Armazenamento Térmico com Pistão Bombeado (TPPS)
Introdução
O armazenamento de energia é um dos desafios críticos na transição para fontes renováveis, especialmente em regiões onde a geração solar e eólica são intermitentes. O conceito de Armazenamento Térmico com Pistão Bombeado (TPPS) combina armazenamento de energia potencial com armazenamento térmico de água quente em uma estrutura subterrânea, proporcionando solução híbrida para suprimento de eletricidade e calor.
Princípio de Funcionamento
O TPPS consiste em um cilindro subterrâneo preenchido com água, onde um pistão pode ser hidraulicamente elevado ou rebaixado para armazenar e liberar energia potencial. O sistema está integrado a uma rede de calor, permitindo armazenar e transferir energia térmica conforme a demanda. O funcionamento ocorre da seguinte forma:
- Carregamento: O pistão é elevado bombeando água sob pressão. Durante esse processo, a energia elétrica excedente é convertida em energia potencial.
- Armazenamento de Calor: A água contida no reservatório subterrâneo é aquecida por painéis solares térmicos ou por resistências elétricas, armazenando energia térmica para uso posterior.
- Descarga: O pistão é rebaixado para acionar um gerador, convertendo a energia potencial em eletricidade. Simultaneamente, a água quente pode ser distribuída para consumo térmico.
Modelagem Matemática e Simulação
A modelagem dinâmica do TPPS envolve a análise de fenômenos de transporte de calor, incluindo condução e convecção no meio líquido, perda de calor para o solo e interação entre os elementos do sistema. Os principais parâmetros considerados incluem:
- Energia Potencial: ( E_{pot} = m g h )
- Energia Térmica: ( Q = m c_p \Delta T )
- Eficiência da Armazenagem: Considera perdas térmicas e conversão de energia mecânica em elétrica.
Simulações numéricas demonstram que o TPPS pode garantir um fornecimento confiável de energia renovável para regiões urbanas e industriais. Quanto maior a escala do sistema, maior a eficiência térmica devido à menor relação entre a superfície de perda e o volume de armazenamento.
Aplicabilidades e Benefícios
O TPPS apresenta vantagens significativas para armazenamento de energia sazonal e estabilização da rede elétrica. Entre as aplicações destacam-se:
- Redução de Dependência de Combustíveis Fósseis: Fornece uma fonte contínua de energia renovável sem necessidade de backup fóssil.
- Armazenamento Híbrido: Integra armazenamento térmico e elétrico, aumentando a flexibilidade da rede.
- Infraestrutura Subterrânea: Minimiza impacto ambiental e ocupação de superfície.
Conclusão
O TPPS é uma solução inovadora para armazenamento de energia, permitindo um suprimento eficiente e sustentável de eletricidade e calor. A modelagem e simulação demonstram sua viabilidade em larga escala, contribuindo para a estabilidade da rede elétrica e redução das emissões de carbono. Com estudos avançados de otimização e implementação em cenários reais, o TPPS pode desempenhar um papel essencial na transição energética global.
Referência
Este artigo foi baseado no estudo: Haeuslein, D., Schmidt-Vollus, R., Popp, M., & Schaefer, M. (2024). “Dynamic modeling, design and simulation of a thermal pumped piston storage within a renewable energy distribution system.” Journal of Energy Storage, 100, 113348. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.113348