[pt] MODELAGEM, SIMULAÇÃO E ANÁLISE TECNICO-ECONÔMICA PRELIMINAR DE UMA CÉLULA A COMBUSTÍVEL DE ÓXIDO SÓLIDO ALIMENTADA POR HIDROGÊNIO VERDE

[en] MODELING, SIMULATION, AND PRELIMINARY TECHNO-ECONOMIC ANALYSIS OF A SOLID OXIDE FUEL CELL POWERED BY GREEN HYDROGEN

[pt] PEDRO CHATACK DIAS

[pt] ANALISE ECONOMICA

[pt] SIMULACAO DE PROCESSOS

[pt] ELETROLISE ALCALINA NA AGUA

[pt] CELULA A COMBUSTIVEL DE OXIDO SOLIDO

[pt] ASPEN PLUS

[pt] HIDROGENIO VERDE

[en] ECONOMIC ANALYSIS

[en] PROCESS SIMULATION

[en] ALKALINE WATER ALECTROLYSIS

[en] SOLID OXID FUEL CELL

[en] ASPEN PLUS

[en] GREEN HYDROGEN

[pt] O aumento contínuo da demanda energética global, impulsionado pelo crescimento populacional, industrialização e melhoria do padrão de vida, tem acentuado os impactos ambientais associados à geração de energia. Nesse contexto, tecnologias limpas e eficientes, como as células a combustível (CaC), ganham destaque. Este trabalho visou o desenvolvimento de modelagem e simulação de uma planta de geração e armazenamento de energia baseada em uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC) alimentada por hidrogênio verde, produzido via eletrólise alcalina da água (AWE). As simulações foram realizadas nos softwares Aspen Plus e Microsoft Excel, com validação por meio da comparação com dados da literatura. Foram projetadas e avaliadas uma planta piloto, que teve como base a Planta de Hidrogênio Verde da Eletrobrás localizada na UHE de Itumbiara (Goiás), e uma hipotética planta industrial. Em ambas as plantas, foi considerada a operação da AWE a 75 graus C e 30 bar e da SOFC a 750 graus C e 1 bar. Na planta piloto, observou-se uma eficiência elétrica de 39,6 por cento e térmica de 45,4 por cento, com geração de 3,6 kWh a partir de 15,13 kWh de energia na eletrólise e alimentação de 2,61 L/h de água. Na planta industrial, para geração de 3,6 MWh, são requeridos 55,2 MWh e 9,53 m cúbicos/h de água. A análise econômica preliminar foi conduzida apenas para a planta industrial e em um horizonte de 20 anos, ela apontou um CAPEX de 302,7 milhões de reais, OPEX de R$ 8,49 milhões/ano e receitas anuais de 23,3 milhões de reais. A análise de rentabilidade da planta industrial indicou um investimento promissor, com VPL de 108,2 milhões de reais, ROI de 11,70 por cento e LCOE inferior ao custo da rede elétrica (0,60 centavos/kWh). No entanto, o longo Payback (16 anos e 3 meses) e a TIR de apenas 3 por cento apontam que o projeto ainda pode ser otimizado, já que o retorno atual é inferior ao custo de oportunidade do capital.

[en] The continuous increase in global energy demand, driven by population growth, industrialization, and improved living standards, has intensified the environmental impacts associated with energy generation. In this context, clean and efficient technologies, such as fuel cells (FC), have gained prominence. This work aimed to develop the modeling and simulation of an energy generation and storage plant based on a solid oxide fuel cell (SOFC) powered by green hydrogen, produced via alkaline water electrolysis (AWE). The simulations were performed using Aspen Plus and Microsoft Excel, with validation through comparison with data from the literature. A pilot plant, based on Eletrobrás’s Green Hydrogen Plant located at the Itumbiara Hydropower Plant (Goiás, Brazil), and a hypothetical industrial-scale plant were designed and evaluated. In both cases, the AWE was considered to operate at 75 degrees C and 30 bar, while the SOFC operated at 750 degrees C and 1 bar. In the pilot plant, an electrical efficiency of 39.6 percent and a thermal efficiency of 45.4 percent were observed, with a net electricity generation of 3.6 kWh from 15.13 kWh of electrolysis input energy and a water feed of 2.61 L/h. In the industrial plant, to generate 3.6 MWh, 55.2 MWh and 9.53 m cubic/h of water were required. The preliminary economic analysis was conducted only for the industrial-scale plant, considering a 20-year horizon. The results indicated a CAPEX of 302.7 millions of reais, OPEX of 8.49 millions of reais/year, and annual revenues of 23.3 millions of reais. The profitability analysis showed a promising investment, with an NPV of 108.2 millions of reais, ROI of 11.70 percent, and an LCOE lower than the grid electricity cost (0.60 cents/kWh). However, the long payback period (16 years and 3 months) and the IRR of only 3 percent suggest that the project still requires optimization, since the current return is lower than the capital opportunity cost.

BRUNNO FERREIRA DOS SANTOS

ROBERTO BENTES DE CARVALHO

ROBERTO BENTES DE CARVALHO

BRUNNO FERREIRA DOS SANTOS

JORGE ANTONIO AVENDANO BENAVIDES

HUGO VALENCA DE ARAUJO

2026-03-10

2025-09-26

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PORTUGUÊS

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.75602