Metodologia simplificada para a análise termoeconómica de sistemas de cogeração com motor Stirling

Abstract

O aumento do consumo de energia a nível mundial tem levado a uma diminuição das reservas de energias fósseis, nomeadamente do petróleo, uma das principais fontes. Surgiu assim a necessidade de diversificação no consumo de energia, o que tem levado ao desenvolvimento de novas tecnologias mais limpas para a geração e conversão de energia, como os sistemas de cogeração, as energias eólica, solar, ondas, a biomassa, bem como de outras já existentes como a energia hídrica e a energia nuclear. O trabalho presente é dedicado à análise de sistemas de micro-cogeração baseados na tecnologia dos motores Stirling. O estudo inicia-se com uma revisão geral do estado da arte dos sistemas de cogeração, tendo em conta a legislação existente, os ciclos termodinâmicos utilizados e as suas respetivas tecnologias. Segue-se uma análise específica sobre micro-sistemas de cogeração e das tecnologias emergentes mais promissoras. É apresentada uma descrição da tecnologia com motor Stirling explicando-se o seu funcionamento, possíveis configurações, principais componentes, fluidos de trabalho, perdas de energia e efeitos que alguns parâmetros têm na sua performance. É descrito o modelo matemático utilizado na simulação de sistemas Stirling, dividido em modelo físico e económico. No modelo físico apresenta-se a modelação matemática do ciclo Stirling, que recorre a métodos numéricos para calcular potências, rendimentos, eficácias, em função de parâmetros geométricos e operacionais. No modelo económico é descrito o desenvolvimento das equações de custo para os principais componentes do sistema, i.e. para os permutadores de aquecimento, arrefecimento, regenerador e para o bloco do motor. O estudo prossegue com uma análise de sensibilidade aos principais parâmetros do modelo físico, que incluem variáveis também presentes nas equações de custo do motor Stirling. O desenvolvimento das equações de custo permitiu estimar o custo total de vários sistemas Stirling e a sua comparação com os valores reais de sistemas já existentes no mercado. Estas análises permitiram perceber de que forma varia a potência e o rendimento de um motor Stirling com os parâmetros mais importantes, bem como a implicação que estas variações têm no custo de investimento deste tipo de pequenos sistemas de cogeração. Estes resultados são de grande utilidade para a futura definição de uma metodologia para a otimização tecnoeconómica deste tipo de sistemas.

The global increase in energy consumption has led to a decrease in the reserves of fossil fuels and to the need for diversification in energy consumption. This led to the development of new technologies for cleaner energy conversion, such as cogeneration systems, wind, solar, biomass and wave energies, and existing ones such as hydroelectric and nuclear energies. The present work is dedicated to micro-cogeneration systems based on Stirling engine technology. The study starts with a state of the art review on general cogenerations systems, taking into account the existing legislation, the thermodynamic cycles and their corresponding technologies. A more specific review on the most promising emerging technologies for microsized cogeneration units was also made. The study follows with a description of the Stirling engine technology, including basic principles, engine configurations, main components, working fluids, energy losses, and the effect of some parameters on engine performance. The mathematical model used in the simulation of Stirling systems is described. The model is divided into physical and economic models. The physical model includes the Stirling thermodynamic cycle, and uses numerical methods for calculating power, engine efficiency and heat-exchangers effectiveness, as functions of some geometric and operational parameters. The economic model involved the development of cost-equations for the system main components, namely for the heater, cooler, regenerator and engine block. Finally a sensitivity analysis was made on the main parameters affecting the physical model, including variables also present in the Stirling engine cost-equations. The development of the cost-equations allowed us to estimate the total investment costs of various Stirling systems and to compare them with the actual values of systems available in the market. These analyses allowed the understanding of how of a Stirling engine efficiency and power varies with the most important parameters, as well as the implication of these variations on the investment costs of this kind of small cogeneration systems. These results are useful for the future development of a methodology for the techno-economic optimisation of such systems.