Coordinated Optimal Scheduling Method for Electricity Hydrogen Coupled System Based on Dynamic Behavior of Electrolyzer

Het moderne elektriciteitsnet staat voor een hardnekkige uitdaging: de zon schijnt niet altijd en de wind waait niet altijd. Naarmate samenlevingen meer afhankelijk worden van hernieuwbare energie zoals zon en wind, wordt de elektriciteit die zij opwekken onvoorspelbaar. Om het licht aan te houden, moeten ingenieurs manieren vinden om deze overschot aan energie op te slaan voor wanneer het het hardst nodig is. Een veelbelovende oplossing houdt in dat overtollige elektriciteit wordt omgezet in waterstofgas via een proces dat elektrolyse wordt genoemd. In dit proces splitst een elektrische stroom watermoleculen om waterstof vrij te maken, die later als brandstof kan worden opgeslagen en gebruikt. De machines die deze taak uitvoeren, bekend als elektrolysers, zijn echter geen eenvoudige aan/uit-schakelaars. Het zijn complexe apparaten die warmte genereren, hun interne temperatuur veranderen en anders reageren afhankelijk van hoeveel vermogen ze ontvangen. Als ingenieurs deze machines behandelen alsof ze met een perfecte, onveranderlijke efficiëntie werken, kunnen hun plannen voor het elektriciteitsnet er op papier goed uitzien, maar in de echte wereld falen.

Een team onderzoekers van het China Electric Power Research Institute en de State Grid Gansu Electric Power Company heeft een nieuwe manier ontwikkeld om de relatie tussen elektriciteit en waterstof te beheren. Ze hebben een gedetailleerd computermodel ontwikkeld dat rekening houdt met het dynamische gedrag van proton-uitwisselingsmembraan-elektrolysers, een specifiek type machine dat bekend staat om zijn snelle reactie op veranderende vermogensniveaus. In tegen tegenstelling tot oudere modellen die ervan uitgaan dat deze machines elektriciteit met een vast tarief omzetten in waterstof, erkent het nieuwe model dat de efficiëntie verschuift naarmate de machine opwarmt of afkoelt. De onderzoekers testten deze aanpak met behulp van een gesimuleerd elektriciteitsnet gebaseerd op een standaard 30-bus systeem en een waterstofnetwerk dat is gemodelleerd naar een 20-node systeem in België. Hun doel was om het meest kosteneffectieve schema te vinden voor het aansturen van het gehele systeem, terwijl ze de apparatuur veilig houden en de levensduur verlengen.

De studie laat zien dat de efficiëntie van een elektrolyser geen constante waarde is, maar een levende variabele die danst tussen ongeveer 80 procent en 90 procent, afhankelijk van de temperatuur en de vermogensinvoer van de machine. Wanneer een elektrolyser opstart, is deze koud en is de efficiëntie lager. Terwijl de machine draait, bouwt de interne warmte zich op, wat de chemische reactie verbetert en de efficiëntie een boost geeft totdat een optimale temperatuur wordt bereikt. Als de machine echter te heet wordt, loopt hij het risico op schade aan de interne componenten, zoals de membraan- en katalysatorlagen, wat de levensduur kan verkorten. De onderzoekers ontdekten dat door deze thermische dynamiek te negeren, traditionele planningsmethoden de machines er vaak toe aanzetten om te lang op volle capaciteit te draaien, wat gevaarlijk is voor de apparatuur. Hun nieuwe methode, die strikte temperatuurlimieten bevat en rekening houdt met de slijtage door het starten en stoppen, maakt het systeem veiliger in gebruik.

In hun simulaties vergeleken de onderzoekers drie verschillende manieren om het systeem te beheren. De eerste aanpak behandelde de elektriciteits- en waterstofnetwerken als afzonderlijke entiteiten, wat resulteerde in een acceptatiegraad van hernieuwbare energie van slechts 75 procent en de hoogste totale kosten. De tweede aanpak koppelde de twee netwerken, maar gebruikte het oude, vereenvoudigde model dat een constante efficiëntie veronderstelt. Deze methode bereikte de laagste kosten en de hoogste acceptatiegraad van hernieuwbare energie van 95 procent, maar de onderzoekers merkten op dat deze resultaten te optimistisch en potentieel onveilig waren voor de hardware. De derde aanpak, die hun nieuwe dynamische model gebruikte, bereikte een acceptatiegraad van hernieuwbare energie van 92 procent met een systeemkosten die slechts iets hoger waren dan de onrealistische tweede aanpak. Dit middenpad bleek de meest praktische oplossing, waarbij een balans werd gevonden tussen de noodzaak om groene energie op te slaan en de noodzaak om dure apparatuur te beschermen tegen thermische stress en frequente start-stopcycli.

Het team onderzocht ook hoe de omvang van de elektrolyserinstallatie het systeem beïnvloedt. Ze ontdekten dat het vergroten van de capaciteit van de elektrolysers het elektriciteitsnet in staat stelt om meer hernieuwbare energie op te nemen en de totale operationele kosten te verlagen, maar alleen tot op zekere hoogte. Zodra de capaciteit een bepaald niveau bereikt, levert het toevoegen van meer machines een afnemend rendement op; de extra kosten voor de aanschaf en installatie van de apparatuur wegen niet op tegen de kleine winsten in energieopslag. Dit suggereert dat er een ideale omvang is voor deze installaties die afhangt van de specifieke mix van wind- en zonne-energie die beschikbaar is en de lay-out van het lokale elektriciteitsnet. De onderzoekers concludeerden dat hun dynamische model een realistisch blauwdruk biedt voor operators, waardoor wordt gewaarborgd dat de transitie naar een waterstofgebaseerde energietoekomst niet alleen economisch gezond is, maar ook fysiek duurzaam voor de machines die het werk doen.