Estudos energético, exergético, exergoeconômico e exergoambiental (4E) de um Sistema de Produção de Hidrogênio Verde com Células de Eletrólise de Óxido Sólido (SOEC)

Abstract

A utilização do hidrogênio verde como vetor de energia é uma das ações em busca da descarbonização do planeta, redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE), além de ser uma fontes de energias limpas,. As células eletrolisadoras são as mais utilizadas mundialmente para produzir hidrogênio através da água. Entre elas, a célula de eletrólise de sólido óxido (SOEC) possui a maior eficiência de conversão de energia, pois opera na faixa de temperatura entre 600 até 1200°C. O objetivo geral dessa dissertação é realizar a análise energética, exergética, exergoeconômica e exergoambiental (4E) de um sistema de produção de hidrogênio verde com células de eletrólise de óxido sólido. As hipóteses do modelo foram 60 módulos de eletrolisadores em paralelo, a célula opera a 950°C com densidade de corrente de 2500 A/m2. O sistema de armazenamento de sal fundido e as baterias permitem que as células operem num período de 9 horas. Tem-se como resultado capacidade produção de 1,88 kg/h de hidrogênio por módulo. Cada módulo consome 19,77 kg/h de água. O campo solar supre uma taxa de calor constante de 853 kW com 3307 heliostatos. Cada módulo é suprido por 52,55 kW de eletricidade através de 163 módulos fotovoltaicos com 83 baterias de 220 Ah. A tensão operacional da SOEC é 1,043 V. O maior erro relativo do modelo foi de 2,76%. A eficiência exergética global do sistema é de 19,19%. As menores eficiências exergéticas foram no sistema fotovoltaico e baterias, de 18,06%, e no trocador de calor #1, com 24,14%. O custo total de aquisição dos equipamentos foi de 22,811 MUS$. O campo solar de torre e os heliostatos tiveram o maior custo do sistema, sendo igual a 13,397 MUS$. O LCOH do sistema foi igual a 8,40 US$/kg. O custo do hidrogênio produzido é de 68,21 US$/GJ. O custo da eletricidade gerada nos painéis com baterias foi de 26,92 US$/GJ. O componente com pior desempenho sobre o ponto de vista exergoeconômico foi o conjunto de painéis fotovoltaicos com baterias com maior taxa de destruição de exergia de 22,93 US$/h e fator exergoeconômico de 18,07%. O componente com menor valor do fator exergoeconômico é o trocador de calor #1 com f = 3,73 %. O componente com maior potencial de melhoria com menor esforço é o campo solar de torre e heliostatos, cuja diferença relativa de custo é de 4686,42. A maior taxa de impacto ambiental associado ao componente foi do campo solar de torre e heliostatos sendo igual a 7974 mPt/h.