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Metodologia para simulação transiente de uma pequena central heliotérmicaWendel, Marcelo 16 July 2013 (has links)
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.
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[en] COGENERATION IN AIR SEPARATION CRIOGENIC PLANTS / [pt] COGERAÇÃO EM PLANTAS CRIOGÊNICAS DE SEPARAÇÃO DE ARWALTER NOVELLO BASTOS 05 August 2015 (has links)
[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.
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[en] ALTERNATIVE ENERGY SOURCES: A REAL OPTION VALUATION OF COGENERATION WITH SUGARCANE TRASH BIOMASS / [pt] AVALIAÇÃO DE FONTES ALTERNATIVAS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DA BIOMASSA DE PALHA DA CANA: UMA ABORDAGEM POR OPÇÕES REAISRAFAEL IGREJAS DA SILVA 21 August 2012 (has links)
[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.
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[en] METHODOLOGY FOR DETERMINING THE POTENTIAL MARKET OF A MICROTURBINE BASED COGENERATION SYSTEM FOR ELECTRIC ENERGY AND HOT WATER PRODUCTION / [pt] METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO DO MERCADO POTENCIAL DE UM SISTEMA DE COGERAÇÃO COM MICROTURBINA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E ÁGUA QUENTEJOAO VIEIRA DE ARAUJO 11 October 2007 (has links)
[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.
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[en] GENERATION OF THERMAL AND ELECTRIC LOAD PROFILES FOR THE OPTIMIZATION OF A COGENERATION SYSTEM / [pt] GERAÇÃO DE PERFIS ELÉTRICO E TÉRMICO PARA OTIMIZAÇÃO DE UM SISTEMA DE COGERAÇÃOMARLON MAX HUAMANI BELLIDO 29 March 2006 (has links)
[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.
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[en] THERMODYNAMIC AND ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF TRIGENERATION SYSTEMS BASED ON SYSTEM STRUCTURE AND ENERGY LOADS / [pt] ANÁLISE TERMODINÂMICA E AMBIENTAL DE SISTEMAS DE TRIGERAÇÃO EM FUNÇÃO DE SUA ARQUITETURA E DAS DEMANDAS ENERGÉTICASVICTOR HUGO MARTINS MATOS SILVA 04 October 2017 (has links)
[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.
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[en] ANALYSIS OF A SYSTEM FOR THE SIMULTANEOUS PRODUCTION OF ELECTRICAL ENERGY, HEAT AND COLD / [pt] ANÁLISE DE UM SISTEMA DE PRODUÇÃO SIMULTÂNEA DE ELETRICIDADE, FRIO E CALORFRANK CHAVIANO PRUZAESKY 23 March 2006 (has links)
[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.
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[en] THERMODYNAMIC, ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL STUDY OF A COGENERATION SUGARCANE PLANT OPERATING WITH A HYBRID CYCLE THAT BURNS SUGARCANE BAGASSE AND NATURAL GAS / [pt] ESTUDO TERMODINÂMICO, ECONÔMICO E AMBIENTAL DE UMA USINA SUCRO-ENERGÉTICA OPERANDO COM CICLO HÍBRIDO CONSUMINDO BAGAÇO DE CANA E GÁS NATURALLEANDRO ANDRADE FURTADO 13 November 2018 (has links)
[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.
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[pt] ANÁLISES ENERGÉTICA, ECONÔMICA E AMBIENTAL DE UM MICRO-CHP COM CÉLULA A COMBUSTÍVEL USANDO GÁS NATURAL E PAINÉIS FOTOVOLTAICOS PARA APLICAÇÕES RESIDENCIAIS E INDUSTRIAIS / [en] ENERGY, ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF A MICRO-CHP WITH FUEL CELL USING NATURAL GAS AND PHOTOVOLTAIC PANELS FOR RESIDENTIAL AND INDUSTRIAL APPLICATIONSRENATO DE OLIVEIRA GABRIEL 16 November 2020 (has links)
[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.
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[pt] MODELAGEM DE UM CICLO ORGÂNICO RANKINE COM RECUPERAÇÃO DE CALOR DE REJEITO A BAIXA TEMPERATURA / [en] SIMULATION MODEL FOR A LOW GRADE WASTE HEAT RECOVERY ORGANIC RANKINE CYCLEOSCAR JUAN PABLO RODRIGUEZ MEJIA 09 November 2021 (has links)
[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.
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