[pt] ESTUDO DE UMA UNIDADE CHP COMBINANDO UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DO TIPO PEMFC, PAINÉIS FOTOVOLTAICOS E SISTEMA DE ARMAZENAMENTO: ANÁLISE 4E
[pt] A crescente demanda energética verificada ao redor do mundo e a conscientização pública acerca dos efeitos deletérios do excesso de gases estufa na atmosfera vem colaborando para a articulação de compromissos de grande alcance em nome da adaptação das matrizes energéticas a formas ambiental e e...
| Language: | pt |
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| Published: |
MAXWELL
2021
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| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=56799@1 https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=56799@2 http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.56799 |
| Summary: | [pt] A crescente demanda energética verificada ao redor do mundo e a
conscientização pública acerca dos efeitos deletérios do excesso de gases estufa
na atmosfera vem colaborando para a articulação de compromissos de grande
alcance em nome da adaptação das matrizes energéticas a formas ambiental
e economicamente sustentáveis. A adesão à energias renováveis (como solar
e eólica) e a descentralização da matriz energética por meio de tecnologias
de geração distribuída (visando a melhoria da eficiência do uso da energia)
são alguns dos movimentos mais relevantes realizados para fazer frente a essas
demandas. Neste ínterim, o presente trabalho é dedicado à simulação numérica
mediante o conceito 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) de um
sistema híbrido CHP (Combined Heat and Power) on-grid para atendimento
de pequenas demandas residenciais ou industriais, tendo gás natural e energia
solar como vetores energéticos preferenciais. O sistema inclui um reformador
de gás natural para produção de gás de síntese rico em hidrogênio, uma
célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEM), painéis
fotovoltaicos, baterias conectadas à rede elétrica por um inversor bidirecional,
trocadores de calor e componentes auxiliares como compressores e boilers.
Os componentes do sistema foram modelados separadamente com base em
equações de conservação e seus modelos devidamente validados. Uma análise
energética e exergética do reformador de gás natural foi conduzida mediante a
metodologia de planejamento de experimentos a fim de avaliar a necessidade de
considerar uma formulação complexa do combustível em vez de um substituto
(metano puro). Posteriormente, estes modelos foram inseridos como módulos
de uma rotina mais ampla destinada a simular o desempenho econômico
do sistema integrado num intervalo de tempo de até 20 anos. Tal rotina,
implementada no MATLAB, permite a flexibilização de critérios operacionais
importantes como número de consumidores, configuração do sistema híbrido
(armazenamento e participação de painéis fotovoltaicos), diferentes tipos de tarifa (convencional ou branca) e o possível uso de rejeito térmico para
cogeração, enriquecendo o escopo de resultados obtidos. Paybacks entre 7 e
20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações
dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020, onde
consumidores residenciais obtiveram resultados predominantemente melhores
do que os industriais em virtude da demanda menos exigente dos primeiros.
Foram também previstas reduções de até 50% no custo cumulativo total
para consumidores residenciais referente a adesão ao sistema proposto por
20 anos, levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos
componentes para as próximas décadas. A avaliação do sistema em termos
ambientais foi feita através da quantidade equivalente de CO2 por unidade
de energia. Concluiu-se que a configuração completa, mesmo auxiliada por
cogeração, supera a média de emissões da matriz energética brasileira (devido
à alta participação das fontes renováveis nessa matriz), permanecendo, ainda
assim, como uma opção melhor do que a combustão pura do gás natural,
especialmente no que diz respeito ao atendimento de demanda térmica. === [en] The growing energy demand verified around the world and public awareness
about the harmful effects of greenhouse gases excess in the atmosphere
have been contributing to the articulation of far-reaching commitments in the
name of adapt energy matrices to environmentally and economically sustainable
ways. The adherence to renewable energy (such as solar and eolic) and
descentralization of energy matrix through distributed generation technologies
(aiming at the improvment of efficiency of energy use) are some of the
more relevant movements done in order to deal with these demands. In the
meantime, the present work is dedicated to numerical simulation using the 4E
(Energy, Exergy, Environmental and Economic) concept of an on-grid hybrid
CHP system to meet small residential or industrial demands, using natural gas
and solar energy as preferred energy vectors. The system includes a natural
gas reformer for the production of hydrogen-rich synthesis gas, a proton exchange
membrane fuel cell (PEM), photovoltaic panels, batteries connected to
the grid by a bidirectional inverter, heat exchanger and auxiliary componentes,
such as compressors and boilers. The system components were modeled separately
based on conservation equations and their models duly validated. An
energy and exergy analysis of the natural gas reformer was conducted using
design of experiment methodology in order to assess the necessity to consider
a complex formulation of the fuel instead of a surrogate (pure methane). Subsequently,
these models were inserted as modules of a broader routine designed
to simulate the economic performance of the integrated system in a time interval
of up to 20 years. This routine implemented in MATLAB allows for the
flexibility of important operational criteria such as the number of consumers,
configuration of the hybrid system (storage and participation of solar energy),
different types of tariff (conventional or white) and the posible use of reject
heat for cogeneration, enriching the scope of the results obtained. Paybacks between 7 and 20 years of system operation were achieved for different combinations
of the examined parameters considering adherence in the year 2020,
where residential consumers have predominantly obtained better results than
industrial ones due to the less intense demand of the first ones. Reductions
of up to 50% in the total cumulative cost related to adherence to the proposed
system for 20 years for residential users were also foreseen, taking into
account the expected drop in component acquisition costs over the next few
decades. The evaluation of the system in environmental terms was assessed
through equivalent amount of CO2 by energy unit. It was concluded that the
complete configuration, even supported by cogeneration, exceeds the average
of the brazilian energy matrix emissions (due to the high share of renewable
sources in this matrix), nevertheless remaining as a better option than pure
combustion of natural gas, specially for meeting thermal demand. |
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