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Title: Avaliação e comparação de modelos matemáticos para produção de H2 verde via eletrólise PEM
Other Titles: Evaluation and Comparison of Mathematical Models for Green H2 Production Via PEM Electrolysis
Authors: Bispo, Artur Santos
metadata.dc.contributor.advisor: Pessoa, Fernando Luiz Pellegrini
metadata.dc.contributor.referees: Gonçalves, Marcelo Albano Moret Simões
Martins, Márcio André Fernandes
Keywords: H2 Verde;Modelagem e simulação;Condutividade protônica;Eletrólise PEM;Nafion®;Preservação ambiental
Issue Date: 27-Jan-2024
Publisher: Centro Universitário SENAI CIMATEC
Citation: BISPO, Artur Santos. Avaliação e comparação de modelos matemáticos para produção de H2 verde via eletrólise PEM. Orientador: Fernando Luiz Pellegrini Pessoa. 2024. 85 f. Dissertação (Mestrado em Modelagem Computacional e Tecnologia Industrial) – Centro Universitário SENAI CIMATEC, Salvador, 2024.
metadata.dc.description.resumo: Tendo em vista a crescente demanda por hidrogênio verde no atual cenário de descarbonização, além do promissor desempenho da eletrólise PEM (Proton Exchange Membrane) quanto a aspectos como design de equipamento, densidades de corrente de operação, eficiência energética, tempo de resposta e pureza do hidrogênio, torna-se evidente a necessidade de estudos aprofundados acerca da fenomenologia, modelagem e simulação deste processo. Neste contexto, o presente trabalho tem foco na modelagem matemática do processo de eletrólise PEM para a produção de hidrogênio, com uma atenção especial à condutividade protônica e ao desenvolvimento de um software de simulação e análise. A pesquisa em questão apresenta uma revisão crítica dos modelos matemáticos existentes, evidenciando limitações e desvios significativos nos resultados devido a suposições simplificadas e considerações utilizadas pelos diferentes autores. Uma comparação mais aprofundada entre as diferentes abordagens encontradas na literatura mostrou, por exemplo, que as modelagens empíricas e semi-empírica apresentam desvios de até 8,4% e 14,3%, em termos de voltagem, relativos à fenomenologia, respectivamente. Em resposta a isso - com foco na condutividade do próton - é realizado um ajuste a um modelo semi-empírico amplamente utilizado na literatura e, além disso, é desenvolvido um novo modelo pseudo-empírico baseado em dados pseudo experimentais obtidos a partir de um modelo fenomenológico, visando um equilíbrio mais eficaz entre simplicidade e precisão. Ambos os modelos desenvolvidos apresentaram erros abaixo de 4% e 𝑅 2 > 0,99 em temperatura ambiente (298,15 K), entretanto, mostraram desempenhos diferentes em temperaturas típicas de operação em eletrolisadores PEM (333,15 K - 353,15 K), o que evidencia a necessidade de análises experimentais mais aprofundadas quanto a condutividade em altas temperaturas relativas. Ademais, foi desenvolvido um software em Visual Basic for Applications (VBA) que incorpora a modelagem apresentada e revisada no trabalho. Este software permite simulações e análises detalhadas acerca das perdas referentes aos diversos fenômenos presentes no processo, oferecendo insights valiosos para otimizar o processo de produção de hidrogênio. Em conclusão, por meio do presente trabalho, foi possível o desenvolvimento da modelagem matemática e de um simulador para o processo de produção de H2 Verde via eletrólise PEM, oferecendo novos caminhos para a otimização de tais sistemas e para o estudo do uso de membranas poliméricas como eletrólitos. Desse modo, os resultados auxiliam não somente no avanço do entendimento teórico do processo de eletrólise PEM, mas também fornecem ferramentas práticas para pesquisa e desenvolvimento no setor.
Abstract: Considering the growing demand for green hydrogen in the current decarbonization scenario, coupled with the promising performance of PEM (Proton Exchange Membrane) electrolysis in aspects such as design, operating current densities, efficiency, response time, and hydrogen purity, the need for in-depth studies on the phenomenology, modeling, and simulation of this process becomes evident. In this context, this work focuses on the mathematical modeling of the PEM electrolysis process for hydrogen production, with special attention to proton conductivity and the development of simulation and analysis software. The research presents a critical review of existing mathematical models, highlighting limitations and significant deviations in results due to simplified assumptions and considerations used by different authors. A more in-depth comparison between the different approaches found in the literature showed, for example, that empirical and semi-empirical modeling have deviations of up to 8.4% and 14.3%, in terms of voltage, relative to phenomenology, respectively. In response to this - and with a focus on the proton conductivity phenomenon - an adjustment to a widely used semi-empirical model in the literature is made, and furthermore, a new pseudo-empirical model based on pseudo-experimental data obtained from a phenomenological model is developed, aiming for a more effective balance between simplicity and accuracy. Both developed models showed errors below 4% and R2>0.99 at room temperature (298.15 K), however, they exhibited different performances at typical operating temperatures in PEM electrolyzers (333.15 K - 353.15 K), highlighting the need for more in-depth experimental analysis regarding conductivity at relative high temperatures. Furthermore, a software was developed in Visual Basic for Applications (VBA) incorporating all the modeling presented and reviewed in the work. This software enables simulations and detailed analyses regarding losses related to various phenomena present in the process, providing valuable insights for optimizing the hydrogen production process. In conclusion, through this work, it was possible to develop mathematical modeling and a simulator for the Green H2 production process via PEM electrolysis, offering new paths for optimizing such systems and for studying the use of polymeric membranes as electrolytes. Thus, the results not only assist in advancing the theoretical understanding of the PEM electrolysis process but also provide practical tools for research and development in the sector.
URI: http://repositoriosenaiba.fieb.org.br/handle/fieb/1942
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