Avaliação técnica dos fenômenos transientes de uma central fotovoltaica de produção de hidrogênio verde

Abstract

O avanço da transição energética e a necessidade de redução das emissões de gases de efeito estufa têm impulsionado a integração de fontes renováveis na matriz energética global. Nesse contexto, o hidrogênio verde destaca-se como um vetor energético estratégico, permitindo o armazenamento de energia e contribuindo para a descarbonização de diversos setores. Entre as rotas de produção, a eletrólise da água alimentada por sistemas fotovoltaicos apresenta elevado potencial, embora a intermitência da geração solar imponha desafios operacionais significativos, especialmente relacionados aos regimes transientes da produção de hidrogênio. Assim, este trabalho apresenta a modelagem e a análise dinâmica de uma central fotovoltaica para produção de hidrogênio verde utilizando eletrolisador alcalino, considerando dados meteorológicos reais com resolução temporal de um minuto para a cidade de Florianópolis?SC. O modelo desenvolvido integra arranjo fotovoltaico, banco de baterias, eletrolisador alcalino, sistema de compressão e armazenamento de hidrogênio, permitindo avaliar o comportamento transiente global da planta. O sistema fotovoltaico foi modelado a partir do modelo de cinco parâmetros, incorporando efeitos térmicos e diferentes associações série-paralelo. O eletrolisador alcalino foi representado pela formulação empírica corrente?tensão proposta por Ulleberg (1998), incluindo modelagem eletroquímica, eficiência de Faraday e balanço térmico transiente. O compressor foi modelado por meio de compressão politrópica multiestágios com resfriamento intermediário, contemplando os efeitos termodinâmicos do processo. Os modelos implementados foram validados com dados da literatura, apresentando boa concordância para os subsistemas fotovoltaico, eletrolisador, compressor e banco de baterias. Foram avaliadas diferentes configurações operacionais, incluindo cenários com e sem armazenamento em baterias e estratégias de controle voltadas à suavização das oscilações de potência fornecida ao eletrolisador. Os resultados demonstraram que a utilização de baterias associada às estratégias de controle reduz significativamente as oscilações operacionais, aumenta o tempo de operação em regime nominal e diminui os ciclos de acionamento e desligamento do eletrolisador, promovendo maior estabilidade operacional. Além disso, verificou-se que o uso de dados meteorológicos com resolução de um minuto é fundamental para representar adequadamente os efeitos da intermitência solar, evidenciando diferenças relevantes em relação a simulações com dados horários. Dessa forma, o trabalho fornece subsídios técnicos para o dimensionamento e a operação de sistemas fotovoltaicos dedicados à produção de hidrogênio verde sob condições reais de variabilidade climática.

Abstract: The progress of the energy transition and the need to reduce greenhouse gas emissions have driven the integration of renewable sources into the global energy mix. In this context, green hydrogen stands out as a strategic energy carrier, enabling energy storage and contributing to the decarbonization of various sectors. Among production pathways, water electrolysis powered by photovoltaic systems shows great potential, although the intermittency of solar generation poses significant operational challenges, particularly regarding the transient regimes of hydrogen production. Thus, this study presents the modeling and dynamic analysis of a photovoltaic plant for green hydrogen production using an alkaline electrolyzer, utilizing real meteorological data with one-minute temporal resolution for the city of Florianópolis, SC. ??The developed model integrates a photovoltaic array, a battery bank, an alkaline electrolyzer, and a hydrogen compression and storage system, allowing for the assessment of the plant's overall transient behavior. The photovoltaic system was modeled using the five-parameter model, incorporating thermal effects and various series-parallel configurations. The alkaline electrolyzer was represented by the empirical current-voltage formulation proposed by Ulleberg (1998), including electrochemical modeling, Faraday efficiency, and a transient thermal balance. The compressor was modeled using multistage polytropic compression with intercooling, accounting for the thermodynamic effects of the process. The implemented models were validated against literature data, showing good agreement for the photovoltaic, electrolyzer, compressor, and battery bank subsystems. Different operational configurations were evaluated, including scenarios with and without battery storage and control strategies aimed at smoothing power fluctuations supplied to the electrolyzer. The results demonstrated that the use of batteries, combined with control strategies, significantly reduces operational fluctuations, extends operation at nominal capacity, and decreases electrolyzer start-stop cycles, thereby enhancing operational stability. Furthermore, the study found that using meteorological data with one-minute resolution is crucial for accurately representing the effects of solar intermittency, revealing significant differences compared to simulations based on hourly data. Thus, this work provides technical insights for the sizing and operation of photovoltaic systems dedicated to green hydrogen production under real-world weather variability.