Имитационное моделирование автономного энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии с водородным аккумулированием

1.

2.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»
(НИУ «МЭИ»)
Тема научно-исследовательской работы
Имитационное моделирование автономного энергоснабжения на основе возобновляемых
источников энергии с водородным аккумулированием
Научный руководитель: Молотова Ирина Андреевна, ассистент каф. ИТФ
Выполнил работу: Ушаков Павел Витальевич, гр. ТФ-10-21 (3 курс)
Москва, 19 декабря 2023

3.

Имитационное моделирование водородного аккумулирования энергии
Актуальность Долгосрочное хранение энергии
Прогнозируемые запасы
ископаемых энергоресурсов
при существующем
спросе
Buchholz B. M.,
Styczynski Z.
Smart Grids. –
Springer Berlin
Heidelberg, 2020.
Типичные профили для солнечного излучения и скорости ветра
Рис.3. Технологии
аккумулирования
энергии
Matos C. R., Carneiro J. F., Silva
P. P. Overview of large-scale
underground energy storage
technologies for integration of
renewable energies and criteria
for reservoir identification
//Journal of Energy Storage. –
2019. – Т. 21. – С. 241-258.
Рис.4. Централизованное и автономное электроснабжение в РФ
централизованное
автономное
неэлектрифицировано
Brauns J., Turek T. Alkaline water electrolysis powered by renewable energy: A review //Processes. –
2020. – Т. 8. – №. 2. – С. 248.
Елистратов В. Автономное энергоснабжение территорий России энергокомплексами на базе
возобновляемых источников энергии //Энергетический вестник. – 2016. – №. 21. – С. 42-49.
1

4.

Имитационное моделирование водородного аккумулирования энергии
Объект моделирования Проект автономного энергоснабжения
Постановка задачи
Объект моделирования
На отечественной платформе для разработки
математических
моделей,
алгоритмов
управления и мнемосхем SimInTech выполнить
моделирование водородного аккумулирования
энергии
с
использованием
библиотеки
функциональных блоков «Теплогидравлика (HS)»
1 – ФЭУ и ВЭУ
NPV+WT – солнечно-ветровая генерация
2 – инвертор и контроллер ВЭУ
NBAT – эл. мощность заряда / разряда АКБ
3 – литий-ионная АКБ
NEL – потребление электролизера
выполнить при номинальных параметрах работы
NHC – потребление компрессорной установкой
электролизера,
NFC – эл. мощность, вырабатываемая ТЭ
топливного элемента
4 – электролизер
5 – ресивер
6 – водородный компрессор
7 – стандартные газовые баллоны
NLOAD – потребляемая мощность
Имитационное
Получить
моделирование
водородного
качественные
необходимо
компрессора
и
характеристики
8 – водородный топливный элемент
эффективности водородного аккумулирования
9 – график нагрузки
энергии
2

5.

Имитационное моделирование водородного аккумулирования энергии
Моделирование Входные и выходные параметры
Рис.1. Часть объекта моделирования
Таб. Паспортные технические характеристики
Наименование
4 – электролизная установка
5 – ресивер
6 – водородный компрессор
7 – стандартные газовые баллоны
8 – водородный топливный элемент
NEL – потребление электролизером
NHC – потребление компрессорной установки
NFC – эл. мощность, вырабатываемая ТЭ
Параметр
Значение Размерность
Производительность по водороду
0 - 500
нл/ч
Потребляемая мощность
0 - 2250
Вт
Выходное давление по водороду
до 5
атм
Электролизер
Время установления стабилизированного
15
мин
режима
КПД
57,5
%
Производительность
3000
нл/ч
Водородный Максимальная мощность
2200
Вт
компрессор
Давление входа избыточное
1
атм
Конечное давление
до 200
атм
Время запуска
100
с
3000
Вт
Водородный Номинальная производительность
топливный
Расход водорода при максимальной мощности 2340
нл/ч
элемент
Давление водорода на входе
0,45-0,55
атм
КПД
40
%
Объем
3
м³
Площадь поверхности
13
м²
Ресивер
(углеродистая Масса
530
кг
сталь)
Толщина стенки
5,0E-03
м
Суммарная теплоемкость металла
2,7E+05
Дж/К
Объем одного
0,05
м³
Баллоны 80
Площадь поверхности одного
1,1
м²
шт.
Масса одного
93
кг
(углеродистая
Толщина стенки одного
8,9E-03
м
сталь)
Суммарная теплоемкость металла
3,7E+06
Дж/К
3

6.

Имитационное моделирование водородного аккумулирования энергии
Моделирование Программная реализация
Рис.1. Схема теплогидравлическая
Расчетные
параметры
Рис.3. База данных сигналов
Исполнительные
механизмы
Рис.2. Схема управления
Команды алгоритмов
Точки контроля
4

7.

Имитационное моделирование водородного аккумулирования энергии
Моделирование Схема теплогидравлическая
Рис.1. Схема теплогидравлическая
Внутренний Уравнение сохранения массы:
узел