia, e do cálculo de emissão de CO2 considerando as demandas energéticas (eletricidade, aquecimento e refrigeração) como independentes do desempenho do sistema. Todas as arquiteturas de trigeração aqui analisadas apresentaram um ponto ótimo de operação, onde o calor de rejeito recuperado para aquecimento se iguala à respectiva demanda. Neste ponto, o fator de utilização de energia (indicador de desempenho pela primeira Lei) e a eficiência exergética são máximos, e a emissão de CO2, mínima. A solução das equações resultantes mostrou também que a melhor arquitetura, do ponto de vista energético, exergético ou ambiental, dependerá da combinação das demandas energéticas. / [en] The present work aims at analyzing and comparing trigeneration systems (for the simultaneous production of electricity, heating and refrigeration) of different architectures based on energetic and exergetic efficiencies and on CO2 emissions. Trigeneration systems are regarded as more efficient in energy conversion, if compared to conventional systems, due to the recovery of waste heat from the heat engine. The waste heat is used for different purposes, including heating, chiller driving or electricity generation. Four trigeneration configurations (with vapor compression chiller, absorption chiller, with a combination of the two previous cycles, or combined with an organic Rankine cycle) were studied. Mathematical models resulting from the energy and exergy balances and from the calculation of CO2 emissions were developed taking into account that the three energy demands (electricity, heating and refrigeration) are independent from the trigeneration system performance. Solution of the resulting equations indicated an optimal point of operation, for all trigeneration architectures under study, where the waste heat recovered for heating equals the heating demand. At this point, the energy utilization factor (first Law indicator) and the exergy efficiency reach their maximum value, and the CO2 emissions, its lowest. Another important finding is that the configuration with best performance, from the energetic, exergetic, or environmental point of view, will depend on how the energy demands relate to each other.

[pt] A produção simultânea de energia elétrica, calor e frio, a partir da queima de combustível primário (trigeração), pode se mostrar como estratégia promissora do ponto de vista energético e de projeto, principalmente em indústrias como a química e a de alimentos. No presente trabalho descreve-se o estudo experimental de um sistema de produção de água gelada (chiller) com compressor hermético acionado eletricamente. Um motor a combustão interna, do tipo Diesel, foi convertido para operar com gás natural veicular (Diesel- gás) e aciona um gerador de eletricidade que supre a energia elétrica necessária ao funcionamento do chiller e ao atendimento de demanda elétrica préestabelecida. O resultante sistema de trigeração é, portanto, composto por dois sub-sistemas: a bomba de calor (chiller) e o conjunto motorgerador. Calor de rejeito, do condensador do chiller e do sistema de arrefecimento e gases de exaustão do motor, é recuperado para a produção de água quente. O sistema é analisado à luz da 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. As razões entre as demandas de frio, calor e eletricidade, as temperaturas de evaporação e de condensação da bomba de calor, e a razão de substituição de óleo Diesel por gás natural veicular são os principais parâmetros de controle dos resultados apresentados. Determinou-se, para o sistema em questão, uma taxa de substituição energética ótima do óleo Diesel por GNV de aproximadamente 25%, com uma economia de 11% a 15% (para geração de potência elétrica acima de 4,0 kW), fundamentada na diferença de preços entre os dois combustíveis e numa melhora do rendimento do motor para estas condições de operação. Obteve-se a contribuição percentual de cada um dos produtos energéticos (frio, calor e eletricidade), em função do consumo de combustível, para as diferentes potências testadas, em função da taxa de substituição energética do óleo Diesel por GNV. Determinou-se, experimentalmente, a vazão de água nos diferentes componentes, para a qual se obtém uma máxima eficiência do sistema, quando analisado do ponto de vista exergético. / [en] The simultaneous production of electric energy, heat and cooling capacity from the primary fuel burning on a heat engine (trigeneration) can emerge as a promising strategy, from the energy and project points of view, mostly, in food and chemistry industries. The present work describes the experimental study of a vapor compression system for chilled water production. A Diesel internal combustion engine was converted to operate with natural gas (Diesel-gas) and drives an electric generator that supplies the necessary electric energy for the chiller`s functioning and to attend the pre-established electric demand. The resultant system of trigeneration is, therefore, composed of two subsystems: the heat pump (chiller) and the engine-generator group. Heat rejected from the condenser of chiller and from the cooling system and exhaust gases of the engine, is recovered for hot water production. The system is analyzed under the light of first and second laws of the Thermodynamics. The ratio between the cooling, heating and electricity demands, the temperatures of evaporation and condensation of the heat pump, and the Diesel-natural gas substitution ratio are main parameters of control of the presented results. The percentile contribution of cold, heat and electricity (on energetic fuel consumption basis), for the different electric energy generation rates, was obtained as a function of the energy substitution rate of the Diesel oil for natural gas. An optimal energy substitution rate of Diesel oil for natural gas of approximately 25% was determined with an economy rated between 11% and 15% (for electric energy generation rates above 4,0 kW), based both on the difference between prices of the two fuels and on the engine`s performance improvement for these operational conditions. An optimum water flow rate, from the exergetic point of view, was found for each component.

[pt] O crescimento da demanda por energia elétrica e investimentos governamentais em fontes renováveis incentivam produtores do setor sucro-energético no país a buscar melhorias nos processos de suas usinas. Através do aumento da produção de vapor nas caldeiras de biomassa, que operam com ciclos Rankine, é possível gerar energia elétrica excedente para comercialização. O Brasil, um dos maiores produtores de cana-de-açúcar do mundo, gera resíduos derivados da cana com alto potencial energético. Os ciclos termodinâmicos híbridos têm sido utilizados em várias usinas de biomassa no exterior utilizando como combustíveis o gás natural e resíduos sólidos urbano (waste-to-energy). Como mostrado por diferentes autores, é possível, com estes ciclos, melhorar a eficiência térmica das usinas utilizando gases quentes da exaustão de uma turbina a gás operando com gás natural. A desvantagem é que o percentual de participação do gás natural de alguns ciclos híbridos pode ser alto, tornando estes projetos economicamente inviáveis. Neste trabalho será aplicado um ciclo híbrido adaptado para usinas de cana-de-açúcar brasileiras que queimam o bagaço em caldeiras de biomassa com reaquecimento externo. Os benefícios destes ciclos termodinâmicos incluem a melhoria de eficiência da planta, acarretando a maior geração de energia elétrica e aumento da quantidade de vapor de processo produzido para a mesma quantidade de bagaço queimado originalmente. Além da melhoria da eficiência térmica, o ciclo tem como uma de suas principais vantagens o fato de não depender de grandes quantidades de gás natural, reduzindo a possibilidade de prejuízos caso haja aumento do seu preço. Por último será mostrado que, embora haja a queima deste combustível fóssil, é possível reduzir as emissões específicas de CO2/kWh devido ao seu baixo consumo na usina aliado a elevada geração de energia elétrica. / [en] The growing electric energy demand and government investments in renewable sources motivated sugar producers in Brazil to improve the thermal efficiencies of their sugarcane plants. For this reason, to generate excess electric energy and to sell it, has become an important and extra source of revenue. This country, one of the biggest sugarcane producers in the world, employs sugar waste, with high energetic potential, in boilers operated with Rankine cycles. Thermodynamic hybrid cycles have been in use in several biomass plants abroad, using natural gas and municipal solids waste as fuels. As shown by different authors, it is possible to increase the thermal efficiency of these plants by means of the heat recovery from hot exhaust gases of a gas turbine operating with natural gas. The main disadvantage of hybrid cycles, for some cases, is the high fraction of natural gas as fuel, making these specific plants economically unfeasible. In this work, a hybrid cycle concept is presented and studied, adapted for Brazilian sugar cane plants which burn bagasse in biomass boilers with reheating systems. The benefits of these thermodynamics cycles include a thermal efficiency improvement thus allowing more power generation and higher production of process steam, for the same amount of bagasse originally burned. Besides the higher thermal efficiency, the hybrid cycle presents the advantage of not depending on large natural gas consumption. This makes the plant s economic feasibility less dependent on fluctuations on natural gas prices. Furthermore, this study shows that, although a fossil fuel is burned, it is possible to reduce CO2/kWh specific emissions due to lower consumption of fossil fuels and to higher power generation.

[pt] A crescente demanda global por energia e a finitude dos recursos fósseis despertaram grande interesse pelo uso de energias renováveis e tecnologias menos poluentes. Neste contexto, este trabalho introduz uma simulação numérica de um sistema híbrido on-grid de uma unidade combinada de calor e potência (CHP) para microaplicações residenciais e industriais. O sistema é composto por uma célula a combustível tipo membrana polimérica (PEMFC) de 5 kW acoplada a um reformador de gás natural, painéis fotovoltaicos (245 W) e baterias (100 Ah cada) conectados à rede elétrica através de um inversor híbrido bidirecional. Uma análise energética foi desenvolvida para validar a rotina computacional e determinar a vazão de gás natural. Em seguida, foi realizada uma análise econômica baseada na evolução do fluxo de caixa dos usuários e no custo cumulativo total do sistema no horizonte de 2020 a 2040, de forma a investigar a influência das taxas de incremento das tarifas de energia elétrica e gás natural, diferentes configurações do sistema, do número de consumidores e do fator de aproveitamento de créditos na rede. Diferentes tipos de tarifa (convencional e branca) e a possibilidade de cogeração com o rejeito térmico da PEMFC também foram avaliados. Ao final, uma análise ambiental foi desenvolvida para avaliar a contribuição para o potencial de aquecimento global do micro-CHP. Paybacks entre 6 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020. Adicionalmente, fortes reduções no custo cumulativo total foram obtidas levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. Finalmente, emissões equivalentes até 30 porcento inferiores às da eletricidade da matriz energética nacional e do fornecimento de calor por queima de gás natural foram calculadas com uso da cogeração no atendimento da demanda térmica dos usuários. / [en] The growing global energy demand and fossil resources depletion have triggered great interest in the use of renewable energy and low emission technologies. In this context, this work introduces a numerical simulation of an on-grid hybrid system of a combined heat and power unit (CHP) for residential and industrial micro-applications. The system consists of a 5 kW proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) coupled to a natural gas reformer, photovoltaic panels (245 W) and batteries (100 Ah each) connected to the grid through a bidirectional inverter. An energy analysis was carried out to validate the computational routine and assess the natural gas flow and the thermal and electrical efficiencies of the CHP unit. Afterwards, an economic analysis was developed to determine the consumers cash flow progression and the total cumulative cost of the system in an 2020-2040 horizon in order to investigate the influence of increasing natural gas and electricity tariffs, different system configurations, the number of consumers and the reverse metering factor from the grid. Different types of tariffs (conventional and alternative) and the possibility of cogeneration with the thermal rejection from the PEMFC were also evaluated. At last, an environmental analysis was developed to assess the contribution to the global warming potential of the micro-CHP. Paybacks between 6 and 20 years of system s operation were achieved for different combinations of the studied parameters considering beginning of operation in 2020. Additionally, great reductions in the total cumulative cost were obtained considering the predicted decrease in system s components acquisition costs for the next decades. Finally, reductions in CO2 emissions of up to 30 percent compared to those of the electricity from the Brazilian energy matrix and heat supply from burning natural gas were obtained when cogeneration from CHP unit was accounted to meet the consumers thermal demand.

[pt] A presente dissertação trata do estudo de sistemas de potência baseados em ciclos Rankine orgânicos (ORC – Organic Rankine Cycle) acionados por energia térmica de rejeito. O objetivo é descrever mediante a simulação numérica um ciclo Rankine orgânico, dimensionar os trocadores de calor para o ciclo proposto e aplicar o conceito para sistemas de trigeração. Um modelo termodinâmico simples é apresentado, relacionando as características termodinâmicas do ciclo Rankine orgânico àquelas da corrente com rejeito térmico (como, por exemplo, vazão mássica, capacidade térmica e temperaturas de operação). A seguir, o método de multi-zonas, ou de fronteira móvel, é aplicado aos trocadores de calor do ciclo, condensador e caldeira, para dimensioná-los às condições do efluente de rejeito térmico. Na escolha do tipo de trocador de calor para a caldeira, é feita a distinção quanto à natureza do efluente, se gasoso ou líquido. No primeiro caso empregam-se trocadores de tubo e aleta e, no segundo, trocadores de placas. A solução numérica do sistema de equações algebraicas e obtida através de um programa computacional escrito em FORTRAN. São também estudados novos fluidos de trabalho de menor impacto ambiental e os resultados apresentados fazem uma comparação com fluidos de uso tradicional. As propriedades termodinâmicas e de transporte dos fluidos considerados foram obtidas usando o programa REFPROP 9.0 do NIST. Finalmente, o conceito do ciclo Rankine orgânico é aplicado a sistemas de trigeração, caracterizados pela produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração. / [en] The present dissertation addresses the study of power generation systems based on organic Rankine cycles (ORC) driven by waste thermal energy (heat). A simple thermodynamic model is presented, relating the thermodynamic characteristics of the organic Rankine cycle to those of the waste heat flow (for instance: mass flow, thermal capacity and operation temperatures). Furthermore, the multi-zone, or movable boundary method is applied to the heat exchangers of the cycle, boiler and condenser, in order to size them for the waste heat flow conditions. In choosing the type of heat exchanger for the boiler, the distinction is made on the nature of the waste heat, either gaseous or liquid. New working fluids for the cycle, of less environmental impact, are studied. For the first case, tube and fin heat exchangers are considered, and in the second, plate heat exchangers. Finally, the concept of the organic Rankine cycle is applied to trigeneration systems, characterized by the simultaneous production of electricity, heating and cooling.