Дослідники з Швейцарського федерального технологічного інституту ETH Zurich досліджували потенційні можливості і переваги інтеграції технології перетворення електроенергії в водень (Power to Hydrogen, PtH2) в низьковуглецеві «мультіенергетіческіе системи» (МЕС) – системи енергопостачання, в яких забезпечено скоординоване взаємодія електроенергетики, тепло- і холодопостачання , а також транспорту.
Для аналізу дослідники взяли чотири європейських району з таким самим споживанням енергії в різних кліматичних зонах (південь Іспанії, північ Франції, Чехія, Норвегія) і використовували лінійну модель оптимізації зі змішаними цілими числами, яка використовується для оцінки масштабних і багатобічних проблем. З її допомогою здійснювався підбір технологій для МЕМ, їх розміру, комбінацій, операційних режимів для задоволення потреби в електричній і тепловій енергії з установкою на мінімізацію річних витрат і викидів СО2.
Для відповіді на питання, які фактори обумовлюють включення PtH2 в оптимальну конфігурацію районної МЕМ, був проведений всебічний аналіз невизначеності, який охоплював повний набір технологічних (наприклад, вартість, ефективність, термін служби) і рамкових (економіка, політика, вуглецевий слід енергосистеми) вхідних параметрів.
«Новизна нашої роботи полягає в розробці інструменту точної і динамічної оптимізації для короткострокових і довгострокових стратегій накопичення енергії в різних детермінованих і невизначених умовах для демонстрації можливості використання PtH2. Вплив як районних умов, так і невизначеності на оптимальний дизайн системи виявляє топології МЕМ, критичні вхідні параметри і компроміси між витратами і CO2, які слід враховувати при впровадженні PtH2 в районному масштабі », – зазначають автори.
Змодельована мультіенергетіческая система являє собою енергетичний район, в якому енергія перетворюється і зберігається централізовано в одній точці, а потім розподіляється по кінцевим користувачам. Для моделювання були взяті такі технології: сонячна і вітрова енергетика, «енергія-водень» (PtH2), включаючи електролізер і паливний елемент, системи накопичення енергії (СНЕ) на основі літій-іонних акумуляторів, повітряні теплові насоси, котли на природному газі і накопичувач теплової енергії (гарячої води).
МЕМ не розглядається як енергетично автономна одиниця. Присутній підключення до магістральних газових і електричних мереж. Останні можуть бути використані не тільки для імпорту, але й експорту електроенергії.
Відзначається, що для уникнення перевиробництва енергії в порівнянні з потребами району, максимальна кількість доступної генерації ВДЕ (як для сонячних фотоелектричних систем, так і для вітроенергетики) було обмежено, щоб не перевищувати «реалістичне значення». Максимальні потужності встановлені на рівнях в 2-10 разів перевищують пікові електричні та теплові навантаження в залежності від району.
Автори показують, що «традиційні» МЕМ, що складаються з поновлюваних джерел енергії, теплових насосів і короткострокового зберігання енергії, здатні знизити викиди на 90% за допомогою звичайних, представлених на ринку технологій та без будь-якого істотного зростання витрат.
Водень, тобто технологія PtH2, розглядається як засіб «останньої милі», що дозволяє знизити викиди на решту 5-10%. Зрозуміло, технологія найбільш важлива в районах з вираженою сезонністю, де вона дозволяє компенсувати довгострокові невідповідності між виробництвом відновлюваної енергії та попитом (в зимовий період).
Якщо поставити мету нульових викидів, вона досягається за рахунок припинення імпорту електроенергії і збільшення власного споживання поновлюваних джерел і припинення використання газових котлів шляхом електрифікації теплопостачання за допомогою теплових насосів і паливних елементів. Обидва ці фактори скорочення викидів означають підвищені вимоги до ВДЕ і зберігання енергії, що зазвичай призводить до збільшення кількості використовуваних в МЕС технологій, і, таким чином, вартості системи. У той же час ненульовий, але вкрай низький рівень викидів (10 г / кВт * год) досягається за прийнятними витратами.
Аналіз показав, що найбільш важливим параметром для вибору PtH2 є коефіцієнт ефективності теплового насоса, оскільки останній є основним конкурентом водню в забезпеченні (поновлюваного) тепла взимку. Крім того, капітальні витрати на акумуляторну систему накопичення енергії і її термін служби є важливими параметрами, оскільки СНЕ конкурують з воднем в сфері зберігання електроенергії.
Таким чином, використання зеленого водню для енергозабезпечення районів можливо, але доцільно тільки як засіб згладжування піків електричних і теплових навантажень. Виконуючи роль сезонного сховища енергії, він здатний забезпечити цілорічне енергопостачання на основі ВДЕ, проте досягнення нульового рівня викидів можливо лише з «підвищеними» витратами, або за умови застосування ціни на викиди CO2.
Джерело:
https://elektrovesti.net/72640_zelenyy-vodorod-dlya-kruglogodichnogo-rayonnogo-energosnabzheniya
