Aumentando quando o sol faz uma pausa

Hoje, a Duke Energy é um dos principais fornecedores de energia solar nos Estados Unidos. No entanto, o fornecimento de eletricidade precisa ser garantido mesmo quando o sol não brilha. Mas, como? Na Carolina do Norte, a Lincoln Combustion Turbine Station, movida a gás, da Duke Energy, auxilia com desempenho de ponta, o que lhe rendeu duas entradas no Guinness Book of Records em 2022: primeiro, o título de “mais poderosa usina a gás de ciclo simples” do mundo, com uma potência de cerca de 410 MW. Tem também a taxa de ramp-up mais rápida do mundo em uma usina de energia a gás: 60 Hz a mais em 100 MW por minuto, permitindo atingir sua capacidade total em apenas alguns minutos.

O melhor desempenho da usina é graças a uma nova turbina a gás, que está operando enquanto também está sendo testada em condições reais pela primeira vez na Carolina do Norte. É repleta de inovações, incluindo o design do sistema de combustão para temperaturas mais altas e a flexibilidade de combustível, o número de queimadores de pré-mistura, o gerenciamento térmico geral e o design do compressor e das pás da turbina.

Por último, mas não menos importante, também apresenta novos discos de rotor projetados e construídos com base em simulações de materiais inovadores. Eles precisam suportar muito mais partidas rápidas do que o necessário anteriormente, pois a participação da energia renovável na eletricidade está aumentando continuamente, ao mesmo tempo em que flutua fortemente. As usinas de energia movidas a gás precisam intervir a curto prazo para garantir um fornecimento estável de eletricidade. Como as turbinas a gás são capazes de iniciar rapidamente para fornecer saídas de alta potência, elas são a escolha preferida para esta tarefa.

O alto número de partidas rápidas causa estresse extremo no material do disco do rotor. Os discos, com 40 ou mais lâminas instaladas ao redor do diâmetro externo, são colossos forjados em aço. Pesam até sete toneladas, e medem até dois metros de diâmetro. Durante partidas rápidas a frio, por exemplo, diferentes áreas nos discos aquecem em velocidades diferentes, sujeitando o disco como um todo a alto estresse.

“Se essas partidas acontecerem regularmente, o resultado pode ser perigoso, porque pode levar a fraturas do disco no longo prazo”, diz Kai Kadau, especialista em simulação da Siemens Energy na Carolina do Norte. “Isso não é trivial. Quando está em pleno funcionamento, um grande rotor de turbina com 20 discos tem a energia cinética de 200 caminhões dirigindo a toda velocidade. As consequências de uma fratura de disco não são algo que em você queira pensar.”

Para evitar perigos como esse, a equipe de Kadau desenvolveu um programa de simulação que permitiu projetar grandes geradores e turbinas. Suas ferramentas de análise de dados probabilísticos exploram uma ampla variedade de fontes de dados, incluindo dados operacionais ou dados de fornecedores. Kadau e sua equipe o aplicaram aos discos do rotor da nova turbina a gás da Duke Energy, calculando a resistência de seus componentes de aço forjado e, portanto, o risco de fratura.

Esta ferramenta já desempenhou um papel crítico na eliminação do risco de fraturas de disco por vários anos, em várias turbinas. Ele é usado diariamente no desenvolvimento de turbinas para garantir que os discos aguentem novas demandas, avaliando o desgaste esperado do rotor e como isso deve afetar seu cronograma de manutenção. E ainda mais, quando inspecionada, a ferramenta permite que o usuário determine se, com base em sua condição, o rotor deve ser substituído.

Esse sucesso não seria possível sem a ajuda de uma equipe especializada em computação, baseada em processador gráfico e otimização de desempenho de software para simulação e gêmeos digitais, da Siemens Technology, em Bangalore. Eles reorganizaram e reprogramaram as principais partes da ferramenta para permitir seu desempenho máximo ao executar em computadores de alto desempenho baseados em processadores gráficos. Dessa forma, a equipe de Kadau conseguiu calcular a resistência à fratura em minutos e até segundos, em vez de horas. Um feito impressionante, pois a ferramenta probabilística percorre vários milhões de sequências de cálculo para abranger todas as combinações de material e carga que determinam a resistência à fratura.

A nova turbina na Lincoln Combustion Turbine Station da Duke Energy mostra do que a ferramenta é capaz. “Podemos aumentar a turbina muito rápido, como confirmou o recorde mundial do Guinness”, diz Hans Maghon, que acompanha o desenvolvimento da nova turbina a gás como diretor de programa da Siemens Energy. “Mas ainda mais, a turbina também garante 1.250 partidas entre as inspeções, o nível de flexibilidade que é uma pré-condição para a viabilidade comercial no mercado de energia do futuro.” A Maghon também conta com simulações super-rápidas de materiais para futuras inovações.

Uma dessas inovações é a IA. “Recolher os dados de vários sensores instalados em turbinas e combiná-los com Inteligência Artificial deve dizer aos operadores como uma turbina inteira se comportará sob várias cargas”, diz Georg Rollmann, líder de um grupo dedicado a análises avançadas em IA na Siemens Energy. “Isso nos permite não apenas continuar melhorando o design e a manutenção de nossos produtos, mas também executar simulações de usinas em operação em tempo real. Isso pode nos permitir obter o máximo do que é fisicamente possível dos ativos de energia – seja maximizando sua eficiência, otimizando seu cronograma de manutenção e mantendo a flexibilidade de que precisamos para energia despachável.”

Aumentando quando o sol faz uma pausa

Muitos contribuintes para o sucesso

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