Proposta de um modelo elétrico simplificado e um modelo elétrico dinâmico de eletrolisadores para eletrônica de potência aplicada em sistemas de produção de H2V

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Sousa, Humberto Pontes Van Ool de
Orientador(a): Júnior, Edilson Mineiro Sá
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
CNPQ::ENGENHARIAS
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/81186
Resumo: This work proposes the development of a dynamic electrical model capable of representing the electrical characteristics of electrolytic cells over a wide operating range, with applicability in the analysis of intermittency of renewable energy sources, in the sizing of new power electronic converter topologies, and in control systems. Initially, a literature review on the fundamentals of water electrolysis and the main water electrolysis technologies was conducted. The integration of electrolysis systems with renewable energy sources was discussed, emphasizing the role of power electronics in reducing the impact of the inherent intermittency of some renewable sources. After the theoretical foundation, a simplified electrical model of a bipolar alkaline electrolyzer was developed. The simplified electrical model was experimentally validated, and a buck converter was sized using the simplified electrical model as the load, demonstrating low voltage and current ripple on the load. Subsequently, a dynamic electrical model for electrolytic cells, capable of representing the temporal behavior over a wide operating range, was proposed based on the analysis of electrical models found in the literature. The dynamic electrical model was proposed for an alkaline cell and experimentally validated, demonstrating greater accuracy in steady-state and power variation conditions compared to the other electrical models analyzed. The results obtained demonstrated that the proposed dynamic electrical model is a tool capable of analyzing the intermittency of renewable energy sources and optimizing the sizing of converters and control systems in green hydrogen production systems.
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The integration of electrolysis systems with renewable energy sources was discussed, emphasizing the role of power electronics in reducing the impact of the inherent intermittency of some renewable sources. After the theoretical foundation, a simplified electrical model of a bipolar alkaline electrolyzer was developed. The simplified electrical model was experimentally validated, and a buck converter was sized using the simplified electrical model as the load, demonstrating low voltage and current ripple on the load. Subsequently, a dynamic electrical model for electrolytic cells, capable of representing the temporal behavior over a wide operating range, was proposed based on the analysis of electrical models found in the literature. The dynamic electrical model was proposed for an alkaline cell and experimentally validated, demonstrating greater accuracy in steady-state and power variation conditions compared to the other electrical models analyzed. The results obtained demonstrated that the proposed dynamic electrical model is a tool capable of analyzing the intermittency of renewable energy sources and optimizing the sizing of converters and control systems in green hydrogen production systems.Este trabalho propõe o desenvolvimento de um modelo elétrico dinâmico capaz de representar as características elétricas de células eletrolíticas em uma ampla faixa de operação, com aplicabilidade na análise de intermitência de fontes de energia renováveis, no dimensionamento de novas topologias de conversores eletrônicos de potência e em sistemas de controle. Inicialmente, uma revisão bibliográfica sobre os fundamentos da eletrólise da água e sobre as principais tecnologias de eletrólise da água foi realizada. A integração de sistemas de eletrólise com fontes de energia renovável foi discutida, com ênfase no papel da eletrônica de potência para reduzir o impacto da intermitência inerente de algumas das fontes renováveis. Após a fundamentação teórica, um modelo elétrico simplificado de um eletrolisador alcalino bipolar foi desenvolvido. O modelo elétrico simplificado foi validado experimentalmente e um conversor buck foi dimensionado utilizando o modelo elétrico simplificado como carga, demonstrando baixa ondulação de tensão e corrente na carga. Posteriormente, o modelo elétrico dinâmico para células eletrolíticas, capaz de representar o comportamento temporal em uma ampla faixa de operação, foi proposto a partir da análise de modelos elétricos presentes na literatura. O modelo elétrico dinâmico foi proposto para uma célula alcalina e foi validado experimentalmente, demonstrando maior precisão em regime e em variações de potência em comparação com os demais modelos elétricos analisados. Os resultados obtidos demonstraram que o modelo elétrico dinâmico proposto é uma ferramenta capaz de analisar a intermitência de fontes de energia renovável e otimizar o dimensionamento de conversores e sistemas de controle em sistemas de produção de hidrogênio verde.Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Proposta de um modelo elétrico simplificado e um modelo elétrico dinâmico de eletrolisadores para eletrônica de potência aplicada em sistemas de produção de H2Vinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisHidrogênio verdeEletrólise da águaModelo elétrico de eletrolisadoresGreen hydrogenElectrolysis of waterElectrical model of electrolyzersCNPQ::ENGENHARIASinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttps://orcid.org/0009-0003-3829-178Xhttp://lattes.cnpq.br/5259289093330051https://orcid.org/0000-0002-7388-229Xhttp://lattes.cnpq.br/48288457140966992025ORIGINAL2025_dis_hpvosousa.pdf2025_dis_hpvosousa.pdfapplication/pdf3831304http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81186/4/2025_dis_hpvosousa.pdf5e2b73cf70b7ed8292a5836b293cc88cMD54LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/81186/5/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD55riufc/811862025-06-05 09:37:19.532oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-06-05T12:37:19Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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