Apresentação Artigo 1.pptx

Perspectivas e análise de viabilidade econômica de
sistemas híbridos eólicos e solares fotovoltaicos para
produção e armazenamento de hidrogênio: um estudo de
caso do setor elétrico brasileiro
Sabrina Fernandes Macedo, Drielli Peyerl*
Institute of Energy and Environment, University of Sao Paulo, Av. Professor
Luciano Gualberto, 1289, São Paulo, Brasil
Prof.ª Dr.ª Carla Freitas
Mateus Valquiro Pereira Lima - 389873
Apresentação
1
TE0305 - TÓPICOS ESPECIAIS EM SISTEMAS TÉRMICOS I (2022.2 - T01)
Fortaleza,
2022

Informações do artigo
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Informações do trabalho
• Historia do artigo:
Recebido em 21 de setembro de 2021;
Recebido em forma revisada em 10 de janeiro de 2022;
Aceito em 16 de janeiro de 2022;
Disponível online em 10 de fevereiro de 2022.
• Palavras-chave:
Hidrogênio verde;
Sistema híbrido;
Setor de energia elétrica;
Custos econômicos;
Brasil.
• https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.01.133
• 0360-3199/© 2022 Hydrogen Energy Publications LLC.
Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Objetivo
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• Verificar a viabilidade econômica de sistemas híbridos eólicos e
solares fotovoltaicos no Sistema Interligado Nacional (SIN) para
produção e armazenamento de hidrogênio no setor elétrico brasileiro.

Apresentação geral
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• O trabalho visa verificar a viabilidade econômica de sistemas híbridos renováveis para produção
e armazenamento de hidrogênio no setor elétrico brasileiro. A metodologia aplicada baseia-se em
análises de custos econômicos das duas maiores usinas eólicas e solares fotovoltaicas do país.
Como resultado, o número de horas de eletricidade disponíveis para a produção de hidrogênio
influencia diretamente no seu custo.
• Plantas totalmente dedicadas à produção de hidrogênio verde têm se mostrado economicamente
viáveis para o exportador ou outros setores, sendo que comercializar hidrogênio é mais lucrativo
do que transformá-lo novamente em energia. O modelo também conclui que os sistemas híbridos
eólico e solar para produção e armazenamento de hidrogênio ainda não são economicamente
viáveis no Brasil. O CAPEX dos eletrolisadores e suas perdas operacionais ainda são muito
expressivos.
• A produção e armazenamento de hidrogênio tornam-se economicamente viáveis apenas a partir
de usinas que operam acima de 3000 horas e para eletrolisadores com CAPEX de USD650/Kwe.

Introdução
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• O Hidrogênio emergiu como um fator chave na transição global para uma economia de zero carbono.
• O hidrogênio verde é atualmente reconhecido como um transportador de energia limpa produzido por eletrólise usando eletricidade de
fontes renováveis para dividir a água em hidrogênio e oxigênio.
• Uma das grandes soluções para equilibrar a rede elétrica, combater a intermitência das Energias Renováveis Variáveis através do
armazenamento de energia e evitar o corte do excedente de geração.
• Os benefícios futuros da produção de hidrogênio verde incluem segurança energética, mitigação de gases de efeito estufa (GEE),
crescimento econômico e competitividade industrial.
• Os desafios enfrentados globalmente são barreiras que impedem sua plena contribuição para a transição energética, como altos custos
de produção, falta de infraestrutura dedicada, perdas de energia, regimes tributários, políticas de implantação, acordos comerciais e
regulação financeira.
• Destaque brasileiro (85% de energia oriunda de fonte renovável), visto que os mercados de produção mais atraentes para o hidrogênio
verde são aqueles com recursos renováveis abundantes e de baixo custo.
• Os custos de produção variam de 3 à 8 EUR/Kg nas regiões do Oriente Médio, África, Rússia, Estados Unidos, Austrália e Europa.
• Sistema híbrido eólico offshore associado apenas à produção de hidrogênio, com redução de 10%, mostrou um custo nivelado de
hidrogênio de 3,77 euros/kg. Por outro lado, encontrou um custo nivelado de hidrogênio de 4,07 USD/kg. Também, mostra que os
custos para a produção de hidrogênio fora da rede conectada aos sistemas solares fotovoltaicos (PV) são de cerca de 6 e 7 euros/kg.

Introdução
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• Questões norteadoras do trabalho:
• É economicamente viável produzir hidrogênio verde no Brasil por meio da energia
proveniente de eventos de redução de energia das usinas existentes conectadas ao SIN ?
• O custo econômico será competitivo considerando os novos sistemas híbridos eólicos ou
solares trabalhando em tempo integral para a produção e armazenamento de hidrogênio?
A novidade deste trabalho mostra os custos reais de implantação do sistema
híbrido eólico e solar fotovoltaico para produção e armazenamento de hidrogênio no
setor elétrico brasileiro, tornando-se um dos primeiros estudos sobre o assunto no país.

Sistema híbrido
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• Vários estudos demonstraram a viabilidade de sistemas híbridos com sistemas
combinados de energia solar fotovoltaica, energia eólica, célula a combustível,
eletrolisador e armazenamento de hidrogênio.
• No entanto, de acordo com as referências, o sistema híbrido fotovoltaico e eólico
acoplado com bateria é mais viável e tem maior eficiência do que sem
armazenamento de energia. Por outro lado, conforme relatado pela referências, há
uma tendência de publicações relacionadas a sistemas híbridos acoplados a
sistemas de hidrogênio. Apesar de a bateria ser o sistema armazenado mais utilizado
para conexão à rede, com uma pequena porcentagem, tanques de hidrogênio têm
sido utilizados com células a combustível para formar um sistema de hidrogênio.

Sistema híbrido
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Setor elétrico brasileiro e desenvolvimento renovável
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• O setor elétrico brasileiro é organizado pela:
(i) Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), que é a entidade reguladora do setor;
(ii) a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), que forneceu o planejamento energético do
setor e;
(iii) o Operador Nacional do Sistema (ONS), que é responsável pela operação das
instalações de geração e transmissão do SIN.
• O SIN é composto por quatro subsistemas: Sul, Sudeste/Centro-Oeste, Nordeste (NE) e a
maioria das regiões Norte.

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• O aumento das energias renováveis implica na qualidade da energia fornecida sem
interrupções significativas e na
confiabilidade do sistema. Para atender a carga de pico e quantificar o risco associado à
penetração de energias renováveis é necessário para manter o sistema confiável. No
entanto, fatores externos como sazonalidade, variabilidade interanual e horária ainda
impactam a capacidade total de energia por meio de fontes renováveis. No caso da
geração eólica e solar, há fortes diferenças nos padrões da curva de oferta e da curva de
demanda do consumidor. O Subsistema NE brasileiro apresenta a maior geração de
energia eólica e solar.
• O Subsistema NE apresenta características que o diferenciam das demais regiões
brasileiras, levando o ONS a adotar determinadas políticas operacionais para garantir a
segurança do SIN. Um grande problema é o cerceamento, definido como uma redução de
geração das demandas da operadora centralizada sobre agendamento devido a limitações
da rede de transmissão, requisitos de reserva operacional ou geração de sobrecarga.

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Metodologia
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• As duas maiores usinas brasileiras de geração de energia renovável
(eólica e solar) foram selecionadas como estudos de caso. Ambas as
usinas estão localizadas no subsistema NE do SIN.
• UFV Barreiras (BA): 106,64 MW, 339,120 módulos fotovoltaicos, 300 ha,
geração anual de 230GWh, fator de capacidade de 28%.
• Complexo Eólico Baixa do Feijão (RN): 105 aerogeradores, potência
total de 210 MW, fator de capacidade médio de 42%.

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Metodologia

Metodologia
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• O ONS, ANEEL e Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE)
forneceram os dados para o cálculo da produção de hidrogênio dos estudos de
caso selecionados neste trabalho. A geração horária de energia das usinas
escolhidas está disponível na plataforma do ONS, e os dados dos leilões estão
disponíveis nas plataformas ANEEL e CCEE. Foi possível reunir detalhes técnicos
sobre as usinas por meio dele.
• Ainda, na plataforma do ONS, foi possível obter relatórios do Índice de
Desempenho do SIN, que indica a disponibilidade da rede para o fluxo de energia.

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Metodologia

Processo de modelagem
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• Dados reais foram coletados do ONS de geração de energia integrada
à rede do complexo eólico Baixa do Feijão e do complexo solar
fotovoltaico Sertão Solar Barreiras de hora em hora durante todo o ano
de 2020. A potência na rede elétrica é dada por:
• Onde OPP(t) é a potência de saída da usina no tempo t.
• Período reduzido considerado: Considerando a indisponibilidade da
medida de 8,2% em 2020 para o Subsistema NE que teve 8784 h, o
período total de corte foi de 720 h. Portanto, foi considerado o período
máximo de redução para cada estudo de caso.

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• Potência reduzida direcionada ao eletrolisador para produção de hidrogênio: As
plantas podem ser reduzidas em partes ou totalmente. Com base nessa curva da
figura 9, foi possível fazer uma gama de tamanhos possíveis de eletrolisadores para
as usinas. O tamanho da planta de eletrólise deve ser dado em diferentes potências
nominais do eletrolisador, de 1 MW a 90 MW. Esta gama é baseada no certificado
firmenergy dos estudos de caso segundo seis premissas:
(i) Operação intermitente sem qualquer outra fonte de alimentação quando a
energia reduzida não foi suficiente para iniciar o eletrolisador;
(ii) a produção de hidrogênio é proporcional à potência do eletrolisador;
(iii) consumo médio de energia é 39,5 kWh/kg;
(iv) Horas anuais de trabalho a) 720 h (indisponibilidade média do Subsistema NE);
(v) vida útil de 20 anos e;
(vi) preço do hidrogênio verde de US$ 4,2/kg [114].

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• As equações 2 e 3 determinam a energia viável da usina conduzida ao eletrolisador:
• Onde Pt;c é a energia utilizada para o sistema eletrolisador;PH2plantar é o poder de corte das
usinas, EH2 é a potência nominal do eletrolizador PH2plantar; e Et;c25%PH2planta <Pt;c
<PH2plantar é assumida energia reduzida de toda a planta quando
25%PH2plantar<Pt;c<PH2plantar.
• Por fim, a equação (4) pode levar à quantidade de hidrogênio que pode ser produzida:
• Onde é a quantidade de hidrogênio que pode ser produzida por hora a partir da
redução, e é o consumo médio de energia do eletrolisador.

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Custos econômicos
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Resultados e discussão
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1. A análise planeja produzir hidrogênio verde a partir das usinas existentes, armazenando e vendendo para
outros setores. Os resultados da simulação, consideram períodos reduzidos de 720 h. O CAPEX do
sistema para eletrolisador abaixo de 4 MW pode ficar estável em USD 875/kWe. O período de retorno está
chegando a 16 anos assumindo esta configuração, e o custo de produção está acima de US$ 50/kg de
hidrogênio, bem acima de US$ 4,20/kg encontrado na literatura para usinas trabalhando full time
(produzindo hidrogênio full time periodo não apenas durante os períodos de redução);
2. A análise considera as usinas existentes e o sistema de hidrogênio conectado a uma célula a combustível.
Seguindo as mesmas premissas do caso (i), o payback retorna negativamente. O ponto principal é que o
CAPEX para introduzir células a combustível no projeto é consideravelmente alto. Além disso, o modelo
enfatiza a competitividade das vendas de hidrogênio em relação à eletricidade, assumindo um preço de
eletricidade de USD 35/ MWh.
3. A análise do custo de produção de hidrogênio para o sistema híbrido, trabalhando em tempo integral para
produção de hidrogênio, considerou o custo de investimento dos estudos de caso e a implantação do
sistema de produção e armazenamento de hidrogênio. Nesse cenário, o número de horas aumenta e o
custo dos eletrolisadores diminui, respectivamente, simulando o comportamento desse hipotético sistema
híbrido em uma situação futura de preços competitivos de eletrolisadores e usinas dedicadas à produção
de hidrogênio;
4. A análise traz o sistema de produção e armazenamento de hidrogênio em uma faixa de horas de produção
e para diferentes CAPEX de eletrolisadores. Os resultados da simulação mostram que para horas acima de
3000 e eletrolisadores abaixo de US$ 650/kWe, o sistema passa a ser economicamente viável, com custo
de produção seguindo o encontrado na literatura (US$ 4,2/kg).

Resultado e discussão
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Conclusão
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O modelo conclui que o sistema híbrido solar e eólico para produção e
armazenamento de hidrogênio ainda não é viável no Brasil. Além disso, o
CAPEX de eletrolisadores e tanques de armazenamento e suas perdas
operacionais são pontos fundamentais para a implantação desses sistemas.
Além disso, o modelo ainda conclui que comercializar hidrogênio é mais
lucrativo do que transformá-lo novamente em energia. Uma dessas razões é que
o CAPEX ainda é muito caro para o sistema. Além disso, as opções de
armazenamento à base de hidrogênio sofrem com a baixa eficiência de ida e
volta na conversão de eletricidade por meio de eletrólise em hidrogênio, depois
hidrogênio de volta em eletricidade. A produção de hidrogênio torna-se
economicamente viável apenas a partir de usinas operando a partir de 3000 he
para eletrolisadores com CAPEX de USD 650/kWe.

Referência Bibliográfica
26
Macedo, S. F., & Peyerl, D. (2022). Prospects and economic feasibility
analysis of wind and solar photovoltaic hybrid systems for hydrogen
production and storage: A case study of the Brazilian electric power
sector. International Journal of Hydrogen Energy, 47(19), 10460–10473.
https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2022.01.133

Agradecimento
27
Obrigado pela atenção! :D

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