Автономная гидроэнергетическая установка для производства электричества и водорода

Abstract

Актуальность. Основным ограничением широкого распространения водородной энергетики является дороговизна производства водорода. «Зелёная» технология получения водорода основана на электролизе воды с большим расходом электроэнергии, получаемой от экологически чистых, например, возобновляемых энергоисточников. Для улучшения технико-экономических характеристик электролиза воды нужна дешёвая электроэнергия или техническая необходимость сброса её части в балластные нагрузки для стабилизации режима генерирующего энергоисточника, что характерно для энергоустановок возобновляемой энергетики. Цель. Предлагается использовать в качестве балласта для стабилизации режима работы микро-гидроэлектростанции (микро-ГЭС) регулируемый электролизёр для формирования управляющего момента для гидроагрегата и получения водорода. Учитывая это обстоятельство, а также низкую стоимость электроэнергии микро-ГЭС - на порядок меньше ветровой и солнечной, представляется актуальной задача создания гибридной энергоустановки, производящей электроэнергию и водород с использованием гидравлического потенциала малых рек в качестве первичного энергоисточника для генерации электроэнергии и речной воды - в качестве сырья для электролизного производства водорода. Цель исследования - техникоэкономическое обоснование комбинированного производства электроэнергии и водорода на микро-ГЭС с балластной стабилизацией рабочего режима. Методы: аналитические методы в области построения систем энергоснабжения потребителей. Результаты. Установлено, что предложенная структура гидроэлектростанции с использованием электролизёра с полимерными электролитными мембранами (PEM-типа) обеспечивает относительно дешевую электроэнергию, а также производит водород по низкой стоимости, примерно 0,99 USD/кг. В статье предлагается использование в качестве балластной нагрузки электролизёра и оригинальный способ его эксплуатации для эффективного распределения электроэнергии микро-ГЭС, часть которой реализуется для создания управляющего тормозного момента гидроагрегата и в обычных гидро-энергоустановках теряется в виде тепла, рассеиваемого на балластных резисторах

Relevance. The primary limitation to the widespread adoption of hydrogen energy lies in the high cost of hydrogen production. The "green" technology for hydrogen production is based on water electrolysis, which requires a significant amount of electricity, typically sourced from environmentally friendly, renewable energy sources. To improve the technical and economic performance of water electrolysis, either cheap electricity or the technical necessity to divert part of it to ballast loads for stabilizing the operating mode of the energy source is required, a scenario often observed in renewable energy systems. This work proposes the use of an electrolyzer as a ballast to produce hydrogen. Considering this approach, along with the low cost of electricity generated by micro-hydropower plants an order of magnitude lower than that of wind and solar energy the task of developing a hybrid energy system becomes highly relevant. This system would produce both electricity and hydrogen, utilizing the hydraulic potential of small water streams as the primary energy source for electricity generation and using water as the raw material for hydrogen production via electrolysis. Aim. To provide a technical and economic justification for the combined production of electricity and hydrogen at a micro-hydroelectric power plant with ballast stabilization of the operating mode Methods. Analytical methods in the field of designing energy supply systems for consumers. Results. It is found out that the proposed system for hydroelectric power plant using the electrolyzer with polymer electrolyte membranes based electrochemical analyzer provides relatively cheap electricity and also produces hydrogen at low cost, approximately 0.99 USD/kWh. The paper proposes the use of electrochemical analyzer and its method of operation for efficient utilization of energy that is lost in nature in the form of ballast load