[pt] A crescente demanda global por energia e a finitude dos recursos fósseis despertaram grande interesse pelo uso de energias renováveis e tecnologias menos poluentes. Neste contexto, este trabalho introduz uma simulação numérica de um sistema híbrido on-grid de uma unidade combinada de calor e potência (CHP) para microaplicações residenciais e industriais. O sistema é composto por uma célula a combustível tipo membrana polimérica (PEMFC) de 5 kW acoplada a um reformador de gás natural, painéis fotovoltaicos (245 W) e baterias (100 Ah cada) conectados à rede elétrica através de um inversor híbrido bidirecional. Uma análise energética foi desenvolvida para validar a rotina computacional e determinar a vazão de gás natural. Em seguida, foi realizada uma análise econômica baseada na evolução do fluxo de caixa dos usuários e no custo cumulativo total do sistema no horizonte de 2020 a 2040, de forma a investigar a influência das taxas de incremento das tarifas de energia elétrica e gás natural, diferentes configurações do sistema, do número de consumidores e do fator de aproveitamento de créditos na rede. Diferentes tipos de tarifa (convencional e branca) e a possibilidade de cogeração com o rejeito térmico da PEMFC também foram avaliados. Ao final, uma análise ambiental foi desenvolvida para avaliar a contribuição para o potencial de aquecimento global do micro-CHP. Paybacks entre 6 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020. Adicionalmente, fortes reduções no custo cumulativo total foram obtidas levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. Finalmente, emissões equivalentes até 30 porcento inferiores às da eletricidade da matriz energética nacional e do fornecimento de calor por queima de gás natural foram calculadas com uso da cogeração no atendimento da demanda térmica dos usuários. / [en] The growing global energy demand and fossil resources depletion have triggered great interest in the use of renewable energy and low emission technologies. In this context, this work introduces a numerical simulation of an on-grid hybrid system of a combined heat and power unit (CHP) for residential and industrial micro-applications. The system consists of a 5 kW proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) coupled to a natural gas reformer, photovoltaic panels (245 W) and batteries (100 Ah each) connected to the grid through a bidirectional inverter. An energy analysis was carried out to validate the computational routine and assess the natural gas flow and the thermal and electrical efficiencies of the CHP unit. Afterwards, an economic analysis was developed to determine the consumers cash flow progression and the total cumulative cost of the system in an 2020-2040 horizon in order to investigate the influence of increasing natural gas and electricity tariffs, different system configurations, the number of consumers and the reverse metering factor from the grid. Different types of tariffs (conventional and alternative) and the possibility of cogeneration with the thermal rejection from the PEMFC were also evaluated. At last, an environmental analysis was developed to assess the contribution to the global warming potential of the micro-CHP. Paybacks between 6 and 20 years of system s operation were achieved for different combinations of the studied parameters considering beginning of operation in 2020. Additionally, great reductions in the total cumulative cost were obtained considering the predicted decrease in system s components acquisition costs for the next decades. Finally, reductions in CO2 emissions of up to 30 percent compared to those of the electricity from the Brazilian energy matrix and heat supply from burning natural gas were obtained when cogeneration from CHP unit was accounted to meet the consumers thermal demand.

[pt] A crescente demanda energética verificada ao redor do mundo e a conscientização pública acerca dos efeitos deletérios do excesso de gases estufa na atmosfera vem colaborando para a articulação de compromissos de grande alcance em nome da adaptação das matrizes energéticas a formas ambiental e economicamente sustentáveis. A adesão à energias renováveis (como solar e eólica) e a descentralização da matriz energética por meio de tecnologias de geração distribuída (visando a melhoria da eficiência do uso da energia) são alguns dos movimentos mais relevantes realizados para fazer frente a essas demandas. Neste ínterim, o presente trabalho é dedicado à simulação numérica mediante o conceito 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) de um sistema híbrido CHP (Combined Heat and Power) on-grid para atendimento de pequenas demandas residenciais ou industriais, tendo gás natural e energia solar como vetores energéticos preferenciais. O sistema inclui um reformador de gás natural para produção de gás de síntese rico em hidrogênio, uma célula a combustível com membrana de troca de prótons (PEM), painéis fotovoltaicos, baterias conectadas à rede elétrica por um inversor bidirecional, trocadores de calor e componentes auxiliares como compressores e boilers. Os componentes do sistema foram modelados separadamente com base em equações de conservação e seus modelos devidamente validados. Uma análise energética e exergética do reformador de gás natural foi conduzida mediante a metodologia de planejamento de experimentos a fim de avaliar a necessidade de considerar uma formulação complexa do combustível em vez de um substituto (metano puro). Posteriormente, estes modelos foram inseridos como módulos de uma rotina mais ampla destinada a simular o desempenho econômico do sistema integrado num intervalo de tempo de até 20 anos. Tal rotina, implementada no MATLAB, permite a flexibilização de critérios operacionais importantes como número de consumidores, configuração do sistema híbrido (armazenamento e participação de painéis fotovoltaicos), diferentes tipos de tarifa (convencional ou branca) e o possível uso de rejeito térmico para cogeração, enriquecendo o escopo de resultados obtidos. Paybacks entre 7 e 20 anos de operação do sistema foram alcançados para diferentes combinações dos parâmetros examinados considerando-se a adesão no ano de 2020, onde consumidores residenciais obtiveram resultados predominantemente melhores do que os industriais em virtude da demanda menos exigente dos primeiros. Foram também previstas reduções de até 50% no custo cumulativo total para consumidores residenciais referente a adesão ao sistema proposto por 20 anos, levando-se em conta a queda prevista nos custos de aquisição dos componentes para as próximas décadas. A avaliação do sistema em termos ambientais foi feita através da quantidade equivalente de CO2 por unidade de energia. Concluiu-se que a configuração completa, mesmo auxiliada por cogeração, supera a média de emissões da matriz energética brasileira (devido à alta participação das fontes renováveis nessa matriz), permanecendo, ainda assim, como uma opção melhor do que a combustão pura do gás natural, especialmente no que diz respeito ao atendimento de demanda térmica. / [en] The growing energy demand verified around the world and public awareness about the harmful effects of greenhouse gases excess in the atmosphere have been contributing to the articulation of far-reaching commitments in the name of adapt energy matrices to environmentally and economically sustainable ways. The adherence to renewable energy (such as solar and eolic) and descentralization of energy matrix through distributed generation technologies (aiming at the improvment of efficiency of energy use) are some of the more relevant movements done in order to deal with these demands. In the meantime, the present work is dedicated to numerical simulation using the 4E (Energy, Exergy, Environmental and Economic) concept of an on-grid hybrid CHP system to meet small residential or industrial demands, using natural gas and solar energy as preferred energy vectors. The system includes a natural gas reformer for the production of hydrogen-rich synthesis gas, a proton exchange membrane fuel cell (PEM), photovoltaic panels, batteries connected to the grid by a bidirectional inverter, heat exchanger and auxiliary componentes, such as compressors and boilers. The system components were modeled separately based on conservation equations and their models duly validated. An energy and exergy analysis of the natural gas reformer was conducted using design of experiment methodology in order to assess the necessity to consider a complex formulation of the fuel instead of a surrogate (pure methane). Subsequently, these models were inserted as modules of a broader routine designed to simulate the economic performance of the integrated system in a time interval of up to 20 years. This routine implemented in MATLAB allows for the flexibility of important operational criteria such as the number of consumers, configuration of the hybrid system (storage and participation of solar energy), different types of tariff (conventional or white) and the posible use of reject heat for cogeneration, enriching the scope of the results obtained. Paybacks between 7 and 20 years of system operation were achieved for different combinations of the examined parameters considering adherence in the year 2020, where residential consumers have predominantly obtained better results than industrial ones due to the less intense demand of the first ones. Reductions of up to 50% in the total cumulative cost related to adherence to the proposed system for 20 years for residential users were also foreseen, taking into account the expected drop in component acquisition costs over the next few decades. The evaluation of the system in environmental terms was assessed through equivalent amount of CO2 by energy unit. It was concluded that the complete configuration, even supported by cogeneration, exceeds the average of the brazilian energy matrix emissions (due to the high share of renewable sources in this matrix), nevertheless remaining as a better option than pure combustion of natural gas, specially for meeting thermal demand.

[pt] Neste trabalho, busca-se atender a demanda energética de grandes clientes através de um sistema híbrido de energias renováveis (HSRE, em inglês), com o mínimo custo e diminuindo as emissões de poluentes. O sistema é construído a partir do uso de células fotovoltaicas, células a combustível e chillers elétricos. Quatro tipos de célula a combustível são testadas e avaliadas quanto a viabilidade: PAFC (ácido fosfórico), SOFC (sólido óxido), MCFC (carbonato fundido) e PEMFC (membrana trocadora de prótons). Para o caso da última, geradores de hidrogênio são simulados para suprir a demanda. Os resultados são comparados com o caso base, de toda a demanda sendo atendida pela concessionária de energia elétrica local. Varia-se o custo de aquisição e instalação dos equipamentos, o custo de aquisição de gás natural e o custo da energia elétrica, além da variação da demanda e de simular o cliente em diferentes cidades. A demanda hipotética é calculada a partir de valores de iluminâncias segundo normas técnicas para cada sala de um laboratório em construção em Xerém, no Rio de Janeiro. A simulação indica como resultado a viabilidade econômica de abastecimento pelo sistema híbrido, com geradores do tipo PAFC, SOFC e MCFC. A alta demanda de hidrogênio, juntamente com o custo atual para geração do mesmo inviabiliza o retorno com uso de células PEMFC. / [en] In this work, we seek to meet the energy demand of large customers through a hybrid system of renewable energy (HRSE), with minimal cost and reducing emissions. The system is built from the use of photovoltaic cells, fuel cells and electric chillers. 4 fuel cell types are tested and evaluated for viability: PAFC (phosphoric acid) SOFC (solid oxide), MCFC (molten carbonate) and PEMFC (proton exchange membrane). In the case of the latter, hydrogen generators are simulated to meet demand. The results are compared with the base case, that includes all the demand being met by the local power company. The cost of purchase and installation of equipment, the cost of acquisition of natural gas and the cost of electricity, as well as the demand variation and simulate the client in different cities are analyzed under different values. The hypothetical demand is calculated from illuminance values according to technical standards for each room of a laboratory under construction in Xerém, in Rio de Janeiro. The simulation result shows the economic viability supply the hybrid system The high demand for hydrogen with the current cost for generating the same prevents the payback form PEMFC fuel cells.