Sistema fotovoltaico com armazenamento de energia sob a forma de

A produ¸c˜ao de hidrog´enio por interm´edio da eletr´olise da ´agua, tal como estudado na sec¸c˜ao 5.1, permite a produ¸c˜ao de eletricidade sendo esta cedida pelas c´elulas de combust´ıvel, que ´e uma tecnologia que se encontra ainda em estado de desenvolvimento. A gest˜ao energ´etica desta solu¸c˜ao ´e mais complexa uma vez que engloba mais equipamentos para obten¸c˜ao do hidrog´enio e posterior convers˜ao.

Numa situa¸c˜ao em que a produ¸c˜ao fotovoltaica seja superior ao consumo exigido ao sistema, o eletrolisador entra em funcionamento caso o excedente seja superior `a potˆen- cia m´ınima de opera¸c˜ao do eletrolisador e se a press˜ao do reservat´orio que armazena o hidrog´enio for inferior `a press˜ao absoluta m´axima de 200 bar, tal provoca o enchimento do reservat´orio. Quando for atingido o seu m´aximo armazenamento, a energia restante ´e injetada na rede. Na circunstˆancia em que a produ¸c˜ao n˜ao seja suficiente para assegurar o consumo, caso a potˆencia instantˆanea em d´efice seja superior `a potˆencia m´ınima de ope- ra¸c˜ao da c´elula de combust´ıvel, esta entra em funcionamento, ocorrendo o esvaziamento do reservat´orio uma vez que ´e consumido hidrog´enio para a gera¸c˜ao de energia el´etrica na c´elula de combust´ıvel. Caso essa potˆencia instantˆanea requerida seja superior `a potˆencia m´axima cedida pela c´elula de combust´ıvel e pela pr´opria produ¸c˜ao fotovoltaica, ent˜ao ´e necess´ario retirar da rede o d´efice existente para que o consumo seja assegurado.

A figura 6.6 apresenta a metodologia de c´alculo utilizada para a obten¸c˜ao do desempenho do sistema fotovoltaico com recurso ao armazenamento de energia por via do hidrog´enio pressurizado.

F igur a 6. 6: Algor it mo u til izad o p ara a a v al ia¸ c˜ao en er g ´et ica d o ce n´ ar io 3.

6.1. Avalia¸c˜ao energ´etica

O eletrolisador e o compressor s˜ao os componentes respons´aveis pela produ¸c˜ao do hidro- g´enio e posterior pressuriza¸c˜ao, estando as suas caracter´ısticas representadas seguidamente na tabela 6.6 de acordo com o procedimento introduzido no sec¸c˜ao 5.1.

Tabela 6.6: Caracter´ısticas do eletrolisador e compressor (AP2H2, Mar¸co 2020)

Caracter´ıtica Eletrolisador Compressor Consumo espec´ıfico 65,68 kWh/kg 3,2 kWh/kg Press˜ao absoluta `a sa´ıda - 200 bar % Potˆencia m´ınima opera¸c˜ao 5 % - % Potˆencia m´axima opera¸c˜ao 100 % -

Dura¸c˜ao 16 anos

80 000 horas funcionamento

Nas c´elulas de combust´ıvel a energia qu´ımica da rea¸c˜ao ´e libertada sob forma de trabalho e calor. Pode comparar-se a energia libertada sob a forma de trabalho com a energia que seria libertada atrav´es da queima do combust´ıvel (poder calor´ıfico) para obter o rendimento da c´elula, tendo por base a primeira lei da termodinˆamica referente ao balan¸co de energia, que define que apesar da forma da energia mudar, a quantidade da energia mant´em-se (Sørensen, 2012). Assim, a energia libertada pela c´elula de combust´ıvel por cada kg de hidrog´enio ´e dada pela equa¸c˜ao 6.7.

Ecc= ηccP CI (6.7)

Tendo em considera¸c˜ao um rendimento t´ıpico da c´elula de combust´ıvel de 40 % (Kalinci et al., 2015), esta liberta 13,33 kWh/kgH2. Na tabela apresentam-se alguns dos parˆametros

para uma posterior an´alise energ´etica na tabela 6.7 (Kalinci et al., 2015).

Tabela 6.7: Caracter´ısticas da c´elula de combust´ıvel (AP2H2, Mar¸co 2020)

Caracter´ıstica Valor

Rendimento 40 %

% Potˆencia m´ınima opera¸c˜ao 2 % % Potˆencia m´axima opera¸c˜ao 100 %

Energia libertada 13,33 kWh/kgH2

Dura¸c˜ao 16 anos

30 000 horas funcionamento

Tal como ocorre nas baterias e no eletrolisador, tamb´em as c´elulas de combust´ıvel pos- suem limites de funcionamento, nomeadamente na potˆencia m´ınima debitada que deve ser igual ou superior a 2 % da sua potˆencia m´axima. Para al´em disso, a sua vida ´util ´e dada em anos ou em horas de funcionamento, da´ı que seja indispens´avel uma an´alise ao n´umero de horas de funcionamento do equipamento a fim de determinar a sua vida ´util no projeto e agendar eventuais substitui¸c˜oes. Note-se que, ao contr´ario das baterias onde a vida ´util depende do n´umero de ciclos realizados, tanto os eletrolisadores como as c´elulas de combust´ıvel dependem das horas de funcionamento j´a que s˜ao equipamentos que n˜ao trabalham de forma independente, sendo complementares um ao outro, n˜ao ocorrendo carregamento ou descarregamento num s´o equipamento como nas baterias.

• Dimensionamento do eletrolisador e reservat´orio

Uma vez que a tecnologia de armazenamento de energia sob a forma de hidrog´enio gasoso pressurizado n˜ao se encontra ainda muito implementada e, por isso, apresentar pre¸cos poucos competitivos, optou-se por dimensionar a potˆencia do eletrolisador para uma certa probabilidade de ocorrˆencia e n˜ao para o excedente m´aximo verificado, dado os resultados obtidos no cen´ario analisado anteriormente, onde se aferiu que determinar a capacidade dos equipamentos respons´aveis pelo armazenamento para as condi¸c˜oes mais exigentes ´e demasiadamente excessivo. No caso do eletrolisador, a energia dispon´ıvel para a produ¸c˜ao de hidrog´enio adv´em do excesso de produ¸c˜ao fotovoltaica instantˆanea registado que n˜ao foi utilizada para a dessaliniza¸c˜ao, ao contr´ario de um banco de baterias, onde a sua capacidade de armazenamento deve ser tal que permita o armazenamento de energia total do dia de maior excesso registado perante o consumo, tendo tamb´em em considera¸c˜ao o n´umero de dias que se pretende armazenar essa energia ou dias de autonomia.

Determinou-se que o eletrolisador ´e dimensionado para uma probabilidade de ocorrˆencia t´ıpica de 95 %, que significa que 95 % dos valores da excedˆencia instantˆanea registada n˜ao ultrapassam esse determinado valor. O valor da ocorrˆencia n˜ao foi considerado ainda mais elevado pelo facto da disponibilidade ser reduzida, o que iria resultar em equipamentos mais caros e com potˆencia ociosa em grande parte do tempo, j´a que a energia dispon´ıvel para o eletrolisador produzir hidrog´enio ´e nula em 76 % das horas do ano. Apesar de se registar uma potˆencia m´axima que o eletrolisador poderia ter de 252,26 kW, constata-se que 95 % das vezes do ano, a potˆencia instantˆanea dispon´ıvel n˜ao ultrapassa os 173,70 kW, conforme se mostra na tabela 6.8. Verifica-se tamb´em que o n´umero de horas dispon´ıveis para o funcionamento do eletrolisador ´e reduzido tendo em conta o n´umero total de horas num ano (8 760).

A produ¸c˜ao de hidrog´enio tem um consumo de 68,88 kWh/kg (eletrolisador e compres- sor) e tendo em considera¸c˜ao o excedente m´aximo di´ario registado ´e calculada a massa que o reservat´orio deve ter capacidade de armazenar, que no caso do compressor resulta da produ¸c˜ao consecutiva de hidrog´enio por parte do eletrolisador com inexistˆencia de con- sumo. Por sua vez, o volume do reservat´orio ´e dado recorrendo `a equa¸c˜ao 5.3, estando os resultados do dimensionamento presentes na tabela 6.8.

Tabela 6.8: Cen´ario 3- Dimensionamento do eletrolisador e reservat´orio

Eletrolisador Reservat´orio

Potˆencia m´axima poss´ıvel 252,26 kW Excedente m´aximo 1 015,24 kWh % Ocorrˆencia 95 Massa necess´aria 12,82 kg Potˆencia m´axima efetiva 173,7 kW Volume necess´ario 0,91 m3

De forma an´aloga ao que foi realizado aquando do armazenamento em baterias, o ar- mazenamento recorrendo ao hidrog´enio pressurizado tamb´em carece de uma an´alise da dura¸c˜ao do per´ıodo de vida ´util que se detalha na tabela 6.9. No que respeita ao eletro- lisador, a sua dura¸c˜ao ´e dada em anos ou ent˜ao para um determinado n´umero de horas de funcionamento. J´a o reservat´orio permite um tempo de vida condizente com os m´o- dulos fotovoltaicos, n˜ao sendo necess´arias substitui¸c˜oes ao longo da vida ´util do projeto fotovoltaico.

6.1. Avalia¸c˜ao energ´etica

Tabela 6.9: Cen´ario 3- Verifica¸c˜ao da dura¸c˜ao do eletrolisador

Vari´avel Valor Horas de funcionamento p/ano 2 110 Horas de funcionamento permitidas 80 000

No anos 37,9 No anos efetivo 16

Verifica-se que o n´umero de horas que o eletrolisador se encontra em funcionamento durante o ano ´e reduzido. Tal se deve ao facto de haver um n´umero reduzido de horas por dia com excedente de produ¸c˜ao relativamente ao consumo para este ser utilizado pelo ele- trolisador para o processo de eletr´olise da ´agua. Para al´em disso, quando o reservat´orio de armazenamento do hidrog´enio est´a cheio, ou seja, quando se encontra com 12,82 kg de hi- drog´enio acumulado, este n˜ao entra em funcionamento. Esta verifica¸c˜ao permite averiguar que n˜ao ser´a extra´ıda toda a potencialidade do equipamento e que o seu funcionamento ´e mais vantajoso em situa¸c˜oes em que existam elevadas ocorrˆencias de excedente.

• Determina¸c˜ao da potˆencia da c´elula de combust´ıvel

A determina¸c˜ao da potˆencia m´axima cedida pela c´elula de combust´ıvel adv´em de um processo de an´alise relativo `as necessidades e aos custos uma vez que, quanto maior for a potˆencia da c´elula de combust´ıvel naturalmente o investimento ser´a maior. Por um lado, se a potˆencia for elevada, a energia necess´aria para satisfazer os consumos ´e disponibili- zada nos primeiros consumos. No entanto o reservat´orio vai esvaziando uma vez que o hidrog´enio convertido em eletricidade pela c´elula ´e maior, reduzindo a massa armazenada de hidrog´enio at´e ent˜ao. Por outro lado, caso o excedente da produ¸c˜ao fotovoltaica para a produ¸c˜ao de hidrog´enio n˜ao seja muito elevado, o reservat´orio fica vazio e pode compensar ter uma c´elula de combust´ıvel com potˆencia reduzida que vai satisfazendo uma menor parcela do consumo mas por mais instantes at´e ficar o reservat´orio vazio.

A energia que poderia ser cedida pela c´elula de combust´ıvel depende do hidrog´enio exis- tente no reservat´orio, que por sua vez depende do excedente de produ¸c˜ao. Assim, `a medida que a potˆencia da c´elula de combust´ıvel aumenta, o armazenamento de hidrog´enio dimi- nui uma vez que h´a uma maior quantidade de hidrog´enio a ser consumido, o que por sua vez faz com que a energia que poderia ser cedida pela c´elula reduza, tornando o processo num ciclo vicioso. Para reduzir os custos de explora¸c˜ao com os equipamentos e como se trata de um estudo de elevada produ¸c˜ao fotovoltaica e consumo energ´etico que faz com que a produ¸c˜ao de hidrog´enio n˜ao seja abundante, opta-se por uma potˆencia da c´elula de combust´ıvel de 25 kW que maximiza a autonomia do sistema j´a que permite que haja maior acumula¸c˜ao no reservat´orio ao inv´es da energia acumulada ser rapidamente dispo- nibilizada. Para valores superiores da potˆencia da c´elula de combust´ıvel n˜ao se verificam melhorias significativas no desempenho do sistema fotovoltaico perante a rede j´a que, a partir dessa potˆencia, a diminui¸c˜ao do armazenamento de hidrog´enio no reservat´orio n˜ao ´e compensada pela produ¸c˜ao de hidrog´enio por interm´edio do eletrolisador, que apenas entra em funcionamento numa circunstˆancia de excedente de energia face ao consumo. Tal como no eletrolisador, a vida ´util da c´elula de combust´ıvel ´e dada em anos ou horas de funcionamento pelo que ´e vital esta an´alise a fim de agendar eventuais opera¸c˜oes de substitui¸c˜ao do equipamento.

Tabela 6.10: Cen´ario 3- Verifica¸c˜ao da dura¸c˜ao da c´elula de combust´ıvel

Vari´avel Valor Horas de funcionamento p/ano 832 Horas de funcionamento permitidas 30 000

No anos 39,3 No anos efetivo 16

Pela an´alise da verifica¸c˜ao da dura¸c˜ao quer do eletrolisador quer da c´elula de combust´ı- vel, conclui-se que se tratam de equipamentos mais rent´aveis para grandes ocorrˆencias de excedente e consequentemente uma maior produ¸c˜ao de hidrog´enio, uma vez que o n´umero de horas de funcionamento permitido ´e elevado. No caso concreto da c´elula de combust´ıvel, tendo em conta o n´umero de horas por ano que esta entra em funcionamento, poder-se-ia obter uma vida ´util de 39 anos, no entanto ao fim de 16 anos ´e necess´ario se proceder `a sua substitui¸c˜ao, fazendo com que n˜ao sejam exploradas a totalidade das potencialidades dos equipamentos, j´a vez que haveriam v´arias horas onde ainda poderia haver produ¸c˜ao de energia el´etrica por interm´edio do hidrog´enio, como se verifica pelos resultados expostos na tabela 6.10.

Dimensionados os equipamentos, a figura 6.7 apresenta o esvaziamento e enchimento do reservat´orio de hidrog´enio no primeiro ano de produ¸c˜ao. Quando o reservat´orio se encontra `

a sua press˜ao m´axima de armazenamento, o eletrolisador n˜ao entra em funcionamento sendo a energia restante vendida `a rede.

Figura 6.7: Cen´ario 3- Evolu¸c˜ao hor´aria da press˜ao no reservat´orio ao longo do ano.

Para efeitos de c´alculo, considerou-se inicialmente que o reservat´orio tem apenas a massa m´ınima necess´aria de funcionamento (0,64 kg) que resulta numa press˜ao de 10 bar abso- lutos (5 % da press˜ao m´axima). Uma vez que os primeiros 5 meses s˜ao onde se verifica a

6.1. Avalia¸c˜ao energ´etica

maior produ¸c˜ao FV e consequentemente maiores excessos de produ¸c˜ao j´a que os consumos el´etricos s˜ao constantes ao longo do ano, a produ¸c˜ao de hidrog´enio atrav´es do eletrolisador ´e mais intensa, que provoca press˜oes mais elevadas dentro do reservat´orio. Seguidamente encontram-se sintetizados os resultados do primeiro ano de produ¸c˜ao.

Figura 6.8: An´alise anual do sistema com armazenamento de energia sob a forma de hidrog´enio.

Tabela 6.11: Cen´ario 3- Valores anuais dos parˆametros de desempenho

Parˆametro de desempenho Valor anual Consumo anual de energia Epcs 2 069,55 MWh

Entrada na rede Eteg 7,27 MWh Retirada da rede Efeg 667,20 MWh Auto-alimenta¸c˜ao Eocs 1 402,35 MWh

% Auto-alimenta¸c˜ao 92,77 % % Autonomia 67,76 %

Com a implementa¸c˜ao desta tecnologia, obtiveram-se valores inferiores comparativa- mente ao armazenamento atrav´es de baterias dado o menor rendimento global do processo e visto que o eletrolisador foi dimensionado para uma probabilidade de ocorrˆencia de excedente de 95 %. Como o rendimento da c´elula de combust´ıvel em conjunto com o rendimento do eletrolisador faz com que o processo leve a muitas perdas relativamente `

a energia inicial dispon´ıvel, recorreu-se a uma determinada probabilidade de ocorrˆencia para determinar qual a capacidade do eletrolisador para converter a energia el´etrica em hidrog´enio por meio da eletr´olise da ´agua. Em compara¸c˜ao com a situa¸c˜ao de referˆencia (sem armazenamento de energia), esta solu¸c˜ao reduz em grande parte a energia que ´e in- jetada na rede em virtude do eletrolisador possuir uma determinada potˆencia que permite o posterior armazenamento dessa energia, fazendo com que o autoconsumo aumente. No

entanto, a energia proveniente da rede n˜ao sofre uma diminui¸c˜ao muito significativa devido `

a baixa capacidade da c´elula de combust´ıvel em ceder energia. Caso esta cedesse energia em altas propor¸c˜oes, o armazenamento no reservat´orio seria m´ınimo uma vez que toda a massa de hidrog´enio acumulada seria empregue nos primeiros d´efices de produ¸c˜ao relativa- mente ao consumo. Optando-se por uma capacidade mais baixa da c´elula de combust´ıvel ceder energia, o d´efice instantˆaneo n˜ao ´e suprimido inteiramente, mas s˜ao aligeirados mais d´efices ao longo do ano, aumentando a autonomia do sistema.

O rendimento da c´elula de combust´ıvel em si apresenta um valor relativamente elevado de convers˜ao de energia tendo em conta outras tecnologias existentes atualmente. No entanto, a necessidade de converter a energia el´etrica em energia qu´ımica e pressurizar o hidrog´enio faz com que o rendimento global do processo seja muito baixo, fazendo com que, relativamente `a energia inicial, apenas seja aproveitado cerca de 20 % dessa mesma energia. Assim, os resultados da figura e tabela anteriores permitem concluir que, em compara¸c˜ao com o que foi apresentado anteriormente, a auto-alimenta¸c˜ao e autonomia do sistema n˜ao atingem valores muito elevados e a liga¸c˜ao `a rede n˜ao ´e minimizada em grande escala devido `a baixa energia dispon´ıvel ap´os o processo de convers˜ao. No entanto, a tecnologia permite aumentar o desempenho do sistema relativamente a um sistema sem armazenamento, sendo no mˆes de maio onde se regista o desempenho mais aut´onomo no que toca ao autoconsumo fotovoltaico relativo `a rede, apesar de uma maior venda de energia `a rede em termos absolutos devido `a incapacidade de armazenar toda a energia. Em sentido inverso, em outubro cerca de 35 % da energia utilizada para o processo ´e comprada `a rede enquanto que em termos anuais, a m´edia da energia requerida `a rede ´e 32,24 %, permitindo um aumento de 1,2 % em termos de autonomia relativamente ao sistema fotovoltaico sem armazenamento.