Análise termo-económica no desenvolvimento de sistemas de cogeração de pequena escala para edifícios

Abstract

A necessidade premente de resposta à escassez de combustíveis fósseis, à poluição provocada pelos mesmos e até mesmo por razões económicas, tornou indispensável o recurso a novas formas de geração de energia. Surge assim a cogeração (produção combinada de calor e electricidade), apresentando-se como a forma mais eficiente de produção de energia devido aos seus elevados rendimentos globais. Apesar de existirem alternativas como as energias renováveis (solar térmica e fotovoltaica, eólica, hídrica e das marés), estas revelam-se pouco eficientes e com custos de investimento demasiado elevados. O desenvolvimento e aplicação de sistemas de cogeração e de energias renováveis foram fomentadas, tendo sido tomadas medidas políticas e criados incentivos fiscais e monetários em Portugal, com vista à redução de emissões de gases poluentes para a atmosfera e à maior eficiência energética. A cogeração é capaz de responder positivamente, às preocupações principais a ter aquando da instalação de um sistema de energia, como por exemplo: o tipo de combustível usado, a sua rentabilidade e aplicabilidade. Neste trabalho, é feita a descrição, análise e optimização de uma instalação de cogeração que funciona sob o ciclo termodinâmico de Joule – Brayton regenerativo com turbina a gás, que inclui um regenerador (permutador interno), muito usado em sistemas deste tipo. A formulação do problema é feita com um modelo de optimização não linear, tendo como função objectivo a maximização dos lucros e sujeita a restrições impostas pelas relações termodinâmicas. O método de optimização usado designa-se por método de Box e foi implementado em ambiente MatLab. As análises realizadas neste trabalho centram-se no estudo da flutuação do valor das variáveis físicas do modelo, no desenvolvimento de novas equações de custo dos seus componentes e na integração das necessidades térmicas de um edifício de acordo com a legislação Portuguesa. O objectivo foi adaptar um modelo de optimização numérica existente, de forma a estudar, ajustar e validar, sob o ponto de vista termo-económico, os resultados obtidos. Os vários testes realizados no modelo, permitiram a obtenção de resultados mais “realistas”, em termos termodinâmicos, de acordo com o que é practicado na actualidade, como por exemplo: razões de compressão e temperaturas à saída da turbina mais baixas. Apesar das alterações efectuadas, registou-se um ajustamento aceitável dos custos dos componentes e da sua distribuição nos custos de investimento.

A urgent need of a response to the scarcity of fossil fuels, the pollution caused by them and even for economical reasons, it was imperative the resort to new forms of energy production. Thus arrises cogeneration (combined heat and power production – CHP), presenting itself as the most eficient way of energy generation, due to its high global efficiency. Although there are alternatives such as the renewable energies (solar thermal and photovoltaic, eolic, hydric and ocean wave energy) they seem to be less efficient and present higher investment costs. The development and the application of CHP systems as well as renewable energies were supported by some political measures, tax breaks and financial incentives in Portugal, in order to reduce the pollutant gases emission and to increase the energy efficiency. CHP is able to respond effectively to the main aspects to consider in the installation of energy generation systems, such as: the type of fuel, the applicability and its profitability. In this thesis it is made the description, analysis and the optimization of a CHP system working under the regenerative Joule-Brayton thermodynamic cycle for gas turbines, which includes a internal pre-heater (IPH), commonly used in this kind of systems. The problem was formulated as a nonlinear optimization problem considering as the Objective Function the maximization of the annual worth subjected to the thermodynamic relationships. The numerical solution was obtained using the optimization method called Box method, implemented in MatLab environment. The analyses performed are focused on different aspects: the fluctuation of the value correspondent to the physical variables of the model; the development of new cost equations of the model components; and in the integration of the thermal demand of a building according to the Portuguese legislation. The objective was to adapt an existing model in order to study, adjust and validate the obtained results, through a thermo-economic perspective. According to the several tests it was verified that the improvements to the model allowed to obtain more “realistic” results, in terms of thermodynamic behavior, such as the lower values of the compression ratio and the exit turbine temperature. Despite of the changes introduced to the model, it was registered an acceptable adjustment of the components costs and their distribution in the total investment costs.