Simulação de uma planta típica de produção de hidrogênio com eletrolisador PEM suprida por geração solar fotovoltaica, eolioelétrica e híbrida

Abstract

A transição energética é um meio para que possamos mudar a matriz energética baseada em combustíveis fósseis para uma matriz que atenue fortemente a emissão de Gases de Efeito Estufa (GEE), com base em recursos energéticos primários não esgotáveis, renováveis e sustentáveis. O hidrogênio, como vetor energético, ao ser produzido a partir de eletrolisadores e por meio de fontes como eólica e solar, possui pegada de carbono reduzida ao Avaliar o Ciclo de Vida (ACE) integral do processo produtivo energético. O Brasil, conforme evidenciado pelo Balanço Energético Nacional, apresenta 88% da oferta interna de energia elétrica baseada em energias renováveis e está em constante expansão de sua capacidade de geração. A produção do hidrogênio, quando realizada através de eletrolisadores alimentados por energia fotovoltaica e eolioelétrica, reduzem a emissão de GEE drasticamente, que auxiliam a atingir a meta net-zero, estabelecido no Acordo de Paris, realizado em 2015. O eletrolisador PEM, quando comparado com os demais tipos de eletrolisadores, apresenta vantagens como uma maior eficiência energética, produção de hidrogênio com maior pureza e um design compacto, tornando-o adequado para produção descentralizada. Neste trabalho foram utilizados dados de geração de energia eolioelétrica através de um aerogerador localizado em um parque eólico no nordeste do Brasil, coletados no dia 16 de janeiro de 2024, com discretização em segundos. Por conta da alta variabilidade das energias renováveis, avaliou-se também dados de um conjunto de módulos fotovoltaicos para utilização em conjunto da energia eolioelétrica, com intuito de evitar lacunas no suprimento de eletricidade ao eletrolisador. Através dos dados de geração de apenas um aerogerador, é possível a alimentação simultânea de vinte eletrolisadores com potência nominal de 100 kW. Desta forma, analisou-se as peculiaridades da alimentação elétrica do simulador, onde a energia eolioelétrica e fotovoltaica devem ser capazes de alimentar o eletrolisador PEM com pelo menos 20% da potência nominal, a fim de impedir danos permanentes e transitórios por conta da operação em alta-pressão. Para os casos em que há alimentação inferior a um fator de segurança de 40% do valor nominal, estudou-se a utilização de baterias de backup, que seriam alimentadas com 30% da energia fotovoltaica. Caso os módulos fotovoltaicos não consigam suprir o carregamento das baterias, verificou-se a utilização do Sistema Interligado Nacional (SIN), juntamente com a Certificado Internacional de Energia Renovável (I-REC), para que a nomenclatura verde se mantenha para o hidrogênio produzido. O simulador mostra que, para uma alimentação elétrica com menor variância de potência, a eficiência de consumo é superior, onde o caso estudado apresenta uma produção total de 37,58 toneladas de hidrogênio para o parque híbrido simulado, com uma eficiência de 46,55 kWh por quilo.Energy transition is a means to shift the energy matrix based on fossil fuels to a matrix that significantly reduces the emission of Greenhouse Gases (GHG), relying on nonexhaustible, renewable, and sustainable primary energy resources. Hydrogen, as an energy carrier, when produced from electrolyzers and through sources such as wind and solar, has a reduced carbon footprint when evaluating the full Life Cycle Assessment (LCA) of the energy production process. Brazil, as evidenced by the National Energy Balance, has 88% of its internal electricity supply based on renewable energies and is continuously expanding its generation capacity. Hydrogen production, when carried out through electrolyzers powered by photovoltaic and wind energy, drastically reduces GHG emissions, aiding in achieving the net-zero target established in the Paris Agreement, held in 2015. The PEM electrolyzer, compared to other types of electrolyzers, offers advantages such as higher energy efficiency, production of hydrogen with greater purity, and a compact design, making it suitable for decentralized production. In this work, wind energy generation data were used from a wind turbine located in a wind farm in northeastern Brazil, collected on January 16, 2024, with second-level granularity. Due to the high variability of renewable energies, data from a set of photovoltaic modules were also evaluated for use in conjunction with wind energy, to avoid gaps in the electricity supply to the electrolyzer. Through the generation data from just one wind turbine, it is possible to simultaneously power twenty electrolyzers with a nominal power of 100 kW. Thus, the peculiarities of the electrical supply to the simulator were analyzed, where wind and photovoltaic energy must be able to power the PEM electrolyzer with at least 20% of the nominal power, to prevent permanent and transient damage due to high-pressure operation. For cases where the supply is below a safety factor of 40% of the nominal value, the use of backup batteries was studied, which would be powered with 30% of the photovoltaic energy. If the photovoltaic modules are unable to support battery charging, the use of the National Interconnected System (SIN), along with the International Renewable Energy Certificate (I-REC), was considered to maintain the green label for the produced hydrogen. The simulator shows that, for an electrical supply with lower power variance, consumption efficiency is higher, with the case studied presenting a total production of 37.58 tons of hydrogen for the simulated hybrid park, with an efficiency of 46.55 kWh per kilogram.