Pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca propuseram usar baterias Carnot para converter usinas de energia a carvão para produção de energia renovável.
As baterias Carnot são sistemas que armazenam eletricidade na forma de calor através de meios de armazenamento, como água ou sal fundido, e transformam o calor de volta em eletricidade quando necessário. Esta categoria inclui sistemas de armazenamento de energia de ar líquido (LAES) e sistemas de armazenamento de energia térmica bombeada (PTES) baseados em Brayton ou Rankine, bem como armazenamento Lamm-Honigmann, que é uma técnica baseada em sorção que pode ser carregada e descarregada com calor e energia elétrica, e sistemas baseados em aquecimento resistivo integrado com ciclos de potência.
Os cientistas explicaram que as usinas a carvão desativadas são locais ideais para combinar aquecedores elétricos e armazenamento térmico, pois permitem a reutilização de equipamentos existentes, como turbinas a vapor, caldeiras de recuperação de calor e trocadores de calor. “Além disso, os geradores convencionais, em vez de recursos baseados em inversores, são capazes de reter uma quantidade significativa de inércia para a estabilização da frequência da rede”, disseram.
O grupo investigou, em particular, retrofits de usinas de energia a carvão usando armazenamento de energia térmica de leito compactado e aplicou sua abordagem a uma instalação de energia a carvão chilena de 300 MW com uma produção de vapor vivo a 565 C e 160 bar.
Para sua modelagem, os cientistas consideraram uma instalação de leito lotado com capacidade de armazenamento de 1,37 GWh e temperatura de armazenamento de 730 °C. O sistema utiliza o ar atmosférico como fluido de transferência de calor (HTF) e material sólido como meio de armazenamento. Os aquecedores, válvulas e tubos de entrada e saída são colocados sobre o sistema para evitar escavações adicionais e permitir que o leito rochoso seja instalado parcialmente abaixo do nível do solo, facilitando a manutenção.
Imagem: Universidade Técnica da Dinamarca, Journal of Energy Storage, Creative Commons License CC BY 4.0
“As perdas térmicas estimadas para essa configuração são de 1,94% ao dia, enquanto a perda de pressão máxima sobre o leito embalado, neste trabalho observável durante a descarga, é calculada em 49 mbar”, disse a equipe. “O tempo de carregamento foi selecionado para usar o máximo de horas de luz solar para representar o uso de energia renovável de usinas fotovoltaicas (PV) e, dessa forma, a descarga ocorrerá durante a noite ou quando a luz solar não estiver disponível”.
Na configuração do sistema proposta, as usinas fotovoltaicas alimentam o aquecedor elétrico do sistema de armazenamento conectado ao tanque de armazenamento, que por sua vez fornece calor ao gerador de vapor conectado à turbina a vapor e ao condensador da usina a carvão.
Por meio de sua análise, os cientistas descobriram que a usina adaptada pode alcançar uma produção líquida anual de energia de cerca de 443 GWh para capacidade de armazenamento de 4 horas, 797 GWh para capacidade de armazenamento de 8 h e 1.150 GWh para armazenamento de 12 horas. “Esses valores são cerca de 3,4% menores quando a temperatura do ar na entrada do gerador de vapor é ajustada para 590 °C”, explicaram.
Eles também descobriram que a maior eficiência anual de ida e volta do sistema foi alcançada para uma capacidade de armazenamento de 8 h, e que o menor custo nivelado de energia (LCOE) é alcançado para a maior capacidade de armazenamento em € 88,09 ($ 95,97) / MWh. “Esse valor parece competitivo tanto com usinas convencionais de última geração quanto com alternativas como as alimentadas com armazenamentos térmicos à base de sal fundido”, acrescentaram.
Suas descobertas foram introduzidas no artigo “Retrofit de uma usina a carvão com armazenamento de energia térmica em leito de rocha“, publicado no Journal of Energy Storage.
A equipe observou que um estudo de acompanhamento implementando as ferramentas desenvolvidas no trabalho em uma otimização técnico-econômica poderia abrir caminho para a implementação, identificando a operação ideal e dimensionando para o menor custo e a máxima receita.
Outra equipe de pesquisa da Universidade Técnica da Dinamarca investigou este ano o que as baterias Carnot de custo nivelado de armazenamento (LCOS) exigem para se tornarem competitivas em um cenário 100% renovável para seu país de origem. Descobriram que um LCOS inferior a 66,2 euros/MWh seria competitivo, desde que os preços do gás se mantivessem em níveis baixos.
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