Off-gridowa instalacja do produkcji zielonego wodoru – analiza koncepcji
Redakcja GLOBEnergia
Celem badań Jie Zhu z koledżu inżynierii elektrycznej uniwersytetu syczuańskiego jest zoptymalizowanie (czytaj maksymalne obniżenie) pojemności magazynu energii do będącej w fazie projektu instalacji produkującej zielony wodór na obfitujących w energię odnawialną terenach Regionu Autonomicznego Mongolii Wewnętrznej. Tereny te są bogate wprawdzie w słońce i wiatr, ale poza tym niesamowicie puste, stąd instalacja ma pracować w trybie off-grid, bez połączenia do sieci i całkowicie niezależna.
Wydawałoby się, że taka instalacja musi mieć wprost gigantyczny magazyn energii. Okazuje się, że niekoniecznie! Analiza tego artykułu pomaga docenić złożoność tematyki i przedstawi zarys wyzwań stojących przed takimi projektami. Jeśli posługujesz się językiem Szekspira, koniecznie zajrzyj do oryginalnych źródeł. Są ogólnodostępne i wypisane na spodzie tej strony.
Instalacja
Projekt zakłada instalację składającą się z:
- trzech turbin wiatrowych produkcji Goldwind Sci&Tech o mocy 6,25 MW każda
- instalacji fotowoltaicznej o mocy 6,25 MWp z modułami fotowoltaicznymi LONGi
- trzech elektrolizerów alkalicznych do produkcji wodoru produkcji Peric Hydrogen Technologies o mocy 5 MW każdy
- magazynu energii o pojemności zoptymalizowanej do 3,4 MWh wedle popartej symulacjami koncepcji autora artykułu
Produktem końcowym jest wodór, który po wytworzeniu ma być kompresowany, zabezpieczany i transportowany do odbiorców. Wszystkie generatory oraz elektrolizery łączyć ma linia o napięciu 35 kV AC i częstotliwości 50 Hz. Powtórzmy to jeszcze raz - instalacja jest off-grid, postawiona pośrodku pustkowia i niepodłączona do sieci elektroenergetycznej.
Zasada działania
Główny problem zielonego wodoru - black start elektrolizerów jest czasochłonny i kosztuje sporo energii. Dlatego jednym z celów jest ograniczenie całkowitych wyłączeń instalacji. Jak zapewnić to w przypadku niestabilnych źródeł energii oraz bez podłączenia do sieci?
Mówiąc ogólnie, moc elektrolizerów musi być zmniejszana w odpowiedzi na obniżoną moc instalacji OZE. W przypadku braku mocy elektrolizery są selektywnie wyłączane lub usypiane. Niedobory mocy mają być uzupełniane z magazynu energii, należy przy tym pamiętać, że magazyn energii pozwala na dużo szybszą reakcję niż elektrolizery, ale tak niewielki magazyn energii i tak nie będzie miał wystarczającej pojemności ani mocy, by samodzielnie zasilać elektrolizery. Magazyn energii ma zatem wyrównywać różnicę w szybkości odpowiedzi elektrolizerów, spełniając w układzie rolę raczej „kondensatora” niż baterii.
Według autorów badań, strategia zarządzania energią składa się z 4 procesów:
Harmonogram pracy elektrolizerów regulowany będzie na podstawie 4-godzinnej prognozy pogody. Zgodnie z tym trybem 3 elektrolizery mogą być dowolnie w stanie włączonym, lub uśpionym, przy czym sprzęt pomocniczy dalej utrzymuje w elektrolizerze temperaturę i ciśnienie. Czas włączania / usypiania wynosi 5 minut.
Proces regulowania obciążenia elektrolizerów. Zadaniem tego procesu jest wyrównanie obciążenia elektrolizerów z mocą instalacji fotowoltaicznej i turbin wiatrowych. Koncepcja zakłada zdolność korekcji obciążenia każdego z elektrolizerów o 0,25 MW w ciągu 5 sekund od wystąpienia niezbilansowania.
Proces utrzymania instalacji w ruchu podczas zdarzeń awaryjnych. Zdarzenia gwałtowne i awaryjne (np. wyłączenia jednostek) powodują zaburzenia częstotliwości linii 35 kV, łączącej instalację OZE z elektrolizerami i magazynem energii. W założeniu algorytm jest w stanie wykryć zaburzenia częstotliwości i zareagować w ok. 1 sekundę, wysyłając komendy do strony obciążeń lub źródeł, w zależności od miejsca awarii jednostki. W ten nawet sytuacje awaryjne nie powodują szybkiego rozładowania magazynu energii, pozwalając na obniżenie jego wymaganej pojemności.
Proces utrzymania stabilności sieci z magazynu energii. Bez zdarzenia awaryjnego stabilność systemu jest utrzymywana przez magazyn energii, który z krotnością setnych części sekundy informuje o mocy czynnej i pozornej ładowania / rozładowywania.
Optymalizacja pojemności baterii
Zakładając układ sterowniczy opisany ogólnie powyżej, autor ustalił optymalną pojemność magazynu energii na 3,4 MWh przy mocy 6,8 MW. W tej koncepcji pojemność baterii to mniej niż 15% mocy zainstalowanej źródeł, co jest odważne, lecz z tak szybką odpowiedzią obciążenia elektrolizerów, najwyraźniej wykonalne. Taki magazyn jest tani, może być w pełni naładowany w pół godziny i zapewnia wystarczające krótkoterminowe wsparcie mocowe.
Symulacje i zyski
Z tak niewielkim magazynem energii wyliczony LCOH (levelized cost of hydrogen - uśredniony koszt wodoru) wynosi 28,829 CYN/kg - czyli jakieś 4 $USA/kg wodoru.
Dla porównania, koszt produkcji szarego wodoru w Polsce w 2020 roku wynosił od 1,8 do 3,1 USD’2020/kg, w zależności od zastosowanego surowca.
Wnioski
Tempo regulacji mocy elektrolizerów ma znaczący wpływ na wymaganą pojemność magazynu energii, stabilność produkcji i w konsekwencji na koszty produkcji wodoru. Poniższa tabelka zawiera wyniki symulacji różnych konfiguracji. Pogrubiono konfigurację omawianą w artykule.
| Krotność regulacji obciążenia elektrolizerów | Prędkość regulacji obciążenia elektrolizerów | Pojemność magazynu energii (c-rate 2h) | LCOH |
| 5s | 0,2 MW/s | 2,78 MWh | 25,836 CYN/kg |
| 5s | 0,05 MW/s | 3,4 MWh | 28,829 CYN/kg |
| 15s | 0,05 MW/s | 4,04 MWh | 30,805 CYN/kg |
Wnioski jakie płyną jeszcze z analizy mówią również, że zasilanie elektrolizerów z instalacji OZE zawierającej zarówno PV jak i turbiny jest korzystne, ze względu na pokrywające się profile produkcji. Co więcej, elektrolizery świetnie nadążają za fluktuacjami mocy turbin wiatrowych, natomiast nie nadążają za zmianami mocy instalacji fotowoltaicznej i muszą być wspierane przez magazyn energii
Należy pamiętać, że artykuł został napisany konkretnie z myślą o projekcie instalacji w północnych Chinach, gdzie warunki pogodowe różnią się od tych w Polsce. Wydaje się jednak, że wiele z tych twierdzeń okaże się prawdziwych również w naszym nadwiślańskim kraju.
Produkcja zielonego wodoru on-grid
Powyższy przypadek pokazuje, że produkcja wodoru może odbywać się w instalacji samodzielnej, całkowicie oddzielonej od sieci, osiągając niskie LCOH. Na szczęście istnieją łatwiejsze i zapewne jeszcze bardziej zyskowne rozwiązania. Instalacja on-gridowa prócz produkcji zielonego wodoru może:
- Sprzedawać energię do sieci w czasie gdy:
- występuje jej nadpodaż
- ceny na Towarowej Giełdzie Energii są bardzo wysokie
- wystąpi awaria elektrolizera - Kupować energię z sieci, gdy:
- opłacalne będzie zasilanie elektrolizerów z energii zakupionej, np. w przypadku wystąpienia ujemnych cen energii
- wystąpi awaria źródła OZE
Instalacje on-grid mogą dalej ograniczyć pojemność magazynu i zmniejszyć ilość przestojów. Warto pamiętać, że gdy system kupuje energię z sieci elektroenergetycznej, wówczas elektrolizery mogą pracować właściwie bez przerwy. Stosowany w konwencjonalnej elektrowni węgiel zmienia to jednak jednak „kolor” wodoru, przebarwiając go z nieskazitelnie zielonego na przybrudzony niebieski.
Źródła:
Jie Zhu, A full-time scale energy management and battery size optimization for off-grid renewable power to hydrogen systems: A battery energy storage-based grid- forming case in Inner Mongolian, College of Electrical Engineering, Sichuan University,
Rodolfo Duf-Lopez, Juan M. Lujano-Rojas, Jose L. Bernal-Agustin, Optimisation of size and control strategy in utility-scale green hydrogen production systems, International Journal of Hydrogen Energy
Dominik Brodacki i inni, Zielony wodór z OZE w Polsce, Dolnośląski Instytut Studiów Energetycznych
