Estratégia de gerenciamento de uma microrrede isolada integrando geração fotovoltaica e armazenamento em hidrogênio verde

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Dal Forno, Igor Luiz
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/36707
Resumo: The growing global concern about climate change and the need to decarbonize energy matrices have driven the transition to renewable sources and sustainable electricity generation solutions. In this context, microgrids have emerged as a promising alternative, especially for remote areas not connected to the conventional power grid, offering greater autonomy, resilience, and sustainability. This dissertation proposes an energy management strategy for an isolated microgrid composed of photovoltaic generation, a battery bank, an electrolyzer, a hydrogen storage tank, and a fuel cell. Its operational philosophy prioritizes the use of solar energy to supply loads. When there is excess photovoltaic generation, it is directed to hydrogen production via the electrolyzer. The energy stored in the form of hydrogen is converted back into electricity by the fuel cell only under critical conditions, such as nighttime or low irradiation periods, after the battery is depleted. This approach reduces the use of the fuel cell, maximizing system efficiency. To coordinate the microgrid’s operation, an Energy Management System (EMS) was developed, structured into two main modes: initialization and operation. In the initialization mode, the load remains disconnected, and the excess photovoltaic generation is used exclusively to produce the minimum amount of hydrogen required for the system’s safe startup. In the operation mode, the load is connected, and the EMS manages energy distribution, prioritizing the use of solar energy to meet demand while directing the surplus to hydrogen production. The EMS also incorporates two functional modules: the first is the Human-Machine Interface (HMI), which allows the operator to monitor the system in real-time, activate or deactivate the EMS, and manually force transitions between the two modes; the second is the contingency module, responsible for ensuring continued operation under abnormal conditions, such as equipment failures. To test the developed EMS, the microgrid components were modeled in the Typhoon HIL environment for real-time simulation. The EMS was implemented on an external computer, and communication with Typhoon HIL was carried out via the Modbus TCP/IP protocol. A supervisory system for real-time visualization and control of the system was also developed on this computer. The simulation results demonstrated that the proposed management strategy was effective in maintaining the microgrid operation according to the defined philosophy and was validated under different operational scenarios.
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This dissertation proposes an energy management strategy for an isolated microgrid composed of photovoltaic generation, a battery bank, an electrolyzer, a hydrogen storage tank, and a fuel cell. Its operational philosophy prioritizes the use of solar energy to supply loads. When there is excess photovoltaic generation, it is directed to hydrogen production via the electrolyzer. The energy stored in the form of hydrogen is converted back into electricity by the fuel cell only under critical conditions, such as nighttime or low irradiation periods, after the battery is depleted. This approach reduces the use of the fuel cell, maximizing system efficiency. To coordinate the microgrid’s operation, an Energy Management System (EMS) was developed, structured into two main modes: initialization and operation. In the initialization mode, the load remains disconnected, and the excess photovoltaic generation is used exclusively to produce the minimum amount of hydrogen required for the system’s safe startup. In the operation mode, the load is connected, and the EMS manages energy distribution, prioritizing the use of solar energy to meet demand while directing the surplus to hydrogen production. The EMS also incorporates two functional modules: the first is the Human-Machine Interface (HMI), which allows the operator to monitor the system in real-time, activate or deactivate the EMS, and manually force transitions between the two modes; the second is the contingency module, responsible for ensuring continued operation under abnormal conditions, such as equipment failures. To test the developed EMS, the microgrid components were modeled in the Typhoon HIL environment for real-time simulation. The EMS was implemented on an external computer, and communication with Typhoon HIL was carried out via the Modbus TCP/IP protocol. A supervisory system for real-time visualization and control of the system was also developed on this computer. The simulation results demonstrated that the proposed management strategy was effective in maintaining the microgrid operation according to the defined philosophy and was validated under different operational scenarios.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA crescente preocupação global com as mudanças climáticas e a necessidade de descarbonização das matrizes energéticas têm impulsionado a transição para fontes renováveis e soluções sustentáveis de geração elétrica. Nesse cenário, as microrredes surgem como uma alternativa promissora, especialmente para regiões remotas e não interligadas à rede elétrica convencional, oferecendo maior autonomia, resiliência e sustentabilidade. Neste contexto, esta dissertação propõe uma estratégia de gerenciamento de energia para uma microrrede isolada, composta por geração fotovoltaica, banco de baterias, eletrolisador, tanque de armazenamento e célula a combustível. Sua filosofia de operação prioriza o uso da energia solar para suprir as cargas. Quando há excedente de geração fotovoltaica, este é direcionado para a produção de hidrogênio por meio do eletrolisador. A energia armazenada na forma de hidrogênio é convertida em eletricidade pela célula a combustível apenas em condições críticas, como períodos noturnos ou de baixa irradiação, após o esgotamento da bateria. Essa abordagem reduz o uso da célula a combustível, maximizando a eficiência do sistema. Para coordenar a operação da microrrede, foi desenvolvido um Sistema de Gerenciamento de Energia (EMS), estruturado em dois modos principais: inicialização e operação. No modo de inicialização, a carga permanece desconectada e o excedente da geração fotovoltaica é utilizado exclusivamente para produzir a quantidade mínima de hidrogênio necessária à ativação segura do sistema. No modo de operação, a carga é conectada, e o EMS gerencia a distribuição energética, priorizando o uso da energia solar para atendimento da demanda, enquanto direciona o excedente para a produção de hidrogênio. O EMS também incorpora dois módulos funcionais: o primeiro é a Interface Homem-Máquina (IHM), que permite ao operador monitorar o sistema em tempo real, ativar ou desativar o EMS e forçar a transição entre os dois modos; o segundo é o módulo de contingência, responsável por garantir a continuidade da operação em situações anormais, como falhas em equipamentos. Para testar o EMS desenvolvido, os componentes da microrrede foram modelados no ambiente Typhoon HIL para simulação em tempo real. O EMS foi implementado em um computador externo, e a comunicação com o Typhoon HIL foi realizada via protocolo Modbus TCP/IP. Nesse computador, também foi desenvolvido um sistema supervisório para visualização e controle do sistema em tempo real. Os resultados das simulações demonstraram que a estratégia de gerenciamento proposta foi eficaz em manter a operação da microrrede dentro da filosofia definida, sendo validada em diferentes cenários de operação.Universidade Federal de Santa MariaBrasilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaMarchesan, Gustavohttp://lattes.cnpq.br/4254867243649147Cardoso Junior, GhendyResener, MarianaVieira, João Paulo AbreuDal Forno, Igor Luiz2025-10-23T15:19:29Z2025-10-23T15:19:29Z2025-08-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/36707porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2025-10-23T15:19:29Zoai:repositorio.ufsm.br:1/36707Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2025-10-23T15:19:29Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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