Doutoramento em Engenharia MecânicaThe PhD project addresses the potential of using concentrating solar power
(CSP) plants as a viable alternative energy producing system in Libya.
Exergetic, energetic, economic and environmental analyses are carried out
for a particular type of CSP plants. The study, although it aims a particular
type of CSP plant – 50 MW parabolic trough-CSP plant, it is sufficiently
general to be applied to other configurations. The novelty of the study, in
addition to modeling and analyzing the selected configuration, lies in the use
of a state-of-the-art exergetic analysis combined with the Life Cycle
Assessment (LCA). The modeling and simulation of the plant is carried out in
chapter three and they are conducted into two parts, namely: power cycle
and solar field. The computer model developed for the analysis of the plant is
based on algebraic equations describing the power cycle and the solar field.
The model was solved using the Engineering Equation Solver (EES)
software; and is designed to define the properties at each state point of the
plant and then, sequentially, to determine energy, efficiency and irreversibility
for each component. The developed model has the potential of using in the
preliminary design of CSPs and, in particular, for the configuration of the solar
field based on existing commercial plants. Moreover, it has the ability of
analyzing the energetic, economic and environmental feasibility of using
CSPs in different regions of the world, which is illustrated for the Libyan
region in this study. The overall feasibility scenario is completed through an
hourly analysis on an annual basis in chapter Four. This analysis allows the
comparison of different systems and, eventually, a particular selection, and it
includes both the economic and energetic components using the “greenius”
software. The analysis also examined the impact of project financing and
incentives on the cost of energy. The main technological finding of this
analysis is higher performance and lower levelized cost of electricity (LCE) for
Libya as compared to Southern Europe (Spain). Therefore, Libya has the
potential of becoming attractive for the establishment of CSPs in its territory
and, in this way, to facilitate the target of several European initiatives that aim
to import electricity generated by renewable sources from North African and
Middle East countries. The analysis is presented a brief review of the current
cost of energy and the potential of reducing the cost from parabolic trough-
CSP plant. Exergetic and environmental life cycle assessment analyses are
conducted for the selected plant in chapter Five; the objectives are 1) to
assess the environmental impact and cost, in terms of exergy of the life cycle
of the plant; 2) to find out the points of weakness in terms of irreversibility of
the process; and 3) to verify whether solar power plants can reduce
environmental impact and the cost of electricity generation by comparing
them with fossil fuel plants, in particular, Natural Gas Combined Cycle
(NGCC) plant and oil thermal power plant. The analysis also targets a
thermoeconomic analysis using the specific exergy costing (SPECO) method
to evaluate the level of the cost caused by exergy destruction. The main
technological findings are that the most important contribution impact lies with
the solar field, which reports a value of 79%; and the materials with the
vi
highest impact are: steel (47%), molten salt (25%) and synthetic oil (21%).
The “Human Health” damage category presents the highest impact (69%)
followed by the “Resource” damage category (24%). In addition, the highest
exergy demand is linked to the steel (47%); and there is a considerable
exergetic demand related to the molten salt and synthetic oil with values of
25% and 19%, respectively. Finally, in the comparison with fossil fuel power
plants (NGCC and Oil), the CSP plant presents the lowest environmental
impact, while the worst environmental performance is reported to the oil
power plant followed by NGCC plant. The solar field presents the largest
value of cost rate, where the boiler is a component with the highest cost rate
among the power cycle components. The thermal storage allows the CSP
plants to overcome solar irradiation transients, to respond to electricity
demand independent of weather conditions, and to extend electricity
production beyond the availability of daylight. Numerical analysis of the
thermal transient response of a thermocline storage tank is carried out for the
charging phase. The system of equations describing the numerical model is
solved by using time-implicit and space-backward finite differences and which
encoded within the Matlab environment. The analysis presented the following
findings: the predictions agree well with the experiments for the time evolution
of the thermocline region, particularly for the regions away from the top-inlet.
The deviations observed in the near-region of the inlet are most likely due to
the high-level of turbulence in this region due to the localized level of mixing
resulting; a simple analytical model to take into consideration this increased
turbulence level was developed and it leads to some improvement of the
predictions; this approach requires practically no additional computational
effort and it relates the effective thermal diffusivity to the mean effective
velocity of the fluid at each particular height of the system.
Altogether the study indicates that the selected parabolic trough-CSP plant
has the edge over alternative competing technologies for locations where DNI
is high and where land usage is not an issue, such as the shoreline of Libya.O projeto de Doutoramento aborda o potencial de usar centrais de energia
solar concentrada (CSP) como um sistema de produção de energia
alternativa disponível na Líbia. Uma análise nas vertentes exergética,
energética, económica e ambiental foi realizada para um tipo particular
destas centrais – um sistema de 50 MW com receção parabólica, porém ela
é suficientemente geral para ser aplicada a outras configurações. A
originalidade do estudo, para além da modelação e análise da configuração
selecionada encontra-se na utilização do estado da arte em termos da
análise exergética combinada com a avaliação do ciclo de vida (LCA).
A modelação e simulação da central CSP selecionada são efetuadas no
terceiro capítulo tendo em consideração as duas componentes: ciclo de
potência e campo de coletores solar. O modelo computacional para a análise
do sistema foi desenvolvido com base em equações algébricas que
descrevem o sistema, e que são resolvidas usando o software EES. Deste
modo, são definidas as propriedades em cada ponto de interesse para os
diferentes elementos do sistema, o que assim permite determinar as
energias, eficiências e irreversibilidades desses elementos. O modelo
desenvolvido tem o potencial de se tornar uma ferramenta de grande
utilidade para o projeto preliminar de engenharia de centrais CSP, e também
para a avaliação da eventual reconfiguração de centrais elétricas solares
comerciais em operação. Além disso, o modelo pode ser utilizado no estudo
de viabilidade da operação de centrais CSP, através da análise energética,
económica e ambiental, para regiões diferentes da que foi escolhida no
presente estudo -Trípoli (Líbia). O cenário total da viabilidade da operação da
central CSP é completado através da análise horária com base anual
apresentada no quarto capítulo. Esta análise permite a comparação de
diferentes sistemas e, eventualmente permite fazer a seleção com base nas
componentes económicas e energéticas, que são determinadas dentro do
contexto do software greenius. A análise também toma em conta o impacto
de financiamento e incentivos dados aos projetos no custo da produção de
energia. O principal resultado desta análise é a verificação que o
desempenho é mais elevado, com o consequente menor custo nivelado da
eletricidade, para a Líbia em comparação com o Sul da Europa (Espanha).
Assim a Líbia tem o potencial de se tornar um candidato atrativo para o
estabelecimento de centrais CSP com o objetivo, como foi considerado em
várias iniciativas europeias, de exportar eletricidade gerada através de fontes
de energia renováveis de países do Norte de África e Médio Oriente para a
Europa. A análise apresenta uma breve revisão do custo corrente da
eletricidade e o potencial para reduzir o custo da energia a partir da
tecnologia de receção parabólica de centrais CSP. A avaliação do ciclo de
vida com base exergética (ELCA) e a avaliação do ciclo de vida convencional
são realizadas para a centrais CSP específicas no quinto capítulo. Os
objetivos são 1) avaliar o impacto ambiental e custo, em termos de do ciclo
iv
de vida exergético do sistema; 2) identificar pontos fracos em termos da
irreversibilidade dos processos; e 3) verificar se as centrais CSP podem
reduzir o impacto ambiental e o custo de geração de eletricidade em
comparação com centrais que consomem combustível fóssil. O capítulo
ainda apresenta uma análise termoeconómica com base na metodologia do
custo específico da exergia (SPECO), que avalia o custo relacionado com a
destruição de exergia. A análise verificou que o impacto mais importante é a
contribuição apresentada pelo campo solar (79%), e os materiais com maior
impacto são: aço (47%), sal fundido (25%) e óleo sintético (21%). A análise
ELCA mostra que a maior demanda de exergia é devida ao aço (47%); a
análise existe uma considerável demanda de exergia relacionada com o sal
fundido e ainda o óleo sintético. Em comparação com as centrais que
consomem combustível fóssil (NGCC e óleo) a central sistema CSP
apresenta menor impacto ambiental, enquanto o pior desempenho ambiental
é o da central com queima de óleo seguida pela central a gás natural
(NGCC). Na central CSP, o campo solar apresenta o custo mais elevado,
enquanto o gerador de vapor, entre os componentes do ciclo de potência,
apresenta o maior custo. O armazenamento de energia térmica permite que
as centrais CSP superem a intermitência de radiação solar para responder à
procura de energia elétrica independentemente das condições climáticas, e
também possam estender a produção de eletricidade para além da
disponibilidade da radiação solar diária. A análise numérica do transiente
térmico de um sistema de armazenamento de gradiente térmico é realizada
durante a fase de carregamento. O sistema de equações que descreve o
modelo numérico é resolvido através da utilização de diferenças finitas
implícitas no tempo usando o software Matlab. Os resultados da análise
indicam que as previsões estão em boa concordância com os dados
experimentais para a evolução no tempo da região de gradiente térmico, em
particular para regiões mais afastadas da entrada. Nesta região os desvios
observados são provavelmente causados pelo alto nível de turbulência
devido à penetração do jato no seio do tanque de armazenamento. O
modelo analítico simples para simular a turbulência que foi desenvolvido
melhora os resultados. Esta abordagem não requer esforço computacional
adicional e determina a difusidade térmica efetiva ao longo do tanque