Avaliação termo-econômica de sistemas de ciclo rankine orgânico para recuperação de calor residual e repotenciação de uma termelétrica à biogás de aterro sanitário

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Loyola, Lucas Rodrigues
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Mestrado em Engenharia Mecânica
Centro Tecnológico
UFES
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/16810
Resumo: Faced with the importance of producing additional energy with reduced environmental impacts to satisfy the growing demand for energy, the term Waste Heat Recovery (WHR) arises, which is basically the recovery of thermal waste by transforming it into useful energy. Thermal power plants that operate with internal combustion engines reject considerable amounts of heat through the exhaust gas and cooling systems. Among the various technologies for energy recovery, an attractive alternative, which has been widely studied in recent years, is the use of Organic Rankine Cycle (ORC), which aims to increase energy efficiency without the additional use of fuel. However, for the implementation of this technology an economic evaluation must be done to understand its viability. This work has as a case study the thermoelectric plant of the Urban Solid Waste (USW) valorization company, Marca Ambiental. Starting from nominal data, a thermodynamic analysis of the Generating Units (GUs) that compose the plant is performed, including balances of mass, energy and exergy. Next, two organic Rankine cycles are modeled for the recovery of each residual heat source: exhaust gases and engine cooling water, using EES and IPSEpro softwares. The economic analysis is based on a method of parametric equations for determining the costs of each equipment, obtaining the total value of the initial investment in each plant modeled and with this are performed calculations of economic viability indicators: PayBack (simple and discounted), Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR). The main contribution of this work is to perform a preliminary study of the possibility of repowering a biogas thermal power plant. The results show that, of the modeled cycles, only the one that uses the heat from the exhaust gases is economically feasible, and can generate an increase of almost 13% in the electric power generated in the thermoelectric plant and presenting a discounted payback of about 6 years.
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However, for the implementation of this technology an economic evaluation must be done to understand its viability. This work has as a case study the thermoelectric plant of the Urban Solid Waste (USW) valorization company, Marca Ambiental. Starting from nominal data, a thermodynamic analysis of the Generating Units (GUs) that compose the plant is performed, including balances of mass, energy and exergy. Next, two organic Rankine cycles are modeled for the recovery of each residual heat source: exhaust gases and engine cooling water, using EES and IPSEpro softwares. The economic analysis is based on a method of parametric equations for determining the costs of each equipment, obtaining the total value of the initial investment in each plant modeled and with this are performed calculations of economic viability indicators: PayBack (simple and discounted), Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR). The main contribution of this work is to perform a preliminary study of the possibility of repowering a biogas thermal power plant. The results show that, of the modeled cycles, only the one that uses the heat from the exhaust gases is economically feasible, and can generate an increase of almost 13% in the electric power generated in the thermoelectric plant and presenting a discounted payback of about 6 years.De frente à importância da geração de energia elétrica adicional com redução de impactos ambientais para suprir a crescente necessidade energética, surge o termo Waste Heat Recovery (WHR), que é basicamente a recuperação de resíduos térmicos, os transformando em energia útil. Usinas termelétricas que operam com motores de combustão interna descartam parcelas consideráveis de calor pelos sistemas de exaustão de gases e de resfriamento. Dentre as diversas tecnologias para recuperação de energia térmica, uma alternativa atrativa, que foi amplamente estudada nos últimos anos, é a utilização de Ciclo Rankine Orgânico (ORC), que visa o aumento da eficiência energética, sem o uso adicional de combustível. No entanto, para a implementação dessa tecnologia deve-se fazer uma avaliação econômica para conhecer sua viabilidade. Este trabalho tem como estudo de caso a usina termelétrica da empresa de valorização de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU), Marca Ambiental. Partindo de dados nominais, é feita uma análise termodinâmica das Unidades Geradoras (UGs) que compõem a usina, englobando balanços de massa, energia e exergia. Em seguida são modelados dois ORCs para a recuperação de cada fonte residual de calor: gases de exaustão e água de resfriamento dos motores, usando os softwares EES e IPSEpro. A análise econômica é baseada no método de equações paramétricas para a determinação dos custos de cada equipamento, obtendo-se o valor total do investimento em cada planta modelada, para, em seguida, realizar os cálculos dos indicadores de viabilidade econômica: PayBack (simples e descontado), Valor Presente Líquido (VPL) e Taxa Interna de Retorno (TIR). A principal contribuição deste trabalho é realizar um estudo preliminar da possibilidade de repotenciação de uma usina termelétrica a biogás. Os resultados mostram que, dos ciclos modelados, apenas o que utiliza o calor proveniente dos gases de exaustão é viável economicamente, podendo gerar um aumento de quase 13% na potência elétrica gerada e apresentando um payback descontado de cerca de 6 anos.Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Universidade Federal do Espírito SantoBRMestrado em Engenharia MecânicaCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaSantos, José Joaquim Conceicao Soareshttps://orcid.org/0000-0003-3695-2014http://lattes.cnpq.br/6666040476009642https://orcid.org/0009-0002-7846-6794http://lattes.cnpq.br/3717957538946598Rocha, Mateus Henriquehttp://lattes.cnpq.br/0475301802380674Donatelli, João Luiz Marconhttp://lattes.cnpq.br/2019757368415541Morawski, Alexandre Persuhnhttps://orcid.org/0000-0002-1158-3083http://lattes.cnpq.br/0116066750864705Loyola, Lucas Rodrigues2024-05-30T01:41:34Z2024-05-30T01:41:34Z2023-03-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/16810porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2024-09-23T07:18:41Zoai:repositorio.ufes.br:10/16810Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082024-09-23T07:18:41Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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