Estação de produção e abastecimento de hidrogênio solar: análise técnica e econômica

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Data

2020-03-02

Autores

Micena, Raul Pereira [UNESP]

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A utilização do hidrogênio como insumo energético para aplicações de transporte depende da disponibilização de alternativas renováveis para sua produção. Uma delas são as estações com eletrólise alimentada por uma planta solar fotovoltaica on-grid. Nesse trabalho, assume-se a substituição da atual frota de táxis da cidade brasileira Guaratinguetá-SP por veículos a célula-a-combustível. Para atender a demanda de hidrogênio dos veículos, é preciso produzir 170,24 kg de hidrogênio por dia. Esse hidrogênio deve ser fornecido comprimido a uma pressão de 87,5 MPa e a uma temperatura de -40°C, de acordo com norma vigente. Assim, propõe-se uma análise energética com o cálculo da energia necessária para produzir o gás por meio de uma planta fotovoltaica on-grid, bem como as perdas envolvidas. Também são calculadas energias e perdas relacionadas com a compressão e refrigeração do hidrogênio, bem como o volume dos tanques. Os resultados indicam uma necessidade de geração de 10.037 kWh por dia para atender todos os processos envolvidos na estação de abastecimento. Desse total, 56,53 % é entregue na forma de hidrogênio. Se for considerada a energia solar que incide diretamente sobre os painéis, esse percentual é de 9,33 %. A maior parte das perdas se concentra na conversão da irradiação solar em energia elétrica e na eletrólise da água, sendo estas as duas principais oportunidades para melhorias de eficiência. O custo do hidrogênio foi calculado em 16,197 US$/kg se produzido com energia solar fotovoltaica e em 20,812 US$/kg se produzido com energia da rede elétrica, resultando em um payback de 4 anos para o investimento na planta. Considerando a produção de oxigênio, o custo do hidrogênio se torna menor, chegando a 1,80 US$/kg se considerar o aproveitamento total do oxigênio no rateio de custos.
The use of hydrogen as an energy carrier for transport applications depends on the availability of renewable alternatives for its production. One of them is the electrolysis stations powered by a grid connected photovoltaic solar plant. In this work, it is assumed that the current taxi fleet in the Brazilian city of Guaratinguetá will be replaced by fuel cell vehicles. To meet the hydrogen demand of vehicles, it is necessary to produce 170.24 kg per day. This hydrogen must be supplied compressed at a pressure of 87.5 MPa and at a temperature of -40 °C, in accordance with current regulations. Thus, an energy analysis is proposed with the calculation of the energy required to produce the gas through a photovoltaic plant connected to the grid, as well as the losses involved. Energies and losses related to hydrogen compression and cooling are also calculated, as well as the volume of the tanks. The results indicate a need to generate 10,037 kWh per day to meet all the processes involved in the supply station. Of this total, 56.53 % is delivered in the form of hydrogen. If the incoming solar in the photovoltaic panels is considered, this percentage is 9.33 %. Most of the losses are concentrated in the conversion of solar irradiation into electrical energy and in the electrolysis of water, these being the two main opportunities for efficiency improvements. The cost of hydrogen was calculated at 16,197 US$/kg if produced with photovoltaic solar energy and at 20,812 US$/kg if produced with electricity from the electric grid, resulting in a 4-year payback for investment in the plant. Considering the production of oxygen, the cost of hydrogen becomes lower, reaching 1.80 US$/kg when considering the total use of oxygen in the apportionment of costs.

Descrição

Palavras-chave

Veículo célula a combustível, Energia solar, Eletrólise, Análise energética, Análise econômica, Fuel cell vehicles, Solar energy, Electrolysis, Energetic analysis, Economic analysis, Hidrogênio, Energia solar.

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