Estudo técnico-econômico de dois sistemas de armazenamento de energia em um sistema híbrido hidrelétrico fotovoltaico

A dissertação apresenta uma análise do comportamento técnico-econômico de dois sistemas de armazenamento de energia, considerando o aproveitamento hidrelétrico e fotovoltaico como base de geração, e o método de análise da complementaridade energética entre fontes de energia. Assim, objetiva-se investigar o comportamento de maneira teórica de diferentes topologias do sistema híbrido para distintos cenários de complementaridade energética. A complementaridade é quantificada pela composição de três índices parciais, no tempo, energia e amplitude entre as curvas de disponibilidades energéticas teóricas. Os índices são quantificados entre unidade e zero para respectivamente totalmente complementar e similar. E as modelagens são realizadas no software Homer, utilizado como ferramenta de estudo. Na investigação de cenarização da complementaridade parcial no tempo. Para a topologia com apenas as baterias, os resultados revelam uma redução de custo de energia e falha de abastecimento da carga elétrica, à medida que o índice parcial de complementaridade no tempo aumenta para unidade. E a energia contida nas baterias durante o ano de análise segue essa tendência, sendo maior nos casos com rumo à complementaridade. Esse comportamento é o oposto ao constatado de aumento de necessidade de dispositivos, que cresce em direção da similaridade energética das curvas de disponibilidade, elevando o custo geral do sistema híbrido. Na topologia com hidrogênio, ocorre uma falha geral muito maior que no sistema apenas com as baterias, de 23,60% para 25,90% do cenário de complementaridade no tempo unitário para o extremo oposto. Isso ocorre por razão da baixa eficiência de ciclo de 32,85%, mas sua variação entre cenários unitário e nulo é de apenas 2,30%, enquanto no caso com baterias é de 7,20%. Dessa forma mostra-se menor redução do desempenho do hidrogênio à medida que a complementaridade no tempo diminui. No entanto, a performance geral ainda é insatisfatória, quando se analisa da perspectiva econômica e energética. Na topologia conjunta, praticamente se repetiu o resultado do sistema apenas com baterias, com adição da produção de hidrogênio do excesso de eletricidade, que seria desperdiçado pela carga resíduo (dump load). E ocorre a operação de célula a combustível nos três menores índices de complementaridade no tempo. Logo, os dois sistemas de acumulação tendem a se complementar em direção à similaridade energética do índice no tempo, o hidrogênio aumenta sua quantidade de energia estocada e as baterias reduzem nessa direção. Para os ensaios de complementaridade de energia e amplitude, foi encontrado um ponto de convergência em relação à performance do sistema híbrido. Para os índices parciais respectivos de 0,70 e 0,83, que se refere ao cenário com uma parcela de geração de 65% de energia hidroelétrica e 35% de solar fotovoltaica. Nessa proporção obteve-se menor falha de abastecimento possível com a complementaridade no tempo fixa na unidade. Na análise sazonal proposta, concluiu-se, que a operação conjunta do hidrogênio e das baterias tende a apresentar melhores soluções técnico-econômicas, com menores capacidades instaladas dos sistemas de acumulação de energia, em comparação a operação isolada de cada um. Ainda, demonstra-se uma relação complementar de capacidade instalada entre os sistemas de armazenamento de energia nos melhores casos constatados, que tem maior parcela de hidrogênio e sempre menor de baterias recarregáveis.The dissertation presents an analysis of the technical-economic behavior of two energy storage systems, considering the hydroelectric and photovoltaic as a generation base, and the energy complementarity method of analysis between energy sources. The objective of this study is to investigate the theoretical behavior of different topologies of the hybrid system for different scenarios of energy complementarity. The complementarity is quantified by the composition of three partial indexes, in time, energy and amplitude between the theoretical curves of energy availability from solar and hydraulic resources. These indexes are quantified between unit and zero for respectively full complementary and similarity. And, as study tool is used Homer software. In the investigation of partial complementarity in time, for the topology with only the batteries, the results reveal a reduction of energy cost and power supply failure, as the partial complementarity index in time increases from zero to unity. And, the energy contained in the batteries during the year of analysis follows this trend, being higher in the direction to full complementarity. This behavior is the opposite to that observed for the increase in the need for devices, which grows towards the energy similarity of the availability curves, raising the overall cost of the hybrid system. In the hydrogen topology, a much larger general fault occurs than in the battery-only system, from 23.60% to 25.90% respectively full complementarity scenario and the opposite end. This occurs due to the low cycle efficiency of 32.85%, but its variance between these uttermost scenarios is only 2.30%, while in the case with batteries it is 7.20%. This shows a smaller reduction in the performance of hydrogen as the complementarity in time decreases. However, the overall performance is still unsatisfactory when analyzed from the economic and energy perspective. In the joint topology, the result was almost a repetition of the batteries scenario, with the addition of the hydrogen production of the excess electricity, which would be wasted by the dump load, and the fuel cell operation in the three lower indexes of complementarity in time. Thus, the two energy storage systems tend to complement each other toward the energy similarity in time, hydrogen increases its amount of stored energy and the batteries reduce in this direction. For the complementary energy and amplitude index tests, a convergence point was found regarding the performance of the hybrid system. For the respective partial indices of 0.70 and 0.83, which refers to the scenario with a generation plot of 65 % of hydroelectric energy and 35% of solar photovoltaic. In this case was obtained a smaller supply failure with the full complementarity in time. In the proposed seasonal analysis, it was concluded that the joint operation of hydrogen and batteries tends to present better technical-economical solutions, with lower installed capacities of the energy storage systems, compared to the isolated operation of each device. Also, a relation of installed capacity complementary among energy storage systems is demonstrated in the best cases found, which has a higher hydrogen share and lower rechargeable batteries