Análise termoeconômica de sistema híbrido solar térmico integrado à unidade de recuperação energética de resíduos sólidos urbanos

Abstract

Visto que tanto as tecnologias de energia solar concentrada e de recuperação energética de resíduos sólidos urbanos ainda não foram viabilizadas no Brasil, este trabalho tem como objetivo a proposição e análise termoeconômica de sistema híbrido de geração termoelétrica, explorando aspectos da viabilidade dessas tecnologias em um arranjo integrado e inovador. A metodologia de análise foi implementada no software de simulação Ebsilon Professional®, sendo o principal requisito a produção máxima de energia elétrica em base anual, a partir da operação em carga base. Restrita ao aporte de recurso solarimétrico para múltiplo solar MS < 1, no qual não há o superdimensionamento do campo solar (SF), e a disponibilidade de resíduos sólidos urbanos é de 115.000 t/ano, aplicado ao estudo de caso da cidade de Petrolina/ Pernambuco. O sistema híbrido consiste de uma planta de energia solar concentrada com tecnologia de coletores de calhas parabólicas Parabolic Trough Collector (PTC) com geração de vapor saturado de maneira indireta, sistema de conversão energética de resíduos composto de gaseificação de combustível derivado de resíduos e turbina a gás para conversão do biogás, sistema de recuperação de calor e queima suplementar e geração de vapor superaquecido e bloco de potência que compreende turbina a vapor, condensador, bombas, trocadores de calor e auxiliares, perfazendo um sistema híbrido de geração termoelétrica com uma potência bruta total de 14,3 MW. A partir da simulação anual do sistema híbrido foram obtidos como resultados uma geração anual de energia elétrica de 114.608 MWh/ano, uma fração solar anual de 11%, fator de capacidade de 91,5% e eficiência energética do sistema híbrido de 43%. A análise técnica foi complementada pela análise econômica por meio dos indicadores econômicos: valor presente líquido (VPL), taxa interna de retorno (TIR), payback e custo nivelado de energia elétrica (LCOE). Por fim foi realizada uma análise de sensibilidade para diferentes múltiplos solares avaliando impacto na fração solar e realizada uma comparação do projeto híbrido proposto com as tecnologias utilizadas de maneira não integrada. Sistemas híbridos, conforme o proposto neste trabalho, podem ser uma alternativa importante no endereçamento das externalidades do gerenciamento atual de resíduos sólidos urbanos no contexto de políticas públicas e iniciativas para a sustentabilidade das cidades, mas também acessar áreas cujo recurso solarimétrico seja moderado. Adiciona-se também que o conceito híbrido poder ser replicado em diferentes localidades, inclusive contemplando a hibridização com outras fontes de energia, notavelmente resíduos agroindustriais, biomassa energética, além é claro do gás natural, combustível de transição para a economia de baixo carbono.

Abstract : Since both concentrated solar energy and solid waste energy recovery technologies have not yet been feasible in Brazil, this work has the purpose of proposing and thermo-economical analysis of a hybrid thermoelectric generation system, exploring feasibility aspects of these technologies in an innovative integrated arrangement. The energetic analysis methodology was implemented in Ebsilon Professional® simulation software, the main requirement being the annual electric power production, based on base load operation, restricted to the contribution of solarimetric resource to solar multiple <1, where there is no oversizing of the solar field, and availability of urban solid waste is 115,000 t/year, applied to Petrolina/Pernambuco the case study. The hybrid system consists of a concentrated solar energy plant with parabolic trough collector (PTC) technology with indirectly saturated steam generation, waste energy conversion system consisting of refused derived fuel gasification and gas turbine for biogas conversion, heat recovery steam generation with duct burner and power block comprising steam turbine, condenser, pumps, heat exchangers and auxiliaries, making up a hybrid thermoelectric generation system with a total gross power of 14,3 MW. An annual electricity generation of 114,608 MWh/year, an annual solar fraction of 11%, a capacity factor of 91.5% and the energy efficiency of the hybrid system of 43% were obtained as a result of the annual simulation of the hybrid system. The technical analysis was complemented by economic analysis through the economic indicators: net present value NPV, internal rate of return IRR, payback and levelized cost of electricity LCOE. Finally, a sensitivity analysis was performed for different solar multiples evaluating impact in the solar fraction and a comparison of the proposed hybrid project with the technologies used but in an unintegrated way was carried out. Hybrid systems as proposed in this work can be an important alternative in addressing the externalities of the current management system of urban solid waste in the context of public policies and initiatives for the sustainability of cities, but also to access areas with moderate solarimetric resources. It is also added that the hybrid concept can be replicated in different locations, including hybridization with other energy sources, notably agroindustrial residues, energy biomass, and of course natural gas, the transition fuel for the low carbon economy.