Dual-Layer Optimization for H2-NH3 Integrated Energy System

De wereld verandert van energiebronnen en beweegt weg van het verbranden van kolen naar het opvangen van kracht uit de wind en de zon. Deze transitie is essentieel voor een schonere toekomst, maar brengt een moeilijke puzzel met zich mee: de wind waait niet altijd wanneer mensen elektriciteit nodig hebben, en de zon schijnt niet 's nachts. Om het licht aan te houden, vertrouwen elektriciteitsnetten vaak op grote thermische elektriciteitscentrales die brandstof verbranden. Deze centrales zijn betrouwbaar, maar ze hebben moeite om zich snel aan te passen aan de onvoorspelbare aard van hernieuwbare energie. Wanneer de wind te hard waait of de zon te fel schijnt, kan het net overbelast raken, waardoor exploitanten gedwongen worden de schone energie die ze net hebben opgewekt te verspillen. Jarenlang hebben ingenieurs gezocht naar manieren om deze overtollige stroom op te slaan zodat deze later gebruikt kan worden, maar het direct opslaan van elektriciteit is duur en technisch moeilijk.

Een veelbelovende oplossing houdt in dat die extra elektriciteit wordt omgezet in een chemische brandstof. Eén methode creëert waterstof, een schoon gas, maar het opslaan en transporteren van waterstof is lastig omdat het zeer licht is en extreme druk of vriestemperaturen vereist om het veilig te kunnen hanteren. Een nieuwere aanpak gebruikt een andere chemische stof: ammoniak. Ammoniak is een vloeistof onder veel mildere omstandigheden, waardoor het veel gemakkelijker op te slaan en te transporteren is dan waterstof. Het kan ook direct in elektriciteitscentrales worden verbrand om elektriciteit op te wekken, waardoor het fungeert als een brug tussen de fluctuerende wind en zon en de constante behoeften van het elektriciteitsnet. Onderzoekers in China hebben nu verkend hoe ze deze ideeën kunnen combineren — door overtollige wind- en zonne-energie te gebruiken om ammoniak te maken, en vervolgens die ammoniak te verbranden in kolencentrales — om een stabieler en efficiënter energiesysteem te creëren.

In een studie gericht op een regio in Inwendig Mongolië, ontwierp een team van ingenieurs van de North China Electric Power University en de China Electric Power Research Institute een geavanceerd plan om deze complexe mix van energiebronnen te beheren. Ze keken niet alleen naar de apparatuur; ze bouwden een computermodel om te simuleren hoe een elektriciteitsnet zou reageren als het windturbines, zonnepanelen, traditionele kolencentrales en een nieuwe faciliteit die elektriciteit in ammoniak omzet, zou bevatten. De onderzoekers wilden zien of ze dit hele systeem zo konden laten draaien dat het geld bespaarde, vervuiling verminderde en de elektriciteitscentralen veilig liet blijven draaien. Hiervoor creëerden ze een tweestaps planningproces, of een "twee-lagen"-model, dat fungeert als een slimme manager voor het net.

De eerste stap van hun plan richt zich op hoe goed de verschillende onderdelen van het systeem samenwerken. De computer controleert of de kolencentrales hun output niet te wild aanpassen, wat de machines kan beschadigen, en berekent hoeveel van de wind- en zonne-energie wordt gebruikt versus hoeveel er wordt verspild. Het doel hier is om een evenwicht te vinden waarbij de hernieuwbare energie zoveel mogelijk wordt opgenomen zonder de kolencentrales op onveilige manieren te laten werken. Zodra dit evenwicht is gevonden, treedt de tweede stap van het plan in werking om de kosten te berekenen. Deze laag kijkt naar elke uitgave die betrokken is: de brandstof voor de kolencentrales, de kosten van de ammoniak, de slijtage aan de apparatuur en de heffingen voor koolstofemissies. Door deze twee stappen samen te draaien, vindt het model de beste manier om het systeem voor elk uur van de dag te exploiteren.

De onderzoekers testten hun model met echte gegevens uit een specifiek gebied in Ordos, Inwendig Mongolië, waarbij ze zowel een typische winterdag als een typische zomerdag simuleerden. Ze vergeleken drie verschillende scenario's om te zien welke het beste werkte. Het eerste scenario was een basislijn waarbij het systeem probeerde elke beschikbare wind- en zonne-energie te gebruiken, zelfs als dat betekende dat de kolencentrales inefficiënt moesten werken. Het tweede scenario paste hun nieuwe tweestaps planningmodel toe, maar zonder de ammoniakfaciliteit. Het derde scenario paste hetzelfde planningmodel toe, maar inclusief de ammoniakfaciliteit, waarbij overtollige elektriciteit wordt omgezet in ammoniak en vervolgens wordt verbrand in de kolencentrales.

De resultaten lieten zien dat het nieuwe planningsmodel een aanzienlijk verschil maakte. In de wintersimulatie verlaagde het gebruik van het tweestapsmodel zonder ammoniak de totale operationele kosten al met 4,4 procent vergeleken met de basislijn. Wanneer de ammoniakfaciliteit aan de mix werd toegevoegd, daalden de kosten nog verder, wat leidde tot een totale reductie van 0,97 procent in het zomerscenario ten opzichte van het model zonder ammoniak. Deze besparing kwam voort uit verschillende bronnen. De ammoniakfaciliteit stelde het systeem in staat om overtollige hernieuwbare energie op te slaan in plaats van deze te verspillen. Bovendien genereert het proces van het maken van ammoniak warmte als bijproduct, die het systeem opving en gebruikte om gebouwen te verwarmen, waardoor de hoeveelheid kolen die nodig was voor verwarming afnam. De kolencentralen profiteerden ook omdat ze niet langer op gevaarlijk lage niveaus hoefden te draaien om de wind en de zon te accommoderen; in plaats daarvan konden ze een mengsel van kolen en ammoniak verbranden, wat hun bedrijfsvoering soepeler en veiliger maakte.

Naast het geld was de milieu-impact ook positief. De studie vond dat de koolstofemissies merkbaar afnamen in de zomer-simulatie, waar het systeem met ammoniak 4,43 procent minder kooldioxide produceerde dan het systeem zonder het. In de winter produceerde het systeem met ammoniak echter iets meer emissies dan het geoptimaliseerde model zonder ammoniak, hoewel het nog steeds minder was dan de basislijn waarbij alle hernieuwbare energie in het net werd geforceerd. Deze variatie kwam voort uit het feit dat de afwegingen tussen brandstofsubstitutie, operationele efficiëntie en de specifieke mix van hernieuwbare opwekking verschilden tussen de seizoenen. De onderzoekers observeerden ook dat de hoeveelheid wind- en zonne-energie die weggegooid moest worden drastisch daalde. In de winter verspilde het systeem zonder ammoniak 17,66 procent van zijn windenergie, maar met de ammoniakfaciliteit daalde die verspilling naar slechts 2,27 procent. Het systeem was in staat bijna alle schone energie die het genereerde, op te nemen.

De studie benadrukte ook hoe de ammoniakfaciliteit de elektriciteitscentralen hielp om "diepe piekregulatie" te vermijden, een stressvolle modus waarbij een centrale op zeer lage vermogensniveaus draait om aan de behoeften van het net te voldoen. Het draaien op deze lage niveaus kan ervoor zorgen dat metalen onderdelen binnen de centrale sneller barsten en slijten. Door de ammoniakinstallatie te gebruiken om overtollige stroom op te zuigen, konden de kolencentralen in een stabieler en efficiënter operationeel bereik blijven. De simulatie toonde aan dat de faciliteit binnen de planningsperiode ongeveer 91,2 ton ammoniak produceerde, wat genoeg was om ongeveer 23,5 ton standaardkolen te vervangen. Daarnaast bespaarde de warmte die tijdens de ammoniakproductie werd gegenereerd nog eens 9,3 ton kolen die nodig zouden zijn geweest voor verwarming.

Hoewel het model duidelijke voordelen toonde, merkten de onderzoekers op dat het een simulatie is gebaseerd op specifieke gegevens uit Inwendig Mongolië. De resultaten suggereren dat deze aanpak zeer effectief is voor regio's met grote hoeveelheden wind- en zonne-energie, maar dat de exacte besparingen afhangen van lokale omstandigheden, zoals de kolenprijs en de specifieke weerspatronen. De studie beweerde niet dat deze oplossing overal werkt of dat het elk probleem in het elektriciteitsnet oplost, maar leverde sterk bewijs dat het combineren van ammoniakproductie met bestaande elektriciteitscentrales een levensvatbaar pad vooruit is. Het tweelagen optimalisatiemodel bleek een krachtig hulpmiddel om de juiste balans te vinden tussen kosten, veiligheid en milieubescherming.

Uiteindelijk laat het werk zien dat de toekomst van energie niet vereist dat men moet kiezen tussen hernieuwbare bronnen en betrouwbare stroom. Door gebruik te maken van slimme planning en chemische opslag zoals ammoniak, is het mogelijk om grote hoeveelheden wind- en zonne-energie te integreren zonder de stabiliteit van het elektriciteitsnet op te offeren. De onderzoekers toonden aan dat met de juiste strategie, een systeem goedkoper, schoner en veiliger kan zijn dan een systeem dat alleen op traditionele methoden vertrouwt. De bevindingen bieden een concreet voorbeeld van hoe engineering de uitdagingen van hernieuwbare energie kan omzetten in kansen voor een efficiëntere en duurzamere energievoorziening.