Desenvolvimento de modelo matemático de dimensionamento de postos de abastecimento de hidrogénio para veículos

Abstract

Ao longo dos últimos anos o mundo tem assistido a um aumento considerável do número de veículos em circulação e a pegada ecológica que a sua utilização acarreta é cada vez mais preocupante. O desenvolvimento de veículos híbridos, gás natural, o aparecimento de veículos 100% movidos a eletricidade são as mais recentes inovações no campo da mobilidade, promovendo a utilização de uma energia limpa. Perante este cenário surge uma nova alternativa de combustível – o hidrogénio, altamente eficiente e com um elevado potencial energético, produzido de forma limpa e sustentável, diminuindo a poluição associada ao seu consumo nos veículos. Em colaboração com o Grupo Petrotec surge o objetivo de modelar um posto de abastecimento de hidrogénio para veículos ligeiros e pesados. O modelo tem em conta as caraterísticas físicas do combustível de forma a dimensionar o posto previamente à sua construção. Adicionalmente, foi desenvolvida uma análise de custos com base no conceito de CAPEX e para a determinação do custo de armazenamento do hidrogénio. Para o desenvolvimento deste modelo foi utilizado um caso de estudo real ao qual a empresa se propôs a desenvolver a melhor solução com o objetivo de realizar a instalação de um posto de abastecimento e este estar otimizado para ser o mais eficiente possível física e financeiramente. O resultado deste trabalho consiste na determinação dos valores das variáveis físicas que afetam o abastecimento. O modelo permitiu a simulação de abastecimentos, com base na definição dos valores da cascata de pressões e no volume de armazenamento. Dentro dos resultados foram obtidos dois cenários: inicialmente foi obtido um cenário ideal com a minimização do valor da nossa função objetivo – o volume total de armazenamento. Neste cenário todos as restrições funcionais estão validadas e os abastecimentos concretizados. Após este cenário ideal foram fixados os valores de volume para valores normalizados e foi determinado um cenário real em que nem todas as restrições funcionais foram validadas e, portanto, nem todos os abastecimentos puderam ser realizados na totalidade.

Over the last few years, the world has witnessed a considerable increase in the number of vehicles in circulation and the ecological footprint is increasingly worrying. The development of hybrid vehicles, the appearance of vehicles 100% powered by electricity and also the creation of vehicles powered by natural gas are the latest innovations in the field of mobility, promoting the use of clean energy. Given this scenario, a new alternative fuel emerges - hydrogen, highly efficient and with a high energy potential, produced in a clean and sustainable way, reducing the pollution associated with its consumption in vehicles, as intended. In collaboration with the Petrotec Group, in Guimarães, the objective is to model a hydrogen filling station for light and heavy vehicles. The model takes into account the physical characteristics of the fuel in order to dimension the station prior to its construction. Additionally, a cost analysis based on the CAPEX concept was developed to determine the cost of hydrogen storage. For the development of this model, a real case study was used in which the company proposed to develop the best solution with the objective of carrying out the installation of a filling station and this being optimized to be as efficient as possible physically and financially. The result of this work consists in the determination of the values of the physical variables that affect the supply. The model allowed the simulation of supplies, based on the definition of the pressure cascade values and the storage volume. Within the final results, two scenarios were obtained: initially an ideal scenario was obtained with the minimization of the value of our objective function – the volume. In this scenario all functional constraints are validated and supplies are realized. After this ideal scenario, the volume values were set for normalized values and a real scenario was determined in which not all functional restrictions were validated and, therefore, not all supplies could be fully performed.