Modelagem termodinâmica e otimização da integração energética de uma planta termelétrica de ciclo combinado com sistema de gaseificação - Paula, Isabele Oliveira de [UNESP] (2025)
O gás natural é um combustível relevante no contexto energético global e nacional, porém levanta questões de abastecimento e impacto climático. A biomassa surge como alternativa por meio de processos termoquímicos como a gaseificação. A integração de sistemas baseados em gaseificação com as atuais plantas de geração de eletricidade a gás natural pode aumentar a eficiência dos sistemas, além de garantir segurança energética e sustentabilidade. O presente trabalho propõe a modelagem termodinâmica e otimização de uma usina termelétrica em operação que opera em ciclo combinado com uma planta de gaseificação de biomassa via coqueima. A modelagem termodinâmica foi submetida a análises paramétricas e de sensibilidade por meio do método SS-ANOVA. Além disso, foram utilizadas diferentes estratégias de otimização numérica considerando funções mono-objetivas e multi-objetivas através da Fronteira de Pareto. Os softwares utilizados foram o IPSE GO e o ESTECO modeFRONTIER. As maiores gerações de potência foram obtidas para os valores de razão de equivalência da gaseificação (0,3), razão de pressão (18) e vazão mássica de vapor (30 kg/s) nos seus valores máximos dentro das faixas de busca. Além das vazões de combustível, os parâmetros mais influentes para a geração total de energia são a vazão mássica de vapor, a razão de pressão da turbina a gás, além da pressão na saída e a temperatura na entrada da turbina a vapor. As restrições aplicadas durante a otimização resultaram em um aumento da razão estequiométrica na câmara de combustão e em pressões mais elevadas na saída da turbina a vapor, que causam uma redução na geração de energia das turbinas. Com a maximização da geração de eletricidade das turbinas com restrições, obteve-se uma geração total líquida 23,5% maior em relação ao caso base. A otimização multiobjetivo indicou pressões entrada da caldeira de recuperação entre 50 a 56 bar e temperaturas de entrada da turbina a vapor entre 520°C a 550°C. Quando associada a otimização, a substituição parcial do gás natural por gás de síntese melhorou o potencial de recuperação de calor e reduziu os índices de emissão de dióxido de carbono (CO2), atingindo 0,58 kg/kWh e 0,57 kg/kWh para razões de mistura de gás de 0,34 e 0,32, respectivamente. De forma geral, a vazão mássica de biomassa foi praticamente desprezível nos pontos ótimos obtidos, significando que a utilização da biomassa não é considerada vantajosa do ponto de vista termodinâmico. Porém, a sua utilização pode ser vantajosa levando em consideração aspectos econômicos e ambientais e outras pesquisas devem ser conduzidas a fim de atestar a viabilidade técnica da integração proposta.