Pesquisadores da Universidade de Ciências Aplicadas de Hanze, Groningen, na Holanda, investigaram pela primeira vez como combinar a produção de hidrogênio e o armazenamento de baterias com energia fotovoltaica off grid no telhado ou por meio de pequenas turbinas eólicas em residências.
“Até onde sabemos, nenhum estudo publicado usou o sistema de hidrogênio como o principal armazenamento ao hibridizar energias renováveis com baterias e, mais importante, nenhum estudo considerou os requisitos variáveis de partida para eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) para produção e armazenamento de hidrogênio ao projetar sistemas de energia renovável fora da rede”, afirmou o grupo, acrescentando que as baterias devem ser usadas para evitar a redução do hidrogênio quando a produção não puder ser priorizada.
Os cientistas explicaram que os sistemas de hidrogênio baseados na eletrólise PEM oferecem a vantagem de serem sistemas de resposta rápida, adequados para sistemas de armazenamento onde o sistema de hidrogênio atua como a unidade de armazenamento principal juntamente com uma bateria para armazenamento secundário. Eles também ressaltaram, no entanto, que o hidrogênio gerado por eletrólise precisa ser seco e purificado a partir de vestígios de água e oxigênio antes de poder ser usado.
O sistema proposto destina-se a armazenar energia solar excedente, com a bateria atuando como uma unidade de armazenamento primário apenas quando a geração de hidrogênio não está imediatamente disponível. Ele consiste em um sistema de eletrólise de hidrogênio PEM de 4,5 kW, um tanque de armazenamento de hidrogênio de 0,85 m3, uma unidade de purificação de 0,8 kW, uma célula de combustível de hidrogênio PEM e uma bateria de íons de lítio. “A célula de combustível só pode fornecer energia diretamente ao consumidor e não carrega a bateria nem suporta o eletrolisador”, explicaram os acadêmicos. “O eletrolisador e a célula a combustível necessitam de água e ar desmineralizados para operação, respectivamente”.
O sistema também conta com uma válvula de controle de pressão para definir a pressão de saída do hidrogênio, que pode ser ajustada para quase 50 bar sem meios externos. Também é capaz de manter o eletrolisador funcionando quando o excedente de energia solar está perto o suficiente da potência mínima do eletrolisador e a energia excedente esperada nos 10 minutos seguintes é relativamente alta. “Ele usa a bateria para armazenar energia quando a energia ou a duração da energia de fontes renováveis é insuficiente para que o sistema eletrolisador seja iniciado e opere”, disseram os cientistas.
O grupo de pesquisa simulou o desempenho do sistema via software Python e utilizou múltiplas entradas para decidir como armazenar energia elétrica quando há excedente. Eles assumiram que o sistema seria implantado em uma típica casa holandesa isolada com uma demanda anual de 4 MWh.
A simulação mostrou que a melhor configuração do sistema para a fonte fotovoltaica inclui uma matriz solar de 2,65 kW com um ângulo de inclinação de 35 graus e um ângulo de azimute de 180 graus. O custo do sistema fotovoltaico foi assumido em € 1.317 ($ 1.430) / kW, enquanto o do eletrolisador e da célula de combustível foi estimado em € 9.677 e € 7.500, respectivamente. O custo do depósito de hidrogênio foi indicado em 1.915 euros e o da bateria de 2,93 kW foi assumido em 372,5 euros/kWh.
A análise demonstrou que, em hipótese alguma, o eletrolisador foi capaz de trabalhar em sua potência nominal máxima, o que significa que ele pode ser reduzido, reduzindo assim os custos do sistema, ressaltaram os pesquisadores. “A análise de sensibilidade na variação da potência nominal do eletrolisador mostrou que um eletrolisador com potência nominal entre 1.550 W e 2.000 W é mais adequado e econômico para a configuração do caso base definido neste estudo”, explicaram ainda, acrescentando que a capacidade ótima da bateria foi identificada em torno de 3 kW.
A série de simulações também mostrou que depender apenas da energia eólica foi mais econômico do que usar apenas a energia solar, enquanto uma combinação das duas fontes ofereceu os melhores resultados. “A energia requerida pela unidade de purificação pode ser considerada insignificante para todos os cenários”, acrescentaram os acadêmicos, observando que pesquisas futuras devem testar a solução proposta em maior escala ou em um sistema que integre a produção de calor.
O sistema foi introduzido no estudo ““Simulation and analysis of hybrid hydrogen-battery renewable energy storage for off-electric-grid Dutch household system“, publicado no International Journal of Hydrogen Energy.
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