Hybridní vodíkový systém navržený nizozemskou výzkumnou skupinou je určen k ukládání přebytečné elektřiny z obnovitelných zdrojů prostřednictvím výroby vodíku a skladování baterií. Přičemž baterie se používají pouze v případě, že výroba vodíku není okamžitě k dispozici. I přes vysoké počáteční náklady může systém údajně nabídnout stabilní provoz.
Výzkumníci z Hanze University of Applied Sciences Groningen v Nizozemsku poprvé zkoumali, jak spojit výrobu vodíku a bateriové skladování se střešní fotovoltaickou elektrárnou nebo malými větrnými turbínami v domácnostech mimo síť.
„Podle našich nejlepších znalostí žádná publikovaná studie nepoužila vodíkový systém jako hlavní úložiště při hybridizaci obnovitelných energií s bateriemi. A co je nejdůležitější, žádné studie nezvažovaly variabilní požadavky na spouštění pro elektrolyzéry s protonovou výměnnou membránou (PEM) pro výrobu vodíku. A taky ke skladování při navrhování systémů obnovitelné energie mimo síť,“ uvedla skupina. K tomu dodala, že baterie se určují k tomu, aby se zabránilo omezování, když nelze upřednostnit výrobu vodíku.
Vědci vysvětlili, že hybridní vodíkové systémy založené na elektrolýze PEM nabízejí tu výhodu, že jsou to systémy s rychlou odezvou, vhodné pro skladovací systémy, kde vodíkový systém funguje jako hlavní skladovací jednotka spojená s baterií jako sekundární úložiště. Zdůraznili však také, že vodík generovaný elektrolýzou je třeba před použitím vysušit a vyčistit od stop vody a kyslíku.
Simulace výkonu systému prostřednictvím softwaru Python
Navržený systém se určil pro ukládání přebytečné solární energie. Přičemž baterie funguje jako primární akumulační jednotka pouze v případě, že výroba vodíku není okamžitě k dispozici. Skládá se ze systému vodíkové elektrolýzy PEM o výkonu 4,5 kW, zásobníku vodíku o objemu 0,85 m3, čisticí jednotky o výkonu 0,8 kW, vodíkového palivového článku PEM a lithium-iontové baterie. ,,Palivový článek může dodávat energii pouze přímo spotřebiteli. A nenabíjí baterii ani nepodporuje elektrolyzér,“ vysvětlili akademici. ,,Elektrolyzér a palivový článek vyžadují ke svému provozu demineralizovanou vodu a vzduch.“
Systém ukládání energie také spoléhá na tlakový regulační ventil pro nastavení výstupního tlaku vodíku. Ten lze bez vnějších prostředků nastavit na téměř 50 barů. Má také schopnost udržet elektrolyzér v chodu, když se přebytek solární energie dostatečně blíží minimálnímu výkonu elektrolyzéru. S tím, že očekávaný přebytek výkonu v následujících 10 minutách je relativně vysoký. „Využívá baterii k ukládání energie, když výkon nebo doba trvání energie z obnovitelných zdrojů nestačí k tomu, aby se systém elektrolyzéru nastartoval a fungoval,“ uvedli vědci.
Výzkumná skupina simulovala výkon systému prostřednictvím softwaru Python. A použila více vstupů k rozhodnutí, jak uložit elektrickou energii, když je přebytek. Předpokládali, že systém se nasadí v typickém holandském rodinném domě s roční spotřebou 4 MWh.
Simulace ukázala, že nejlepší konfigurace systému pro FV zdroj zahrnuje 2,65 kW solární pole s úhlem náklonu 35 stupňů a úhlem azimutu 180 stupňů. Náklady na fotovoltaický systém se odhadovaly na 30 tis. Kč/kW. Zatímco náklady na elektrolyzér a palivový článek se odhadly na 240 tis. Kč a 190 tis. Kč. Cena vodíkové nádrže se uvedla na 48 tis. Kč a cena baterie o výkonu 2,93 kW se předpokládala na 9 tis. Kč/kWh.
Využití baterie k ukládání energie
Analýza prokázala, že za žádných okolností elektrolyzér nepracoval na svůj maximální nominální výkon. Což znamená, že jej lze zmenšit a snížit tak náklady systému, zdůraznili výzkumníci. „Analýza citlivosti na změnu jmenovitého výkonu elektrolyzéru ukázala, že elektrolyzér s jmenovitým výkonem mezi 1 550 W a 2 000 W je pro konfiguraci základního případu definovaného v této studii vhodnější a nákladově efektivnější,“ vysvětlili dále. A dodali, že optimální kapacita baterie se identifikovala kolem 3 kW.
Série simulací také ukázala, že spoléhat se pouze na větrnou energii bylo nákladově efektivnější než používat samotnou solární energii. Zatímco kombinace těchto dvou zdrojů nabídla nejlepší výsledky. ,,Energie požadovaná čistící jednotkou může být považována za zanedbatelnou pro všechny scénáře,“ dodali akademici s tím, že budoucí výzkum by měl otestovat navrhované řešení ve větším měřítku nebo v systému integrujícím výrobu tepla.
Systém ukládání energie se představil ve studii „Simulace a analýza hybridního vodíkového akumulátorového úložiště obnovitelné energie pro nizozemský domácí systém mimo elektrickou síť“. Ta se publikovala v International Journal of Hydrogen Energy.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
