Design e otimização de sistemas híbridos de energia eólica e solar integrados à eletrólise a alta temperatura para produção de hidrogênio renovável.

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Silva, Diego Luis Izidoro
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Electrolysis; Eletrólise; Energia eólica; Energia solar; Hidrogênio; Hydrogen; Optimization; Otimização; Solar energy; Wind energy
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-30042025-080715/

O hidrogênio é reconhecido como um vetor energético essencial para a redução das emissões de gases de efeito estufa, especialmente em setores de difícil eletrificação. Além disso, desempenha um papel estratégico na transição para uma matriz energética predominantemente limpa e renovável. Considerando que a quase totalidade da produção atual de hidrogênio ainda depende de combustíveis fósseis, o desenvolvimento de métodos alternativos baseados em fontes renováveis torna-se fundamental para viabilizar sua adoção em larga escala. Nesse contexto, esta tese investiga o design, a avaliação termoeconômica e a otimização de sistemas híbridos de energia eólica e solar para a produção de hidrogênio renovável utilizando células eletrolisadoras de óxidos sólidos (SOEC). As configurações propostas integram parques eólicos e/ou sistemas fotovoltaicos para a geração de eletricidade com um sistema de concentração solar térmico para a produção de vapor. As plantas são modeladas e simuladas para operação no Nordeste do Brasil, considerando três cenários: o atual, de médio prazo (2030) e de longo prazo (2050), incorporando avanços tecnológicos e reduções de custos projetadas. Adicionalmente, estratégias envolvendo armazenamento térmico, sistemas de baterias e operação conectada à rede são avaliadas. Sob condições otimizadas, a planta SOEC integrada a turbinas eólicas alcança uma eficiência exergética de 17,43% para a produção de hidrogênio no cenário atual, aumentando para 18,77% em 2050. O custo nivelado do hidrogênio (LCOH) é estimado em 4,11 USD/kg inicialmente, reduzindo-se para 2,05 USD/kg no longo prazo, com uma produção média de hidrogênio de 57,9 t/dia. As emissões evitadas de CO2 são estimadas em aproximadamente 5,28 Mt ao longo da vida útil da planta. Para configurações utilizando sistemas fotovoltaicos, a eficiência aumenta de 11,32% para 12,15% em 2050, enquanto o LCOH cai de 6,29 USD/kg para 2,58 USD/kg. Em todos os cenários, a energia eólica supera a fotovoltaica devido ao seu maior fator de capacidade. O armazenamento térmico e a conexão à rede mostram-se essenciais para garantir operação estável e contínua, além de reduzir os custos de produção. Esses resultados destacam o grande potencial do Brasil para a produção de hidrogênio a partir de recursos eólicos e solares, enquanto reforçam a necessidade de avanços tecnológicos contínuos e reduções de custos para viabilizar a transição para uma matriz energética sustentável.