Как обеспечить электроснабжение домов исключительно водородом, солнечной энергией и батареями

Установка включает в себя водород и фотоэлектрические панели. Чтобы достичь такую цель нужно использовать индивидуальную стратегию управления энергопотребления, которая основана на состоянии заряда аккумуляторной батареи и потоках энергии внутри водорода. Такая система имеет следующие преимущества:

• полная независимость от сети. Система обеспечивает полную независимость от централизованной электросети
• экологически чистый источник энергии. Система использует возобновляемые источники энергии и не выделяет в атмосферу парниковые газы;
• стабильное электроснабжение. Система обеспечивает стабильное электроснабжение даже в период нехватки солнечной радиации.

В этом случае солнечные панели будут служить основным источником энергии для домов, преобразуя солнечный свет в электроэнергию. И мощность системы должна быть достаточной для покрытия всех энергетических потребностей дома. В дневное время, когда солнечная радиация высокая, избыток энергии будет храниться в батареях. А аккумуляторы будут служить для хранения избытка энергии от солнечных панелей, а также для обеспечения электроснабжения в ночное время и при нехватке солнечной радиации. Необходимо выбрать аккумуляторы с достаточной емкостью и сроком службы. Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее перспективным решением для домашних систем хранения энергии. Водород будет использоваться в качестве дополнительного источника энергии в периоды нехватки солнечной радиации или в ночное время. Этот компонент может быть произведен с помощью электролиза воды, используя избыток энергии от солнечных панелей. Водород может быть преобразован в электроэнергию с помощью топливных элементов.

В результате солнечные панели генерируют электроэнергию, которая используется для питания дома и заряжает аккумуляторы. В ночное время дом питается от аккумуляторов, а в случае необходимости используется водород в топливных элементах для производства электроэнергии. В зимнее время водород применяют для производства электроэнергии и тепла при помощи топливного элемента.

Система обеспечивает полную независимость от централизованной электросети. А также использует возобновляемые источники энергии и не выделяет в атмосферу парниковые газы.

Ученые для своих исследований применяли фотоэлектрические панели, которые обеспечивали нагрузку на дом. Избыточное количество энергии заряжало аккумулятор, и как только он заполнялся, он хранился в резервуаре высокого давления в виде водорода, вырабатываемого электролизером.

И если солнечной энергии недостаточно для удовлетворения потребностей в доме, фотоэлектрические батареи обеспечивают жилище необходимой энергией. И если батареи разряжены, то электроэнергия для зарядки вырабатывается за счет запасов водорода.

Важным устройством при обустройстве дома и подведении коммуникаций является умный накопитель электроэнергии VOLTS. С его помощью можно сделать любое жилье полностью независимым от перепадов в сети. Накопитель подходит для интеграции в домашнюю электросистему. Устройством можно управлять через мобильное приложение.

Его установка займет не более одного дня. Благодаря компактным размерам, его можно разместить в любом помещении – в гостиной, прихожей или в спальне. Инновационное устройство VOLTS отлично защищает дом и все электроприборы от скачков напряжения.

Водород отличается универсальностью. Он обладает приспосабливаемостью к различным временным и географическим требованиям. А также удовлетворяет потребности в хранении, охватывающие ежедневные и сезонные периоды.

Водород позиционируется, как альтернатива, обладающая значительным потенциалом для обезуглероживания не только трудноизвлекаемых секторов, таких как промышленность и транспорт, но также и других, таких как жилищный сектор и строительство.

Также водород можно смешивать с природным газом, чтобы воспользоваться преимуществами существующей инфраструктуры и, таким образом, снизить воздействие выработки тепла на окружающую среду. Этот компонент можно извлекать из промышленных отходов с высоким содержанием водорода. Технологии на основе водорода становятся устойчивой и универсальной альтернативой для хранения энергии, демонстрируя адаптивность и осуществимость как для крупномасштабных приложений для хранения энергии, так и для небольших систем резервного копирования, обеспечивая при этом длительное сезонное хранение энергии без опасений ее деградации.

Но при эксплуатации технологий на основе водорода необходимо преодолеть значительные проблемы, связанные с безопасным обращением, эффективным хранением и обеспечить широкое внедрение компонента.

Дефицит определенных полезных ископаемых имеет решающее значение как для развертывания водородной экономики, так и для крупномасштабного внедрения технологий с применением этого компонента. С водородом проводятся различные мероприятия по замене катализаторов на основе благородных металлов более дешевыми материалами на основе никеля, железа или цинка.

Взаимодействие гибридных возобновляемых систем на основе водорода с сетью также вызвало большой интерес к использованию периодов с более низкими расходами за электроэнергию и максимальной выработкой возобновляемых источников энергии.

Для разработки и оптимизации этих теоретических исследований было использовано множество программных средств. Некоторые из них использовали программное обеспечение, например HOMER Pro. Этот удобный инструмент позволяет моделировать несколько автономных гибридных систем, содержащих одну, две или более технологий возобновляемых источников энергии. Важной целью при проведении исследований является удовлетворение различных потребностей в энергии и достижение различных коэффициентов самодостаточности и общей эффективности.

Ученые внедрили систему, состоящую из фотоэлектрических панелей, топливного элемента (ТЭ) и электролизера для хранения водорода в металлогидридном резервуаре для удовлетворения потребностей передвижного дома в электроэнергии.

В системах применялись различные подходы к управлению энергопотреблением для оценки оптимального коэффициента использования, производства водорода и расхода энергии с учетом каждого конкретного местоположения. Эти установки включают в себя контейнер для хранения водорода, образующегося в результате электролиза воды при давлении 30 бар (при этом электролизеры имеются только в 4 из 9 мест). Кроме того, несколько резервуаров наполняются извне при давлении 200 бар, чтобы предотвратить перебои с электричеством и обеспечить непрерывную подачу электроэнергии во всех случаях. Также была исследована контейнерная установка средних размеров с применением металлогидридов. В процессе было достигнуто заметное сокращение операций по управлению температурой, связанных с металлогидридными резервуарами.

Также были проведены исследования с фотоэлектрическими панелями.

Это устройства, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Фотоэлектрические панели основаны на фотоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1839 году Александром Эдмондом Беккерелем. Этот эффект заключается в том, что при попадании света на некоторые материалы (полупроводники) электроны в них начинают двигаться, создавая электрический ток. Такие элементы состоят из полупроводниковых материалов, обычно кремния, которые покрыты тонким слоем специального материала, который поглощает свет и генерирует электроны. Принцип работы фотоэлектрических панелей состоит из следующих этапов:

• поглощение света. Солнечный свет падает на поверхность панели, где он поглощается фотоэлектрическими клетками;
• создание тока. Фотоны света преобразуются в энергию, которая выбивает электроны из полупроводникового материала, создавая электрический ток;
• сбор тока. Специальные контакты в панели собирают ток, который потом поступает на инвертор;
• преобразование в постоянный ток. Инвертор преобразует постоянный ток от панели в переменный ток, который можно использовать для питания домашних приборов.

Существуют разные типы фотоэлектрических панелей, в том числе монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Они отличаются эффективностью, стоимостью и длительностью работы. Фотоэлектрические панели имеют длительный срок службы, который составляет 25-30 лет. Но стоит учитывать, что установка фотоэлектрических панелей требует первоначальных инвестиций, которые могут быть значительными. Кроме того, они не генерируют энергию в ночное время и генерируют меньше энергнии при облачной погоде. Для решения этой проблемы используются аккумуляторы, которые накапливают энергию в дневное время и отдают ее в ночное время или при нехватке солнечной радиации.

В эксперименте использовались такие элементы, как фотоэлектрические панели мощностью 75 кВт, электролизер воды мощностью 5 Нм 3ч, 40 Нм3 металлогидридного накопителя водорода, 14-киловаттные FC и литий-ионные аккумуляторы мощностью 20 кВт/20 кВтч.

Исследователи выполняли эксперименты при различных погодных условиях, также изучая их взаимодействие с электрической сетью. Эта система позволила снизить выбросы CO2 здания более чем на 50%, превысив то, что было бы достигнуто исключительно при использовании фотоэлектрических панелей.

В Швеции в частном домовладении был реализован необычный проект. Дом включает в себя фотоэлектрическую и геотермальную энергию, производство водорода и системы топливных элементов. В нем были установлены литий-ионные батареи мощностью 144 кВт*ч для кратковременного хранения и 324 кг водорода для сезонного хранения, что обеспечивает почти полную независимость от сети.

Проект включает в себя фотоэлектрическую установку мощностью 40 кВт в сочетании с 20 кВт водородного топлива и аккумуляторами. Возникший как частная инициатива, проект стал государственным объектом. И подобные решения стали реализовывать отдаленных горных домах и хижинах.

После оценки проведенных исследований эксперты предложили обширный спектр применений такого оборудования в разных местах. Проекты позволили моделировать поведение систем, отключенных от сети, а также их взаимодействие с ней и потоки энергии между различным оборудованием. Но стоит отметить, что реальные системы демонстрируют трудности в достижении высокой степени самодостаточности из-за текущего состояния развития водородных технологий, а также отсутствия данных о мониторинге внедренных систем в течение длительных периодов.

В проведенной работе были представлены фундаментальные результаты, полученные после двух лет контроля и испытаний опытной установки в городе Новалес (Кантабрия, Испания). Эта конструкция включает в себе фотоэлектрические панели и водород в качестве метода сезонного накопления энергии, достигая амбициозной цели по созданию автономного социального жилья с электричеством в течение всего года. Такая конструкция не только показывает техническую осуществимость применения возобновляемого водорода в жилом секторе, но также представляет собой 100% устойчивую альтернативу для борьбы с энергетической бедностью среди наиболее экономически уязвимых жителей. В результате предлагается усовершенствованная система накопления энергии, интегрированная в здания сельской местности для увеличения распространения возобновляемых источников энергии.

Чтобы продемонстрировать осуществимость и преимущества системы в жилом секторе, был разработан прототип социального дома в небольшой деревне под названием Новалес. Потребление электроэнергии в этом доме было получено из счетов, собранных в течение года, и с помощью данных, собранных в интеллектуальном счетчике электроэнергии сетевой компании, на общую сумму 2513 кВт*ч в год при среднесуточном потреблении 6,88 кВт*ч.

В результате исследований была рассчитана энергетическая эффективность фотоэлектрических панелей, электролизера и топливного элемента, поскольку они являются основным оборудованием энергосистемы.

Система работает следующим образом:

• фотоэлектрические панели являются основным источником энергии и обеспечивают нагрузку при достаточном солнечном облучении;
• при избыточной выработке фотоэлектрической энергии избыточная энергия накапливается в батареях на первом этапе для повседневного накопления;
• избыточная энергия, которая не может быть накоплена в батареях, накапливается в виде водорода, вырабатываемого с помощью электролизера;
• произведенный водород на первом этапе сохраняется в буферном резервуаре с промежуточным давлением. Когда буфер заполнится, включается компрессор, и водород будет храниться в резервуаре высокого давления;
• когда солнечного излучения недостаточно для удовлетворения потребностей дома, батареи обеспечивают жилище необходимой энергией;
• если батареи разряжены, топливный элемент вырабатывает электроэнергию для зарядки батарей за счет запасенного водорода. Насколько это возможно, сначала используется водород, хранящийся в буфере, чтобы избежать стадии сжатия, тем самым повышая энергоэффективность.

Система и дом подключены к сети на основе самостоятельного потребления, чтобы продавать обратно в сеть всю избыточную энергию, которую система не в состоянии усвоить, получая некоторый доход в соответствии с ценой, определенной в контракте с коммунальной компанией.

Эксперимент контролируется и программируется программируемым логическим контроллером который непрерывно собирает и классифицирует все данные, поступающие от различных компонентов, отслеживая желаемые параметры для обеспечения запланированной автоматизированной последовательности операций.

Контроль осуществляется над следующими элементами:

Инвертор

Это устройство преобразует постоянный ток, вырабатываемый фотоэлектрическими панелями, в переменный ток, потребляемый домом. Он также отслеживает мощность, вырабатываемую фотоэлектрическими панелями, состояние заряда батарей, а также мощность их заряда и разряда, мощность, импортируемую и экспортируемую в сеть, мощность и энергопотребление дома и мощность, вырабатываемую топливным элементом. Инвертор взаимодействует с программным обеспечением.

Электролизер

Система очистки воды работает автоматически до тех пор, пока резервуар для воды не наполнится, и во время работы электролизер перекачивает воду. При возникновении разных факторов, устройство отключают. Программное обеспечение взаимодействует с электролизером с помощью интерфейса MODBUS TCP.

Компрессор

Агрегат работает на поршне с возвратно-поступательным движением с электрическим приводом и имеет два разных отделения - камеру низкого давления и камеру высокого давления. В связи с этим компрессор регистрирует давление на входе (равное давлению в буферном резервуаре) и на выходе (резервуар высокого давления). Компрессор запускается при давлении в буферном резервуаре ≥ 34 бар. И давлении в резервуаре высокого давления <300 бар и останавливается при давлении в резервуаре высокого давления ≥ 300 бар.

Топливный элемент

Если топливный элемент запускается из-за SOC ≤ 20%, он остановится при SOC ≥ 35%. Напротив, если топливный элемент активируется из-за того, что аккумулятор не может обеспечить потребности дома, топливный элемент отключается через 5 минут после того, как потребление электроэнергии в доме составит <2500 Вт. Это время определено для предотвращения возможных переходных потоков энергии, которые могут вызвать многократные циклы запуска или остановки топливного элемента.

Перед внедрением системы и размещением оборудования в его окончательном местоположении необходимо обеспечить установку необходимой гражданской инфраструктурой. В этом случае должны быть соблюдены правила по хранению водорода, а также стандарты для топливных элементов и электролизеров воды.

Новая система способна покрывать все потребности социального жилья в электроэнергии и даже генерировать излишки энергии, которые могут быть использованы для получения дополнительных доходов при продаже их сетевой компании.

Дополнительная энергия используется для выработки, очистки, сжатия и хранения водорода в середине дня, при этом электролизер является основным потребителем энергии среди оборудования, составляющего цепочку создания стоимости водорода.

До сих пор пилотная установка работала замечательно, достигая очень многообещающих результатов с точки зрения эффективности, экономии первичной энергии, предотвращения выбросов и экономии средств.

Исследование продемонстрировало, как внедряется и работает гибридная энергетическая система. В результате были получены новые знания в проектировании и моделировании с учетом реалий текущего рынка, бесперебойной работы, автоматизации, контроля и непрерывного мониторинга всего процесса. Были изучены возможности при применении водорода и его гибридизации с фотоэлектрической энергией для устойчивого снабжения социального жилья.

Масштабное и модульное решение может удовлетворить потребности в электричестве для критически важных инфраструктур, удаленных домовладений и изолированных зданий. Начать можно с накопителя VOLTS, представляющего собой современную и функциональную разработку для любого дома.