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| O hidrogênio emite apenas vapor d’água quando usado como combustível e é o elemento mais abundante do Universo (imagem: Freepik versão) |
Ferramenta matemática visa minimizar gastos totais de capital e operacionais e, ao mesmo tempo, garantir a robustez do desempenho diante de instabilidades no fornecimento de energia renovável, uma vez que sol e vento são fontes intermitentes
O hidrogênio é o elemento mais
abundante do Universo e pode ser utilizado como combustível limpo, emitindo
apenas vapor d’água quando consumido em células a combustível ou turbinas. No
entanto, ele não se encontra de forma isolada na natureza, sendo necessário
extraí-lo de compostos como a água (H₂O) ou o gás natural (CH₄).
O chamado “hidrogênio verde” é
aquele produzido por meio da eletrólise da água, um processo que separa o
hidrogênio do oxigênio utilizando eletricidade proveniente exclusivamente de
fontes renováveis, como solar ou eólica. Dessa forma, o ciclo completo, da
produção ao uso, do hidrogênio não gera emissões de carbono – ao contrário do
“hidrogênio cinza” ou “azul”, derivados de fontes fósseis. Por essa razão, o
hidrogênio verde é visto como uma peça-chave para a descarbonização de setores
industriais de difícil eletrificação, como siderurgia, transporte pesado e
produção de fertilizantes.
No entanto, a variabilidade das
fontes de energia renovável (FER) impõe desafios ao planejamento e à operação
de plantas de hidrogênio verde. Para enfrentar esses desafios, um estudo propõe
novo modelo com vista a minimizar gastos totais de capital e operacionais e, ao
mesmo tempo, garantir a robustez do desempenho diante da incerteza no
fornecimento de energia renovável.
Artigo a respeito, tendo como
primeiro autor Luis Oroya, pesquisador do Departamento de Sistemas e
Energia da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade
Estadual de Campinas (FEEC-Unicamp),
foi publicado na revista International Journal of
Hydrogen Energy.
“O novo modelo, chamado de X
DRO, sigla para Extreme Distributionally Robust Optimization, foi
concebido para lidar com as incertezas extremas que afetam a geração de energia
renovável, como variações abruptas de clima, demanda elétrica e disponibilidade
de insumos. Em vez de trabalhar apenas com cenários médios ou extremos
isolados, como fazem os métodos convencionais, o X DRO considera distribuições
ambíguas de probabilidade e busca soluções robustas mesmo diante dos piores
cenários possíveis”, diz Oroya. “O objetivo é garantir a continuidade da
operação e a viabilidade econômica de sistemas complexos, nos quais a produção
de hidrogênio verde esteja integrada não apenas a fontes fotovoltaicas e
eólicas, mas também à rede convencional de energia elétrica.”
A metodologia inclui a seleção
de cenários representativos e extremos para entrada no modelo, de modo a
refletir a variabilidade das FER. O modelo opera em duas etapas.
“Na primeira etapa, são
consideradas decisões de planejamento, incluindo o dimensionamento de unidades
fotovoltaicas e eólicas, sistemas de armazenamento de energia em baterias,
eletrolisadores e tanques de armazenamento de hidrogênio. A segunda etapa trata
das decisões operacionais, relacionadas à troca de energia com a rede elétrica,
à produção e ao armazenamento do hidrogênio e às probabilidades de pior cenário
de geração das FER. Esse tipo de abordagem é crucial para o dimensionamento
realista de plantas energéticas híbridas, especialmente quando se busca
combinar múltiplas fontes renováveis”, detalha o pesquisador.
Para tornar essa abordagem
computacionalmente viável, os autores reformularam o problema original em
termos de “programação linear inteira mista” (MILP, na sigla em inglês) e
utilizaram um algoritmo que permite decompor o problema em subproblemas mais
simples e resolver cada um iterativamente (por repetição, ajuste e refinamento
contínuo).
A MILP é uma técnica usada para
maximizar ou minimizar uma função linear (por exemplo, tempo, custo etc.)
sujeita a um conjunto de restrições lineares (disponibilidade de recursos,
capacidade de produção etc.). É “inteira” porque algumas variáveis só podem
assumir valores inteiros (número de equipamentos, número de turnos etc.). E
“mista” porque outras variáveis podem assumir qualquer valor real dentro de um
intervalo (quantidade de energia gerada, lucro etc.).
“Nos testes realizados, o modelo X DRO demonstrou ser capaz de encontrar soluções mais econômicas e confiáveis do que os métodos tradicionais. Além disso, mostrou uma capacidade superior de adaptação a flutuações rápidas e severas nas condições operacionais, característica fundamental para sistemas baseados em fontes intermitentes como o sol e o vento”, detalha Oroya.
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| Esquema de produção de hidrogênio verd (imagem: Luis Oroya/FFEC-Unicamp) |
Outro diferencial da proposta é
o tratamento unificado das múltiplas redes de energia envolvidas. A pesquisa
adotou uma modelagem integrada dos vários sistemas, permitindo que fluxos
energéticos sejam redistribuídos de forma flexível conforme as necessidades e
as oportunidades de economia.
Energia
para comunidades isoladas
Sobre o uso do hidrogênio
verde, além de seu emprego como combustível veicular, em células a combustível,
ou como combustível para uso industrial, em turbinas, Oroya aponta outra
possibilidade: fonte de energia elétrica para comunidades isoladas, como as
existentes em várias localidades da Amazônia. “Muitas dessas comunidades, que
não têm acesso à rede elétrica, poderão se beneficiar de sua capacidade de
armazenar grandes quantidades de energia renovável por longos períodos,
permitindo iluminação e operação de equipamentos mesmo em períodos prolongados
de baixa geração solar”, afirma.
Quanto à possibilidade de
colocar imediatamente em prática o modelo X DRO, o engenheiro dá um exemplo:
“Temos na Universidade Estadual de Campinas um eletroposto e um ônibus elétrico
em operação. No futuro próximo, poderemos contar com uma planta para produção
de hidrogênio verde integrada a uma estação de abastecimento, viabilizando a
operação de um ônibus movido por célula a combustível. Seria uma unidade-piloto
com aplicação bem definida. O modelo permitiria planejar essa solução
alternativa e comparar seus prós e contras em relação à solução elétrica já
existente”.
Oroya é, atualmente, doutorando
na FEEC. O estudo faz parte de seu projeto de pesquisa “Planejamento e operação de sistemas de produção de hidrogênio verde: uma
abordagem robusta”, apoiado pela FAPESP.
“O desenvolvimento do modelo X
DRO representa um avanço metodológico importante para o planejamento energético
sob incertezas, pois alia rigor matemático com aplicabilidade prática em
sistemas sustentáveis e complexos, como os de produção de hidrogênio verde”,
diz seu orientador de doutorado, o professor Marcos Julio Rider Flores.
O artigo Distributionally
robust optimization for green hydrogen plant planning considering extreme
scenarios pode ser lido em: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319925016404.
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/modelo-computacional-aprimora-o-planejamento-de-usinas-de-hidrogenio-verde/55548
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