Sistemas Fotovoltaicos Isolados’
No trabalho de “Julien Labbé” «[9]», é feito o estudo da produção, armazenamento e utilização do hidrogénio, o qual pode ser integrado como uma forma-de-energia para armazenamento de energia num SEH.
O contexto energético actual, caracterizado pelo empobrecimento das reservas das energias fósseis, pelo aquecimento do planeta Terra em parte devido à emissão de gases de efeito de estufa e pelo conceito de desenvolvimento durável e sustentável, suscita o progresso de soluções energéticas alternativas.
Numerosas acções são conduzidas actualmente a vários níveis:
- na limitação das emissões de gases com efeito de estufa (protocolo de Quioto, em 1998); - na valorização dos sistemas energéticos (cogeração de electricidade e de calor);
- na redução do consumo de formas-de-energia (fiscalização da procura de electricidade); - no desenvolvimento do aproveitamento energético de novos recursos, tais como as
energias renováveis mas também a energia nuclear (a médio prazo, com os reactores nucleares de água pressurizada, e a longo prazo, com a fusão nuclear).
Em SEH’s de produção eléctrica proveniente de energias renováveis não-armazenáveis e com funcionamento isolado, utiliza-se geralmente baterias de chumbo para o armazenamento de energia. As razões principais para o uso de baterias são a maturidade deste equipamento tecnológico e o custo reduzido em relação a outros equipamentos. A utilização dessas baterias à escala sazonal é inviável, porque as baterias não podem ficar inutilizadas durante muito tempo sem consequências nefastas para a sua duração de existência. O funcionamento diário das baterias permite instalar apenas uma pequena capacidade de armazenamento de energia, em que se atinge rapidamente o limite máximo da carga eléctrica das baterias. Portanto, não é possível muitas vezes aproveitar a totalidade das energias renováveis disponíveis para as converter em electricidade que é usada pela
‘carga-de-sistema’ ou que é convertida em energia ‘electrolítica’ armazenada nas baterias. Por consequência, pode haver um sobredimensionamento dos geradores eléctricos existentes nos SEH’s. A abundância do hidrogénio, estando integrado na forma de água sobre o planeta Terra, e as suas qualidades física e química conferem-lhe um potencial importante para ser utilizado como uma forma energética armazenável e transformável em electricidade.
Considerando um sistema unitário energético, que também se pode designar por unidade de transformação energética, que é constituído pelos seguintes componentes:
- um electrolizador → que permite a produção do gás de hidrogénio usando água e electricidade;
- um reservatório de gás → onde se armazena o gás de hidrogénio produzido;
- uma pilha de combustível → que é capaz de restituir a electricidade a partir do gás de hidrogénio.
Esse sistema unitário energético é um meio de armazenar energia, tal como uma bateria electroquímica e sem as consequências nocivas deste dispositivo em poluição química provocada pelo derrame do electrólito de ácido corrosivo ou pelo abandono de placas de chumbo no ambiente.
A definição e a avaliação das potencialidades desse meio de armazenamento de energia proveniente de electricidade são o principal objectivo do trabalho de tese do “Julien Labbé” «[9]».
A ‘unidade de armazenamento de energia à base do hidrogénio’ (‘UAEH’ ←(P,F)― “USEH” ← “unité de stockage d’énergie à base d’hydrogène”) pode ser usada em conjunção com as baterias electroquímicas de chumbo.
A ‘unidade de armazenamento de energia à base do hidrogénio’ (‘UAEH’) pode-se designar por sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ (SAE-HDG), e o conjunto de baterias electroquímicas de chumbo com mais algum equipamento de controlo pode-se designar por sistema de armazenamento de energia ‘electrolítica’ (SAE-ELO).
Para atingir os objectivos do trabalho de tese do “Julien Labbé” «[9]», foi utilizada a simulação numérica do sistema energético, porque diminui os encargos com o equipamento deste sistema.
Foi elaborado um simulador do sistema energético completo baseado na modelização de cada componente. Os componentes são:
- a ‘carga-de-sistema’ que corresponde ao consumo eléctrico do utilizador final;
- um gerador ‘solar-foto-eléctrico’ que capta a energia renovável, que é a energia solar, e transforma-a em electricidade;
- os algoritmos de gestão e conversão de energia no interior do sistema energético; - os conversores que permitem a ligação entre os diferentes componentes;
- os três sistemas de armazenamento de energia proveniente de electricidade, que são: - o sistema de armazenamento de energia ‘electrolítica’ (SAE-ELO);
- o sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ (SAE-HDG);
- o sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ e de energia ‘electrolítica’ (SAE-HDG-ELO) que é um sistema de armazenamento conjugado (que também se pode designar por híbrido).
O simulador foi testado para os seguintes casos:
- três localizações geográficas distintas, que correspondem a três perfis de disponibilidade do recurso energético solar;
- vários perfis de consumo eléctrico, que correspondem a diferentes tipos de utilização da electricidade produzida a partir da energia solar.
Para cada caso testado, o dimensionamento dos componentes do sistema foi feito a partir de rotinas de optimização colocadas nos algoritmos para essa finalidade.
O tratamento e a comparação dos resultados de simulação obtidos, em termos de dimensionamento e de desempenhos dos sistemas, foram facilitados pela colocação de dois factores de correlação entre o consumo eléctrico e a irradiação solar à escala diária (Cd) e à escala sazonal (Cs). A síntese dos resultados permitiu preconizar qual o tipo de armazenamento de energia a utilizar em função desses factores de correlação.
Foi possível mostrar que existia casos para os quais o armazenamento de energia ‘hidrogénica’ proveniente de electricidade, no sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ (SAE-HDG), trazia melhorias em termos de dimensionamento do gerador ‘solar-foto-eléctrico’ (GSFE) e de desempenho do sistema energético global, em relação ao sistema de armazenamento de energia ‘electrolítica’ (SAE-ELO). Por fim, de todos os casos testados, a conjugação do sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ (SAE-HDG) com o sistema de armazenamento de energia ‘electrolítica’ (SAE-ELO) permitiu aumentar os desempenhos dos sistemas, mais do que se utilizasse unicamente o sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ (SAE-HDG).
Nos sistemas reais, a gestão da energia eléctrica produzida e consumida pelos diferentes componentes durante o seu funcionamento é assegurada geralmente por um componente central, ao qual os aparelhos são ligados através de diversos conversores. Os algoritmos de gestão de energia são implementados nesse componente central, o que permite assegurar a autonomia do sistema energético.
Um algoritmo de gestão de energia foi desenvolvido para cada sistema energético estudado. A cada passo de tempo de dez minutos, o algoritmo faz a gestão da repartição da energia no interior do sistema energético.
Essa diligência aplicada é idêntica para cada um dos sistemas energéticos. Os balanços de energia são sempre efectuados ao nível do barramento comum de ligação dos diversos componentes do sistema energético. A prioridade é o fornecimento da energia eléctrica requerida pelo sistema consumidor de energia eléctrica (SCEE) a partir da energia eléctrica produzida pelo gerador ‘solar-foto-eléctrico’ (GSFE).
O trabalho de “Julien Labbé” «[9]» consiste no estudo de uma alternativa ao armazenamento de energia por meio de baterias electroquímicas, a qual é o sistema de armazenamento de energia ‘hidrogénica’ (SAE-HDG) para o melhor aproveitamento da electricidade proveniente da energia solar disponível que é uma forma-de-energia não-armazenável e intermitente. No SEH existente no edifício J da FEUP também se usa a energia solar como uma fonte de energia, e também se pretende estudar o armazenamento de energia ‘hidrogénica’ em alternativa ou em conjugação com outras formas-de-energia armazenáveis que são a energia ‘electrolítica’ e a energia hídrica.
No trabalho de “Julien Labbé” «[9]», foi feito um programa informático simulador do sistema energético completo para o qual se modelizou os vários componentes do sistema. Um desses componentes é constituído por algoritmos de gestão e conversão de energia no interior do sistema energético, o qual permite gerir os fluxos de energia eléctrica e a conversão desta forma-de-energia não-armazenável em formas-de-energia armazenáveis e também em sentido contrário.
Esse programa simulador é semelhante ao que se pretende fazer no trabalho de dissertação.