Simulação da produção de hidrogênio verde no Simcenter Amesim
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Um forte aumento do interesse na produção de hidrogênio verde
A demanda atual e futura é por energia verdadeiramente livre de emissões. É preciso encontrar alternativas para substituir os combustíveis fósseis. Atualmente, as baterias são uma solução para o setor automotivo. Infelizmente, elas não são adequadas para muitas aplicações devido a limitações de capacidade de armazenamento, vida útil, restrições de carga e preocupações ambientais. Portanto, a produção de hidrogênio verde (produzido, por exemplo, por eletrólise, utilizando eletricidade renovável) é identificada como uma solução promissora para o armazenamento de energia renovável livre de emissões a longo prazo.
Em 2019, a energia gerada graças ao hidrogênio era da mesma ordem de grandeza da energia fornecida por uma usina nuclear moderna. E, por alguns anos, o consumo de hidrogênio aumentou rapidamente. Essa tendência continuará a crescer significativamente, visto que muitos países têm investido recentemente em larga escala para aumentar a produção e o uso de hidrogênio nos setores de transporte, energia e indústria.
Figura 1: Evolução do consumo de hidrogênio
A maior parte do hidrogênio ainda é produzida a partir de combustíveis fósseis, o que significa que novas infraestruturas precisam ser desenvolvidas, enfrentando os seguintes desafios:
Produção de hidrogênio verde, sem emissões de CO₂. A eletrólise da água é uma solução, utilizando eletricidade limpa gerada, por exemplo, por turbinas eólicas, painéis solares, conversores de ondas ou uma combinação destes.
A melhoria do desempenho, da confiabilidade e da eficiência do sistema visa atingir um preço aceitável para o hidrogênio produzido.
O armazenamento do hidrogênio. Como esse gás possui baixa densidade energética em condições ambientais, ele geralmente é comprimido ou liquefeito para armazenamento.
Figura 2: Usina de produção de hidrogênio
Então, como podemos lidar com esses desafios e capturar o comportamento de uma planta de produção de hidrogênio e de cada um de seus subsistemas?
Um modelo que combina todos os subsistemas para avaliar o desempenho global
A simulação da produção de hidrogênio verde no Simcenter Amesim é a solução. Ela permite capturar todo o processo de produção de hidrogênio verde, prever as interações entre os subsistemas e o desempenho global.
Figura 3: Modelo de planta de produção de hidrogênio no Simcenter Amesim
Passa-se agora à análise do exemplo da energia elétrica gerada a partir de 3 fontes verdes diferentes:
Turbinas eólicas
Painéis solares
Conversores de onda
A energia elétrica é usada para alimentar um eletrolisador que gera hidrogênio. O hidrogênio é finalmente comprimido para ser armazenado em tanques de alta pressão, pronto para ser usado, abastecer veículos ou ser transportado.
Turbinas eólicas
O modelo de turbina eólica leva em consideração o número de turbinas eólicas que desejamos utilizar, a definição da geometria da turbina (especialmente o diâmetro da hélice, o ângulo de inclinação…), o desempenho do gerador, as perdas dos subcomponentes e o controle do passo da hélice.
Figura 4: Modelo de turbina eólica
Este modelo permite prever, por exemplo, a potência elétrica e a potência mecânica da turbina, dependendo da velocidade transitória do vento.
Figura 5: Resultados do modelo de turbina eólica
Painéis solares
O modelo do painel solar leva em consideração o número e a geometria das células e dos painéis, as condições operacionais transitórias: considerando a evolução da posição do sol e o impacto das nuvens, bem como a definição do desempenho do conjunto de painéis solares.
Figura 6: Modelo de painéis solares
Isso possibilita, por exemplo, prever a potência elétrica fornecida pelo painel solar, dependendo da potência de irradiação transitória nas células.
Figura 7: Resultados do modelo de painéis solares
Gerador de ondas
Para prever o desempenho de um gerador de ondas, foi inicialmente construído um modelo multifísico bastante detalhado. Este modelo reproduz a arquitetura detalhada do sistema, considerando o dimensionamento e o comportamento dos subsistemas: o pistão, as válvulas, o motor e o gerador hidráulicos, um acumulador, tubulações, etc. O modelo leva em conta as condições operacionais transitórias com frequência e amplitude de ondas variáveis.
Este modelo é preciso e útil para o projeto detalhado e otimização do gerador de ondas. No entanto, para simulações de longa duração, ele permanece lento.
Em seguida, numa segunda etapa, partindo do modelo preciso, foi construído um modelo reduzido utilizando a ferramenta Simcenter Amesim Neural Network Builder. O Neural Network Builder permite treinar um modelo reduzido de forma fácil e rápida, gerando o modelo Amesim correspondente que será executado com grande rapidez. Numa simulação de validação, o modelo gerador de ondas reduzido conseguiu reproduzir os resultados do modelo inicial com um nível de confiança de 94%, com um tempo de simulação significativamente menor. É realmente incrível!
Figura 8: Redução do modelo do gerador de ondas
Este modelo reduzido pode então ser usado para prever a energia elétrica gerada pelo gerador de ondas, dependendo da frequência e amplitude da onda, com os desempenhos que precisamos em nosso modelo de sistema de produção de hidrogênio verde.
Figura 9: Resultados do modelo do gerador de ondas
Eletrolisador
A energia elétrica gerada por painéis solares, turbinas eólicas e geradores de ondas é combinada e utilizada pelo eletrolisador. Este converterá água em O₂ e H₂. Neste modelo, o desempenho e as taxas de reação são previstos graças à curva de polarização fornecida como parâmetro, ao número de células e à área ativa das células.
Figura 10: Modelo de eletrolisador
Isso permite prever a energia elétrica consumida pelo eletrolisador, o fluxo instantâneo de hidrogênio que ele produzirá e a massa média correspondente que você poderá produzir por dia. Neste exemplo, você pode produzir cerca de 9 kg de hidrogênio por dia.
Você também pode constatar que, com o dimensionamento dos subsistemas, o conversor de ondas produz 88% da energia elétrica, os painéis solares 4% e a turbina eólica 7%.
Figura 11: Resultados do modelo de eletrolisador
Armazenamento de hidrogênio
Finalmente, o hidrogênio é comprimido no modelo de armazenamento de hidrogênio. Este modelo é baseado em tubulações, um compressor com seu controle, válvulas controladas e vários tanques. O controle das válvulas permite que o primeiro tanque seja enchido até que a pressão atinja 750 bar. O segundo tanque é enchido em seguida e, finalmente, o terceiro. As trocas térmicas que ocorrem entre o hidrogênio, as tubulações e os tanques são levadas em consideração. A simulação foi interrompida quando a pressão atingiu 750 bar em cada um dos três tanques.
Figura 12: Modelo do sistema de armazenamento de hidrogênio
Graças ao modelo e à simulação, é possível prever que, nas condições operacionais definidas, os 3 tanques podem ser enchidos em 42 dias. Também é possível compreender claramente a rapidez com que a pressão e a massa de hidrogênio aumentam, bem como a evolução da temperatura do gás dentro dos 3 tanques.
A compressão do hidrogênio a 750 consome parte da energia gerada pelos painéis solares, turbinas eólicas e geradores de ondas. Isso, por fim, reduz a produção de hidrogênio. Graças à simulação, pode-se estimar que o compressor consome cerca de 6% da energia elétrica.
Figura 13: Resultados do modelo do sistema de armazenamento de hidrogênio
Conclusões
Em conclusão, a simulação da produção de hidrogênio verde no Simcenter Amesim pode definitivamente ajudar a enfrentar os desafios da produção de hidrogênio verde.
A extensa plataforma de simulação multifísica permite modelar sistemas completos.
Dimensionar os diferentes subsistemas, considerando várias condições de operação, é benéfico.
Isso possibilita uma melhor integração dos subsistemas e a melhoria do desempenho geral e do retorno sobre o investimento (ROI).
Proporciona uma melhor compreensão do comportamento global do sistema.
Com a simulação de sistemas, você pode projetar melhor seu sistema, além de avaliá-lo virtualmente e aprimorar suas estratégias de controle.
Você finalmente poderá selecionar o design certo na primeira tentativa , reduzindo os riscos de erros e acelerando seus projetos.
Finalmente, o Simcenter Amesim, graças a modelos e bibliotecas genéricos, possibilita abordar a produção de hidrogênio limpo, bem como muitas outras aplicações. Podemos mencionar brevemente, por exemplo, as seguintes:
Projeto de tanques de hidrogênio integrados em veículos ou aeronaves, considerando tanques de alta pressão ou criogênicos, simulação de cenários como reabastecimento ou extração de hidrogênio.
Avaliação do desempenho de motores aeronáuticos e turbinas a gás, análise do impacto da sangria em compressores multiestágios, foco em questões de engenharia, análise de modelos para avaliação fora do projeto e em regime transitório.
Projeto de motores de combustão de hidrogênio, adaptação dos sistemas de injeção e controle, sistemas de carregamento, controle de combustão e sistemas de pós-tratamento.
Projeto e integração de células de combustível com o fornecimento de ar e hidrogênio, a eletrônica de potência, o gerenciamento térmico e os controles.
Figura 14: Exemplos de funcionalidades do Simcenter Amesim para outras aplicações relacionadas ao hidrogênio
Sobre o autor:
Patrice Montaland é Desenvolvedor de Negócios do Simcenter Amesim. Ele adquiriu experiência inicial em simulação, células de combustível e veículos híbridos como engenheiro atuando nas indústrias automotiva e de hidrogênio. Patrice ingressou na Siemens há 14 anos e agora trabalha em estreita colaboração com a equipe de desenvolvimento do Simcenter Amesim, motivado a melhor atender aos novos desafios da indústria. Patrice acredita firmemente nos benefícios da simulação de sistemas para o projeto de sistemas de produção de hidrogênio verde e para a melhoria do uso do hidrogênio em sistemas como células de combustível, graças a uma abordagem de modelagem multifísica rápida e abrangente.
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