Projekti / Programi
Optimizacijsko vodenje pretvornika energije v vodik v povezavi s hidro elektrarno
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.06.01 |
Tehnika |
Sistemi in kibernetika |
Tehnologija vodenja sistemov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T125 |
Tehnološke vede |
Avtomatizacija, robotika, nadzorno inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
Optimalno vodenje sistemov za pretvorbo električne energije v plin
Obnovljivi viri električne energije
Shranjevanje viškov električne energije
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
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.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani projekt obravnava problematiko optimizacije delovanja hidroelektrarne s pomočjo sistema za pretvorbo električne energije v plin (P2G). Izgube energije zaradi prelivanja vode mimo turbin v času viškov električne energije v omrežju je možno zmanjšati z dograditvijo P2G sistema, ki viške energije s pomočjo elektrolize pretvori v vodik. Da bi dosegli čim višje energetske in ekonomske učinke in s tem zadostno rentabilnost investicije, je potrebno dograjeni P2G sistem optimalno upravljati ter pri tem upoštevati napovedi trga električne energije in plina, napovedi dotoka vode v hidroelektrarno ter vrsto drugih pogojev in omejitev. Predlagani projekt torej kombinira dve raziskovalni in inženirski področji: 1. tehnologije vodenja ter optimizacije procesov in 2. problematiko shranjevanja energije in balansiranja elektro omrežja. V literaturi je obravnavana problematika optimizacije P2G sistemov, vezanih na vetrne ter fotovoltaične elektrarne, primeri, vezani na hidroelektrarne, pa so redki ##. Projekt bo odprl novo specialno multidisciplinarno raziskovalno in razvojno smer, ki bo proučila potenciale uporabe in optimizacije P2G sistema vezanega na hidroelektrarno in razvila metodologijo za optimizacijo. Gre za izjemno aktualne raziskave, ki neposredno vplivajo na ekologijo in energetiko in bodo imele vpliv na razvoj bodočih fleksibilnih omrežij. Razvoj in študijo bomo izvajali v simulacijskem okolju, ki ga bomo v projektu razvili. Simulacijsko okolje bo tako predstavljalo poligon za razvoj in primerjavo različnih optimizacijskih pristopov in bo uporabno tudi izven predlaganega projekta. Omogočilo bo vključitev drugih raziskovalcev, znanstveno sodelovanje in preizkus drugih pristopov optimizacije. Sofinancer projekta družba Hidroelektrarne na Spodnji Savi (HESS) bo priskrbela vse potrebne podatke glede obratovanja hidroelektrarne in trga električne energije, kar bo omogočilo, da bo projekt izveden na osnovi pravih informacij. Izvedba projekta bo predstavljala referenco, na osnovi katere se bodo slovenski raziskovalni partnerji lažje vključevali v mednarodne raziskovalne konzorcije in projekte, na primer v projekte, ki jih razpisuje FCH-JU (Horizon 2020, Fuel cell and hydrogen joint undertaking).
Pomen za razvoj Slovenije
Slovenija proizvede nad 25% električne energije iz obnovljivih virov, kjer nad 70% energije prihaja iz hidroelektrarn. Neposredna motivacija za predlagane aplikativne raziskave prihaja iz družbe ''Hidroelektrarne na Spodnji Savi'' (HESS), ki se sooča z izgubami energije zaradi prelivanja vode mimo turbin v času viškov električne energije. Družba HESS je prepoznala potenciale P2G tehnologije za zmanjšanje energetskih izgub in bo investirala v izgradnjo P2G sistema, če bo predlagani projekt pokazal, da je mogoče doseči zadostno rentabilnost investicije. Za dosego zadostne rentabilnosti je med drugim potrebno doseči čim višjo energetsko in ekonomsko učinkovitost sistema, za kar je potrebno P2G sistem optimalno upravljati ter pri tem upoštevati napovedi trga električne energije in plina, napovedi dotoka vode v hidroelektrarno ter vrsto drugih pogojev in omejitev. Izvedba projekta bo zagotovila uporabnikom v Sloveniji in tujini:
Metodologijo oziroma prototip sistema za optimalno upravljanje P2G sistema, ki omogoča doseganje maksimalnih energetskih ter ekonomskih učinkov.
Simulacijsko okolje, ki bo omogočilo proučevanje vpliva različnih parametrov na energetske ter ekonomske učinke in na rentabilnost sistema. Simulacijsko okolje bo podpora za odločanje o optimalni velikosti P2G sistema, načinu obratovanja P2G sistema in načinu uporabe proizvedenega vodika.
Projekt ima širši družbeno-ekonomski iz naslednjih vidikov:
Tržne priložnosti: Optimizator hidro energije in P2G bi bilo možno instalirati v hidroelektrarne v Sloveniji in na globalnem trgu. Pomemben del motivacija za projekt prihaja od slovenskega operaterja hidroelektrarn HESS, ki je prepoznal zahteve bodočih energetskih sistemov in potencial P2G sistemov.
Ekonomski učinki: Nadgradnja hidroelektrarne s P2G sistemom omogoča zmanjšanje energetskih izgub (zmanjšanje preliva vode mimo turbin). Z ustreznim optimalnim upravljanjem je mogoče doseči še dodatne prihranke, kot sledi npr. iz študije [11]. V študiji so pokazali, da se je po uvedbi optimizacijskega prediktivnega sistema za vodenje ekonomska učinkovitost P2G sistema, priključenega na elektro in plinovodno omrežje, dvignila za preko 30 %, število vklopov in izklopov pa se je zmanjšalo za skoraj 50 %.
Ekološki učinki: Predlagani projekt omogoča večji izkoristek vodne energije in s tem večji delež vodne energije v celotni količini proizvedene energije. To prispeva k nižjim okoljskim vplivom (nižji okoljski kazalci po metodologiji LCA), saj vodik, ki je v fazi uporabe zelo čisto gorivo, pridobimo iz hidroenergije, ki pa ima daleč najnižji okoljski vpliv izmed vseh tehnologij pridobivanja električne energije.
Čista proizvodnja vodika: P2G je cenovno učinkovit, čist in geografsko porazdeljen način pridobivanja vodika, ki ustreza potrebam različnih porabnikov [7], [9].
