Večfunkcionalne vodikove tehnologije v podporo balansiranju elektroenergetskega sistema, shranjevanju energije in trgu
Oznaka in naziv projekta
L2-4456 Večfunkcionalne vodikove tehnologije v podporo balansiranju elektroenergetskega sistema, shranjevanju energije in trgu
L2-4456 Multifunctional hydrogen technologies supporting power system balancing, energy storage and market
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Janko Petrovčič
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Institut "Jožef Stefan"
Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko
Dravske elektrarne Maribor d.o.o.
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Cilj projekta je raziskati možnosti za uporabo vodikovih tehnologij za balansiranje elektroenergetskega sistema in za shranjevanje energije. Da bi zmanjšali ogljični odtis oziroma emisije CO2, se uvajajo številni novi obnovljivi viri električne energije (veter, fotovoltaika, vodna energija), ki pa žal ne sledijo časovnemu poteku potreb po električni energiji, saj so odvisni od vremenskih razmer in letnega časa. Zato je vzporedno z uvajanjem obnovljivih virov potrebno uvajati tudi storitve balansiranja proizvodnje in porabe električne energije. To se izvaja na različne načine: s pomočjo prilagoditve porabe oziroma odjema energije, s pomočjo prilagoditve proizvodnje (iz tistih virov, na katere lahko vplivamo) in z začasnim shranjevanjem viškov električne energije in sproščanjem le-teh v času pomanjkanja električne energije. Tehnološke možnosti za shranjevanje večjih količin električne energije so omejene, ena od uporabnih možnosti so vodikovi sistemi, ki so sestavljeni iz elektrolizerja, hranilnika vodika in gorivne celice. S pomočjo vodikovih tehnologij se lahko trenutni viški električne energije s pomočjo elektrolize vode pretvorijo v vodik, ki se hrani v plinasti ali tekoči obliki v hranilnikih. Shranjeni vodik se lahko kasneje, v času povečanih potreb, pretvori nazaj v električno energijo s pomočjo gorivnih celic ali pa se neposredno uporabi kot gorivo za ogrevanje in transport ali kot surovina za industrijo.
Da bi vodikov sistem zagotavljal učinkovito balansiranje elektro-energetskega sistema in da bi obratoval ekonomsko vzdržno, mora biti ustrezno zasnovan in dimenzioniran, poleg tega pa mora biti njegovo delovanje vseskozi usklajeno z razmerami in potrebami elektro-energetskega sistema. Obravnava teh dveh izzivov je bistvo predlaganega projekta.
Iz tega izhaja prvi cilj projekta, to je razvoj avtomatskega koordinacijskega algoritma vodikovega sistema, ki se bo samodejno in na optimalen način odzival na razmere in zahteve elektroenergetskega sistema in trga. Vključen bo v več mehanizmov balansiranja: sistemske storitve, izravnalni trg in sezonsko shranjevanje energije. Upošteval bo trenutne in bodoče napovedane razmere v elektroenergetskem sistemu (napoved porabe in proizvodnje električne energije), dinamične omejitve vodikovega sistema, izkoristek vodikovega sistema v odvisnosti od načina delovanja, vpliv dinamičnega delovanja na življenjsko dobo in podobno. Na podlagi vseh naštetih dejavnikov bo koordinacijski algoritem s pomočjo optimizacijskega algoritma sproti generiral akcije balansiranja.
Drugi cilj projekta je razvoj digitalnih dvojčkov (dinamičnih simulacijskih modelov) vodikovega sistema ter elektroenergetskega sistema in trga. S pomočjo digitalnih dvojčkov bomo ustvarili simulacijsko okolje in numerično simulirali delovanja vodikovega sistema v povezavi z elektroenergetskim sistemom in trgom. V simulacijskem okolju bomo testirali in optimizirali delovanje koordinacijskega algoritma, ovrednotili učinkovitost balansiranja in iz tega izhajajoče ekonomske učinke obratovanja vodikovega sistema. Poleg tega bosta digitalna dvojčka posredno vgrajena v sam koordinacijski algoritem in sicer za generiranje akcij balansiranja s pomočjo multi-kriterijske optimizacije na podlagi modela.
Rezultati projekta bodo izjemno koristni za vse potencialne investitorje v vodikove sisteme. S pomočjo razvitih digitalnih dvojčkov vodikovega sistema ter elektroenergetskega sistema in trga bo možno s pomočjo računalniške simulacije določiti parametre vodikovega sistema in opazovati, kako vplivajo na obratovanje in rentabilnost. S pomočjo razvitega koordinacijskega algoritma bo možno vodikove sisteme optimalno usklajevati z elektroenergetskim sistemom in v simulacijskem okolju opazovati in optimirati njegovo delovanje ter vnaprej določiti potencialne ekonomske učinke in izid investicije. Koordinacijski algoritem bo možno iz simulacijskega okolja neposredno in z minimalnimi prilagoditvami prenesti v realne vodikove sisteme.
The aim of the project is to research the possibilities of using hydrogen technologies for balancing the electric power system and energy storage. To reduce the carbon footprint and CO2 emissions, many new renewable energy sources (wind, photovoltaics, hydropower) are being installed, however, unfortunately they do not follow the time profile of energy demands, as they depend upon weather and time of year. Therefore, in parallel with the installation of renewable sources, it is necessary to introduce services for balancing the production and consumption of electricity. This is done in various ways: by adjusting energy consumption, by adjusting production (of those sources that be controlled) and by temporarily storing surplus electric energy and releasing it in periods of shortage. Technological possibilities for storing large amounts of electric energy are limited, one of the useful options are hydrogen systems, which consist of electrolyser, hydrogen storage tank and fuel cell. By hydrogen technologies, temporal surpluses of electric energy can be converted by electrolysis of water into hydrogen, which is stored in gaseous or liquid form in storage tanks. Stored hydrogen can later, during increased demand, be converted back into electricity using fuel cells, or it can be used directly as a fuel for heating and transport or as a feedstock for industry.
To ensure efficient balancing of the power system and economically sustainable operation, hydrogen system must be properly designed and sized, and its operation must be constantly coordinated with the conditions and needs of the electric power system. Addressing these two challenges represents the core of the proposed project.
Therefore, the first goal of the project is to develop an automatic coordination algorithm of the hydrogen system, which should automatically and optimally respond to the conditions and requirements of the power system and the market. It will be involved in several balancing mechanisms: ancillary services, the balancing market and seasonal energy storage. It will consider current and future forecasted conditions of the electric power system (forecast of electricity consumption and production), dynamic limitations of the hydrogen system, efficiency of the hydrogen system depending on the operation mode, the impact of dynamic operation on life time, etc. Based on the listed factors, the coordination algorithm will use the optimization algorithm to generate balancing actions.
The second goal of the project is to develop digital twins (dynamic simulation models) of the hydrogen system and the power system and market. By digital twins, we will create a simulation environment to numerically simulate the operation of the hydrogen system in connection with the power system and market. In the simulation environment, we will test and optimize the operation of the coordination algorithm, evaluate the balancing efficiency and the resulting economic effects of hydrogen system operation. In addition, the digital twins will be indirectly integrated into the coordination algorithm to generate balancing actions using model-based multi-criterial optimization
The results of the project will be extremely useful for all potential investors in hydrogen systems. With the help of developed digital twins of the hydrogen system and power system and market, it will be possible to determine the parameters of the hydrogen system with the help of computer simulation and observe how they affect operation and economic sustainability. Using the developed coordination algorithm, it will be possible to optimally coordinate hydrogen systems with the electric power system and to observe and optimize its operation in the simulation environment, to predict the potential economic effects and investment outcome. The coordination algorithm will be ready for transfer from the simulation environment to real hydrogen systems.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani https://apps.izum.si/ecris/si/sl/project/20051.
Faze projekta in opis njihove realizacije
WP1: Vodenje projekta: 40%
WP2: Analiza zahtev in specifikacije: 100%
WP3: Razvoj digitalnih dvojčkov: 90%
WP4: Razvoj koordinacijskega algoritma vodikovega sistema: 30%
WP5: Verifikacija in validacija: 0%
WP6: Promocija in razširjanje rezultatov: 0%
WP1: Project coordination: 40%
WP2: Analysis of the requirements and specification: 100%
WP3: Development of digital twins: 90%
WP4: Development of hydrogen system coordination algorithm: 30%
WP5: Verification and validation: 0%
WP6: Promotion and dissemination of the results: 0%