Optimal design of a hybrid photovoltaic and fuel cell power generation system, to supply isolated communities in the Brazilian Amazon

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2010.A falta de eletricidade nas comunidades isoladas da região da Amazônia brasileira torna-se uma das grandes barreiras para o desenvolvimento da região. Atualmente, as principais tecnologias para suprimento energético dessas comunidades são os grupos motoresgeradores (GMGs) a dísel, as baterias e as pilhas. Estas fontes não-renováveis, além de causarem sérios problemas para o meio ambiente e para a saúde pessoal, possuem elevado custo de manutenção e operação. Assim, a busca por soluções que priorizem o uso de tecnologias para suprimento de energia utilizando os recursos naturais como a água e o sol, de grande abundância na Região Amazônica, tornam-se um grande desafio. Esta tese apresenta um estudo para a aplicação de tecnologias de geração solar fotovoltaica (FV) e de células a combustível (CaCs) para suprimento de energia elétrica de forma ininterrupta. O estudo pauta-se em características técnica e de custo de um projeto-piloto instalado em uma área de proteção ambiental, localizado próximo à Ilha do Bananal, no sudoeste do estado do Tocantins, no Brasil. O projeto-piloto utiliza a energia solar FV como fonte primária de energia para produção de eletricidade. A energia excedente é armazenada na forma de hidrogênio produzido por eletrólise da água encontrada localmente e re-convertida em eletricidade por meio de uma CaC nos períodos de baixa ou ausência da radiação solar. Nessa perspectiva, esta tese visa propor o dimensionamento de sistemas híbridos de geração distribuída (SHGDs) constituídos por tecnologias de geração FV e CaC, de forma a otimizar o custo de implantação. Para a simulação e otimização do sistema foi utilizado a ferramenta computacional Hibrid Optimization Model for Electric Renewable (HOMER®) produzido pela National Renewable Energy Laboratory (NREL). Simulações e estudos comparativos são apresentados para diferentes tecnologias e configurações possíveis para atendimento às comunidades isoladas da Amazônia. Os resultados apontam para solução ótima do SHGD FV-CaC-Baterias com redução no custo inicial do projeto em cerca de 60% em relação ao sistema dimensionado apenas. Os custos dos módulos FVs apresentaram-se como maior parcela do SHGD avaliado, registrando valores até 50% do VPL do projeto. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe lack of electricity in isolated communities in the Brazilian Amazon has become one of the greatest barriers for the development of the region. Currently, the main technologies that provide electricity to these communities are diesel generators, batteries and dry cells. These non-renewable energy sources may pose serious problems to the environment and human health and have high maintenance and operational costs. Therefore, the search for renewable energy sources, such as water and sunlight, which are highly abundant in the region, has become a great challenge. This thesis presents the studies on application of solar photovoltaic (PV) and fuel cell (FC) technologies to supply electric power in an uninterrupted manner. Outlined are the technical and cost issues of a pilot project set up in an environmentally protected area, next to Bananal island, located in the Southwestern region of the state of Tocantins. The pilot project relies on PV solar power as the primary source of energy for the production of electricity. The surplus energy is stored in the form of hydrogen produced by electrolysis of the water supplied locally, which is reconverted into electric power by fuel cells during periods when there is little or no sunlight. In this context, the aim of the study was to propose a sizing of a hybrid distributed generation system (HDGS), comprised of a PV system, FC and batteries, that optimizes implementation and operational costs, as a potential source of energy for isolated communities in the Amazon. The work was carried out with the help of simulation software HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables) developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL). Simulations and a comparative study were carried out of the technologies and potential configurations that meet the needs of these isolated communities. The results showed an optimal solution of HGDS PV-FCbatteries with a reduction in the initial cost of the project in about 60% compared to the sizing system only. The HOMER simulated results also indicated that more than 50% of the costs of the PV–FC–battery HDGS regarded the PV system