Células a combustível

Uma célula a combustível consiste, fundamentalmente, em um sistema de armazenamento de energia química. O armazenamento de grandes montantes de energia através de baterias secundárias ou de fluxo pode ser excessivamente dispendioso. Uma das opções para contornar a circunstância problemática mencionada consiste na utilização do potencial de armazenamento de energia química nos sistemas baseados em células a combustível [21].

Fundamentalmente, tais sistemas de armazenamento baseados em células a combustível absorvem o excedente de produção energética proveniente da rede para produzir hidrogênio mediante a eletrólise de um determinado volume de água. É importante ressaltar que o hidrogênio também pode ser obtido via outros processos e fontes. A estrutura típica de um sistema desse gênero é constituída por um eletrolisador, um tanque armazenador de hidrogênio e uma ou mais células a combustível. O eletrolisador citado consiste em um conversor eletroquímico que, por intermédio da eletricidade, produz hidrogênio e oxigênio a partir da água. No processo de produção de eletricidade, os gases hidrogênio e oxigênio fluem em direção a uma célula a combustível e, subsequentemente, tem-se o início de um processo eletroquímico, no qual os referidos gases reagem, produzindo água, liberando calor e gerando eletricidade. Nesses sistemas, o oxigênio é usualmente extraído de forma direta da atmosfera em vez de provir de tanques ou cápsulas de armazenamento, em virtude, sobretudo, de questões práticas e econômicas. Já o hidrogênio pode ser armazenado na forma de gás devidamente pressurizado, como líquido submetido a temperaturas extremamente baixas, quimicamente ligados em hidretos complexos, ou, ainda, absorvido na constituição de hidretos metálicos. Para aplicações estacionárias, entretanto, o hidrogênio é geralmente armazenado na forma de gás altamente pressurizado. Tanques de pressurização instalados na superfície podem ser adequadamente empregados para armazenar quantidades relativamente pequenas de hidrogênio. Já para montantes mais elevados, sistemas subterrâneos de tubulação ou cavernas subterrâneas

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podem ser apropriadamente adotados como sítios de armazenamento do gás em questão [21].

As células a combustível, que compõem o âmago dos sistemas de armazenamento em análise, possuem uma boa eficiência operativa, visto que, conforme previamente descrito, convertem oxigênio e hidrogênio diretamente em água, calor e eletricidade, sem nenhum processo de combustão associado. São, também, ambientalmente inertes, uma vez que, durante o referido processo de produção de eletricidade, não verifica-se a emissão de poluentes que poderiam contribuir para a intensificação do efeito estufa. Apesar dos mecanismos de bombeamento e de ventilação muitas vezes associados aos sistemas de geração baseados em células a combustível, as células em si não possuem partes móveis, o que permite que a energia elétrica possa ser gerada de forma consideravelmente silenciosa. Outra vantagem concernente à utilização das células a combustível refere-se à sua modularidade, o que significa que diversas células de porte distinto podem ser empilhadas com o desígnio de satisfazer um determinado requerimento de potência. Todavia, a incorporação dos sistemas de armazenamento baseados em células a combustível ainda se depara com alguns obstáculos, como os custos ainda relativamente elevados associados às células a combustível, e a quase inexistência de infraestrutura para disponibilização massiva do hidrogênio. Outro estorvo relativo à utilização das células a combustível refere- se à dependência da platina, que é um elemento químico relativamente escasso no mundo, proveniente, em grande parte, da África do Sul, Rússia e Canadá, o que evidencia que quaisquer mudanças em políticas governamentais relativas ao setor da platina nos grandes supridores mundiais podem impactar o fornecimento do referido elemento. Os sistemas de armazenamento baseados em células a combustível constituem uma faixa de potenciais aplicações, como o emprego em projeto de veículos que não emitem gases do efeito estufa, e utilização na geração distribuída, na qual pode-se, por exemplo, utilizar o calor residual advindo do processo de produção de eletricidade nas células para outros propósitos domésticos, como aquecer a água empregada nos chuveiros [27].

Por conseguinte, diante do panorama vigente relativo ao âmbito dos sistemas de armazenamento de energia previamente exposto, dos atuais avanços verificados nas tecnologias concernentes aos mecanismos de armazenamento energético, bem como das necessidades correntes e futuras das redes elétricas de potência, torna-se evidente que os referidos sistemas de armazenamento de energia corresponderão a componentes cada vez mais relevantes dos SEPs.

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Capítulo 4

Preços marginais locacionais - LMPs

O novo horizonte mercadológico que emergiu perante a instauração do contexto geral de difusão e consolidação de reformas nos setores elétricos de vários países no decorrer das últimas décadas, promoveu relevantes mudanças nas metodologias de precificação da energia elétrica. O preço marginal locacional (LMP - Locational Marginal

Price), diante do novo panorama engendrado, surge como uma imprescindível diretiva

financeira empregada com o intento de tornar as deliberações de mercado menos lesivas e mais eficientes, constituindo, dessa forma, um relevante parâmetro econômico sobre o qual se alicerçam a formulação de metodologias de gerenciamento de congestionamento nos sistemas de transmissão, o estabelecimento dos preços associados à transmissão de eletricidade e as transações de energia elétrica. Os LMPs, conforme mencionado no Capítulo 1, são oriundos da teoria da precificação spot concebida em [1]. A noção de preços marginais regidos pela localização necessária para aplicar os preceitos de tal teoria a circunstâncias reais foi apresentada em [28]. O LMP associado a uma barra específica de um SEP consiste no custo total de produção de energia elétrica necessário para suprir um incremento de uma unidade de carga na referida barra de maneira menos dispendiosa possível, satisfazendo, simultaneamente, todas as restrições operativas previamente impostas.

Em virtude da intrínseca incerteza associada à operação dos SEPs e às vicissitudes dos mercados elétricos, os LMPs associados a tais sistemas se mostram demasiadamente voláteis. Nesse cenário, faz-se necessário utilizar as componentes dos LMPs para a formulação de mecanismos de compensação financeira concernentes aos riscos inerentes aos preços resultantes da referida volatilidade. Entre tais artifícios, destacam-se os direitos financeiros de transmissão (FTRs – Financial Transmission Rights) introduzidos em [28], os quais são implementados com o intuito de restituir financeiramente os proprietários de tais direitos diante dos riscos referentes à variabilidade dos preços decorrentes de eventuais congestionamentos verificados nos sistemas de transmissão dos SEPs. As componentes mencionadas advêm da decomposição de um LMP em uma componente de preço marginal na barra de referência do modelo de fluxo de potência adotado, uma componente de preço marginal associada às perdas ativas através da rede de transmissão e uma componente de

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preço marginal relativa às restrições inerentes a tal rede. A decomposição dos LMPs nas três componentes mencionadas é minuciosamente examinada em [29]. No esquema de decomposição respaldado na formulação de fluxo de potência baseada em uma barra de referência única, por exemplo, a componente de preço marginal das perdas ativas para uma determinada barra corresponde ao preço incremental das perdas quando a fonte se localiza na referida barra e a compensação para o balanço de potência é efetuada na barra de referência única mencionada [30]. Dessa forma, a adoção do modelo de referência única pode impactar perniciosamente os interesses financeiros de alguns participantes de um determinado mercado elétrico, o que inviabiliza a utilização de tal modelo para propósitos mercadológicos [30]. Portanto, uma alternativa satisfatória a tal condição danosa consiste na incorporação de um modelo de barra de referência distribuída na formulação do fluxo de potência, conforme elaborado em [31]. A formulação matemática da decomposição dos LMPs com base em um modelo no fluxo de potência com referência distribuída é apresentado em [30].

Matematicamente, os LMPs correspondem aos multiplicadores de Lagrange associados às restrições de balanço de potência em cada barra de um SEP constituintes do problema de otimização que visa maximizar a função de benefício econômico social, amparando-se nas funções de ofertas de demanda e de suprimento bem como nas restrições operativas dos equipamentos integrantes do sistema. Tal problema de otimização pode aparecer na forma de um fluxo de potência ótimo CA (FPOCA), conforme apresentado em [30], [32] e [33] e na clássica formulação introduzida em [34], ou fluxo de potência ótimo CC (FPOCC), em conformidade com o elaborado em [35] e [36]. O FPOCA é elaborado com base na incorporação integral das características de não linearidade inerentes à formulação do fluxo de potência, o que, contrariamente ao verificado no FPOCC, não demanda uma modelagem paralela para simular o efeito das perdas.