Design and optimization of hybrid wind-solar energy systems integrated with high-temperature electrolysis for renewable hydrogen production (2025)
- Authors:
- Autor USP: SILVA, DIEGO LUIS IZIDORO - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PME
- Subjects: ELETRÓLISE; ENERGIA EÓLICA; ENERGIA SOLAR; HIDROGÊNIO
- Language: Inglês
- Abstract: 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 sistemasfotovoltaicos, 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.
- Imprenta:
- Data da defesa: 25.02.2025
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ABNT
SILVA, Diego Luis Izidoro. Design and optimization of hybrid wind-solar energy systems integrated with high-temperature electrolysis for renewable hydrogen production. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-30042025-080715/pt-br.php. Acesso em: 10 jan. 2026. -
APA
Silva, D. L. I. (2025). Design and optimization of hybrid wind-solar energy systems integrated with high-temperature electrolysis for renewable hydrogen production (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-30042025-080715/pt-br.php -
NLM
Silva DLI. Design and optimization of hybrid wind-solar energy systems integrated with high-temperature electrolysis for renewable hydrogen production [Internet]. 2025 ;[citado 2026 jan. 10 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-30042025-080715/pt-br.php -
Vancouver
Silva DLI. Design and optimization of hybrid wind-solar energy systems integrated with high-temperature electrolysis for renewable hydrogen production [Internet]. 2025 ;[citado 2026 jan. 10 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-30042025-080715/pt-br.php
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