Ipari méretű elektrolizáló optimális üzemét meghatározó algoritmusok hatékonyságának vizsgálata
Jelenleg az egyik legnagyobb tudományos, mérnöki és gazdasági kihívás a fenntartható fejlődésre történő átállás megtervezése és megvalósítása. Sok más alternatív megoldás mellett a hidrogén alapú technológiáknak kulcsfontosságú szerep juthat a megújuló energiaforrások rendszerbe történő integrációjában.
Ezen technológiákon belül az egyik legjobban kutatott és fejlesztett berendezések az ipari méretű elektrolizálók. A témában számtalan, a részfolyamatokat elméletileg és/vagy kísérletileg vizsgáló, a fizikai megvalósításokat értékelő, vagy a lehetséges alkalmazásokat tárgyaló publikáció olvasható. Kevés kutatás érhető el azonban az egyes alkalmazások pénzügyi modellezéséről és a használt optimalizálási modellek hatékonyságáról. Az áttekintett cikkek között az optimalizálást lineáris programozási feladatként [1] vagy vegyes-egészértékű programozási feladatként [2] oldották meg. A felhasznált modellek nem vették figyelembe a cellák degradációját és a protoncserélő membrános (PEM) elektrolizálók nemlineáris termelési karakterisztikáját.
A dolgozatomban ezért különböző komplexitású modellek lehetséges optimalizálási algoritmusait és azok hatékonyságát vizsgáltam meg. A legegyszerűbb modellben állandó átalakítási hatásfokot (lineáris termelési karakterisztikát) feltételeztem, valamint elhanyagoltam a cellák degradációját. Ezután megvizsgáltam az optimalizálási lehetőségeket abban az esetben, ha a modell figyelembe veszi a nemlineáris termelési karakterisztikát, a cella degradációt vagy mindkét tapasztalati tényt egyszerre. Minden modellváltozat esetén az optimalizálást elvégeztem egészértékű programozási feladatként és az általam specifikusan a feladatra konstruált algoritmussal.
A lineáris, degradáció nélküli esetben az adott óra profit függvénye monoton tulajdonságú, ezért az optimalizáció egy változóra, a legkisebb indulási profit meghatározására redukálható. Nemlineáris termelési karakterisztikát feltételezve bizonyos villamosenergia ár fölött a profit függvény elveszíti a monotonitását, így az optimum a függvény deriváltjának segítségével határozható meg. Ezután a feladat szintén egy változóra egyszerűsödik, ami miatt ezek a módszerek jelentősen gyorsabb, mint a több ezer változós egészértékű programozási feladatok megoldása. A cella degradáció figyelembevételével az optimalizálási feladat nemlineáris, azonban az órás profit függvények monotonitási tulajdonságai részben megmaradnak. A profit alsó és felső korlát közé szorítható, amivel a változók száma redukálható és a megmaradt változókra szigorúbb korlát adható így a keresési tér szűkülése jelentősen gyorsítja a nemlineáris optimalizálást.
Irodalom:
[1] Josh Eichman, Mariya Koleva, Omar J. Guerra, Brady McLaughlin, Optimizing an Integrated Renewable-Electrolysis System, National Renewable Energy Laboratory, 2020
[2] Christopher Varela, Mahmoud Mostafa, Edwin Zondervan, Modeling alkaline water electrolysis for power-to-x applications: A scheduling approach, International Journal of Hydrogen Energy, 2021
szerző
-
Zsiborás Zalán Tas
Energetikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Mayer Martin János
adjunktus, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
