Análise termodinâmica de um sistema de armazenamento de energia por ar comprimido de pequeno porte considerando diferentes modos de operação do sistema

Abstract

Na busca por alternativas aos combustíveis fósseis, fontes renováveis de energia como a eólica e a solar ganham cada vez mais importância na matriz energética mundial. Um problema associado à geração de energia a partir desses recursos está relacionado à intermitência natural a estas fontes. Para mitigar esse problema podem-se empregar sistemas de armazenamento de energia combinados às fontes renováveis. Dentre esses, os sistemas de armazenamento de energia por ar comprimido (Compressed Air Energy Storage ou CAES) se destacam pela sua eficiência e maturidade tecnológica. O presente estudo conduziu uma análise termodinâmica, através do software Matlab, de um ciclo de operação de um sistema CAES adaptado a partir de uma microturbina a gás, considerando diferentes condições de operação para esse sistema. Consideraram-se situações nas quais o reservatório de armazenamento de ar comprimido operasse a volume constante e a pressão constante, levando-se em conta, nesses casos, cenários nos quais esse reservatório operaria de forma isotérmica, adiabática e trocando calor por convecção com o ar armazenado, avaliando-se a performance do sistema CAES operando nessas diferentes configurações. Resultados obtidos através das simulações indicam a importância que a condição de transferência de calor das paredes do reservatório exerce sobre a capacidade de armazenamento de exergia desse, sendo observado que o reservatório com paredes isotérmicas pode armazenar até 37% mais exergia do que o reservatório com paredes adiabáticas para um mesmo volume. Quanto ao sistema CAES com armazenamento de ar à pressão constante, observou-se uma maior eficiência de ida e volta e uma destruição de exergia consideravelmente menor em comparação com o sistema CAES com reservatório isocórico para uma mesma duração de ciclo de trabalho. Num dos cenários analisados considerou-se a integração de dois tipos diferentes de sistemas de armazenamento de energia térmica (Thermal Energy Storage ou TES) por calor sensível ao sistema CAES, avaliando o efeito da incorporação desses componentes sobre o consumo de combustível na câmara de combustão e sobre o desempenho termodinâmico do sistema global. Foi verificado que a integração de um sistema TES ao sistema CAES isobárico com armazenamento isotérmico pode reduzir em quase 12% o consumo total de combustível desse sistema, aumentando em quase 4% a sua eficiência de ida e volta.