Optimizacijsko vodenje pretvornika energije v vodik v povezavi s hidro elektrarno

Vodja projekta:

dr. Gregor Dolanc

Trajanje:

1.7.2019 - 30.6.2022

Financiranje:

ARRS - Agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije, L2 - 1832 (B), s sofinanciranjem Hidroelektrarne na Spodnji Savi, d.o.o.






Povzetek:

Naraščajoče energetske potrebe, zahteve po zmanjšanju emisij ogljikovega dioksida in zmanjšanju uporabe fosilnih goriv vodijo v postavitev številnih novih obnovljivih virov energije (hidro, foto-voltaične in vetrne elektrarne). Skupen problem teh tehnologij (predvsem foto-voltaika in veter) je njihova odvisnost od vremena, kar vodi v spreminjajočo se proizvodnjo električne energije, ki pogosto ne sledi dejanskim energetskim potrebam. S tem se pojavlja potreba po shranjevanju električne energije v času presežkov. Ena od obetajočih rešitev za dolgoročnejše shranjevanje večjih količin električne energije je pretvorba v vodik, ki se lahko dodaja v obstoječa plinovodna omrežja, lahko pa se skladišči in se v času povečanih potreb pretvori nazaj v električno energijo oziroma se izrabi na drug način. Sistemi, ki pretvarjajo električno energijo v vodik, so poznani pod imenom ‘’sistemi za pretvorbo električne energije v plin'', angleško ''Power to Gas Systems – P2G'' in so sestavljeni iz dveh glavnih komponent: elektrolizer in hranilnik vodika.

V projektu bomo obravnavali problematiko optimalnega vodenja posebnega primera P2G sistema, povezanega s hidroelektrarno. V času viškov električne energije se namreč od fleksibilnih virov, kamor sodijo tudi hidroelektrarne, lahko zahteva znižanje proizvodnje električne energije ali celo zaustavitev. Če hidroelektrarna zmanjša proizvodnjo elektrike, vodna akumulacija pa je polna, potem je potrebno del vodnega pretoka prelivati mimo turbin. To pomeni izgubo vodne energije in finančno izgubo. P2G sistem, dograjen hidroelektrarni, lahko del viškov hidro električne energije pretvori v vodik in tako prepreči ali zmanjša te izgube.

Cilj projekta je razviti optimalno vodenje P2G sistema, povezanega s hidroelektrarno, ki bo omogočalo čim višjo energetsko in ekonomsko učinkovitost in s tem rentabilnost investicije v P2G sistem. Zadosti visoko učinkovitost P2G sistemov lahko dosežemo le z optimalnim načinom upravljanja, to pomeni z natančno prilagoditvijo obratovanja trgu električne energije in plina, prilagoditvijo okoljskim razmeram (časovna razpoložljivost vodne energije) in z obratovanjem na način, ki zagotavlja najvišji možni izkoristek in omogoča dolgo življenjsko dobo sistema (čimbolj enakomerno obratovanje, brez številnih vklopov in izklopov).

Razvili bomo sistem za optimalno vodenje P2G, ki bo s pomočjo sprotne optimizacije iskal najbolj učinkovit obratovalni režim. Optimizacija bo temeljila na vgrajenih matematičnih modelih P2G sistema in elektrarne ter bo upoštevala vrsto informacij: trenutni nivo vodne akumulacije, trenutno stanje (tlak) akumulacije vodika, napovedani časovni profili dotoka vode v akumulacijo, cen in povpraševanja po električni energiji ter zemeljskem plinu, napovedan časovni profil pretoka vodika, ki ga lahko sprejme omrežje zemeljskega plina (omejitve omrežja), učinkovitost P2G sistema v odvisnosti od moči delovanja in tlaka v hranilniku vodika ter vrsto omejitev.

Sistem za optimalno vodenje bo določal trenutno optimalno moč P2G sistema (količino proizvedenega vodika na časovno enoto), pretok vodika v plinovodno omrežje ter opcijsko tudi pretok vodika v gorivno celico, ki pretvarja vodik nazaj v električno energijo v času primanjkljajev.

Razvoj in demonstracijo bomo izvedli v simulacijskem okolju, kjer bomo s pomočjo matematičnih modelov simulirali delovanje elektrarne, P2G sistema in trga elektrike ter zemeljskega plina. S simulacijo bomo preizkusili učinkovitost delovanja pri variaciji različnih parametrov (nazivna moč P2G sistema, volumen hranilnika vodika, največji tlak hranilnika vodika, različne omejitve plinskega in elektro omrežja, ipd.). Rezultati simulacijske študije bodo služili kot podpora pri odločanju za investicijo v P2G sistem. Sofinancer projekta (''Hidroelektrarne na Spodnji Savi'' - HESS) je prepoznal potenciale P2G tehnologije in bo ob izkazani zadostni rentabilnosti investiral v izgradnjo takega sistema po zaključku predlaganega raziskovalnega projekta.

Sodelujoči partnerji: