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Title: Sustainable evaluation of different water sources to produce reen hydrogen
Other Titles: Avaliação de diferentes fontes de água para produzir hidrogênio verde
Authors: Santana, Leonardo Oliveira Santos de
metadata.dc.contributor.advisor: Pessoa, Fernando Luiz Pellegrini
metadata.dc.contributor.referees: Francisco, Flavio da Silva
Nascimento Filho, Aloisio Santos
Keywords: Hidrogênio verde;Avaliação de fontes de água;Modelo de valor sustentável;Tomada de decisão multicritério;Sustentabilidade;Preservação ambiental
Issue Date: 7-Mar-2024
Publisher: Centro Universitário SENAI CIMATEC
Citation: SANTANA, Leonardo Oliveira Santos de. Sustainable evaluation of different water sources to produce reen hydrogen. Orientador: Fernando Luiz Pellegrini Pessoa. 2024. 120 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional e Tecnologia Industrial) – Centro Universitário SENAI CIMATEC, Salvador, 2024.
metadata.dc.description.resumo: A produção de hidrogénio a partir da eletrólise da água utilizando fontes de energia renováveis é essencial para descarbonizar a economia. Estudos mostram que a necessidade de hidrogênio seria de 2,3 Gt por ano num futuro renovável, aumentando a necessidade de água para eletrólise. Como resultado, os ecossistemas aquáticos podem ficar sob pressão significativa se não forem bem geridos. Assim, a escassez de água, tanto em qualidade como em quantidade, gera a necessidade de avaliar a adequação das fontes. Este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo para avaliar fontes de água sob as perspectivas econômica, ambiental e social para uso em eletrolisadores. A metodologia inclui a adaptação e aplicação do modelo de Valor Sustentável (SV) e o desenvolvimento de um modelo de Tomada de Decisão Multicritério (MCDM). O primeiro modelo utiliza 12 critérios com pesos diferentes para avaliar as fontes de água (águas subterrâneas, águas residuais industriais, água do mar, águas pluviais e rede hídrica) e é aplicado em 2 casos de estudo, um cluster de hidrogênio verde de 1MW e uma planta de hidrogênio de 60 MW em uma refinaria de petróleo. Os cálculos de custos consideraram todas as etapas do abastecimento de água (captação, transporte, tratamento e armazenamento). A avaliação demonstrou o baixo custo associado à água, comparado ao custo total da eletrólise (1,6%); assim, as dimensões social e ambiental devem ter um papel preponderante em comparação com a dimensão económica. Essa consideração foi aplicada no desenvolvimento do segundo modelo utiliza 14 critérios e considera o nível de escassez hídrica na região onde está implantada a planta de eletrólise, na forma do índice de explotação de água (WEI+). Este modelo foi aplicado em 3 casos de estudo, um parque industrial, uma refinaria de petróleo e clusters espalhados pelo estado da Bahia. Os resultados indicam variações na adequação das fontes de água, influenciadas por fatores como localização, custos de tratamento e considerações socioambientais. Conclui-se que uma abordagem multifacetada é essencial na seleção de fontes de água para a produção de hidrogénio verde, alinhada com os objetivos globais de sustentabilidade e transição energética. No geral, a água da chuva é a fonte mais adequada para pequena escala em locais com água disponível, e as águas residuais industriais são adequadas para escalas maiores e cenários de escassez.
Abstract: Producing hydrogen from water electrolysis using renewable energy sources is essential to decarbonize the economy. Some studies show that the need for hydrogen would be 2.3 Gt per year in a renewable future. However, if the global economy achieves this hydrogen amount, the water requirement for electrolysis would be near 1x1014 kg per year (1.8% of present global water consumption). As a result, water ecosystems can be under significant pressure if not well managed. Thus, water scarcity, both in quality and quantity, requires assessing the adequacy of the sources. Therefore, this work aims to develop a model to evaluate water sources from economic, environmental, and social perspectives for use in electrolyzers. The methodology includes adapting and applying the Sustainable Value (SV) model and developing a Multi-Criteria Decision Making (MCDM) model. Two models are discussed; the first model uses 12 criteria, with different weights, to evaluate the water sources; it is applied in 2 study cases, a 1MW green hydrogen cluster and a 60 MW hydrogen plant in a petroleum refinery. The available water sources were groundwater, industrial wastewater, seawater, rainwater, and water grid (applicable only for case 1). Cost calculations considered all steps of water supply (collection, transport, treatment (including disposal), and storage). The evaluation demonstrated the low cost associated with water compared to the total cost of electrolysis (1.6%); thus, the social and environmental dimensions must have a leading role compared to the economic dimension. This consideration, in addition to the concern with water scarcity, was applied in the development of the second model (MCDM model), which considers the level of water scarcity in the region where the electrolysis plant is implemented in the form of the water exploitation index (WEI+), in which the weights of the dimensions vary according to water availability. In addition, 2 new criteria were added to improve the model (14 criteria). This MCDM model was applied in 3 study cases in an industrial park (case 1), a petroleum refinery (case 2), and clusters across the state of Bahia (case 3). Groundwater, industrial wastewater, seawater, rainwater, water grid (applicable for cases 1 and 3), surface water, and urban wastewater (applicable only for case 3). The results indicate variations in the suitability of water sources, influenced by factors such as location, treatment costs, and socio-environmental considerations. It is concluded that a multifaceted approach is essential in selecting water sources for green hydrogen production, aligned with global sustainability and energy transition objectives. Overall, rainwater is the most suited WS for small scale in locals with water available, and industrial wastewater is suited for bigger scales and scarcity scenarios.
URI: http://repositoriosenaiba.fieb.org.br/handle/fieb/1941
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado (PPG MCTI)

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