Thermodynamic and Exergy Analysis of a Carnot Battery Combined Cycle for Ethanol-Based Range Extenders

Abstract

A descarbonização do transporte pesado requer soluções inovadoras capazes de combinar eficiência energética, flexibilidade operacional e utilização de combustíveis renováveis. Nesse contexto, os veículos elétricos com extensor de autonomia alimentado por biocombustíveis representam uma alternativa promissora de transição. Este estudo propõe e avalia uma nova arquitetura de Ciclo Combinado com Bateria de Carnot (CBCC) aplicada a um extensor de autonomia movido a etanol, integrando um motor de combustão interna (MCI) de ciclo Otto, um sistema de armazenamento de energia térmica baseado em material de mudança de fase (PCM) e um ciclo Rankine a vapor úmido para recuperação de calor residual. Um modelo termodinâmico e exergético foi desenvolvido no software Engineering Equation Solver (EES), incorporando a análise da combustão, a caracterização energética dos gases de escape, o armazenamento térmico e o desempenho do ciclo inferior. Um algoritmo genético foi aplicado para otimizar a pressão de entrada do expansor, a pressão de saída do expansor e o grau de superaquecimento do vapor, enquanto os tempos de carregamento e descarga do PCM foram fixados em 1800 s e 300 s, respectivamente. O modelo do motor previu 69,38 kW de potência efetiva, 47,92 kW de potência térmica nos gases de escape e 27,56 kW de exergia física dos gases de escape, correspondendo a uma razão exergia-energia de aproximadamente 57,5%. Na configuração diretamente acoplada, o ciclo Rankine foi limitado pela taxa instantânea de calor recuperável dos gases de escape e produziu aproximadamente 2,615 kW de potência líquida termodinâmica, 2,484 kW de potência mecânica no eixo e 2,36 kW de potência elétrica durante a operação do motor. Em contraste, o armazenamento térmico baseado em PCM possibilitou o desacoplamento temporal entre a recuperação de calor e a conversão de potência, acumulando energia térmica durante 1800 s de operação do motor e liberando-a durante um período de descarga de 300 s. Nessas condições, o ciclo Rankine assistido por PCM e otimizado produziu aproximadamente 15,69 kW de potência líquida termodinâmica, 14,91 kW de potência mecânica no eixo e 14,16 kW de potência elétrica após as perdas no gerador. Quando avaliada ao longo do ciclo completo de carregamento e descarga, a eficiência global aumentou de 39,13% para o motor isolado para aproximadamente 40,53% na arquitetura CBCC integrada. Os resultados demonstram que o armazenamento térmico baseado em PCM não aumenta a energia total nem a exergia teórica disponível nos gases de escape. Em vez disso, modifica a distribuição temporal da energia recuperada, convertendo uma taxa de calor contínua relativamente baixa em uma potência intermitente mais elevada e, assim, melhorando a flexibilidade operacional e a capacidade de despacho. A arquitetura proposta contribui para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis para o transporte pesado ao combinar combustíveis renováveis, propulsão elétrica híbrida, armazenamento de energia térmica e otimização termodinâmica.