Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Thiết kế tối ưu cho một cơ sở lưu trữ hydro vi mô hybrid tại Ả Rập Xê-út
Tóm tắt
Phát triển bền vững đòi hỏi phải tiếp cận với năng lượng giá cả phải chăng, đáng tin cậy và hiệu quả để nâng cao đời sống của hàng tỷ người thoát khỏi đói nghèo và cải thiện tiêu chuẩn sống của họ. Việc phát triển các hình thức năng lượng mới và tái tạo với mức khí thải CO2 thấp có thể không diễn ra đủ nhanh hoặc với mức giá cho phép người dân có được tiêu chuẩn sống mà họ mong muốn và xứng đáng. Do đó, một con đường song song tới sự bền vững cần được phát triển với việc áp dụng cả phương pháp tái tạo và carbon sạch. Microgrid lai được thúc đẩy để giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến điện và năng lượng, kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo như quang điện, gió, phát điện diesel hoặc sự kết hợp của các nguồn này. Việc sử dụng microgrid trong sản xuất điện mang lại nhiều lợi ích bao gồm năng lượng sạch, tăng cường tính ổn định của lưới điện và giảm tắc nghẽn. Tuy nhiên, bất chấp những lợi ích này, microgrid không thường được triển khai vì những lo ngại về kinh tế. Để giải quyết những lo ngại tài chính này, cần khám phá cấu hình lý tưởng của microgrid dựa trên số lượng, chất lượng và tính khả dụng của các nguồn năng lượng bền vững được sử dụng để lắp đặt microgrid và thiết kế tối ưu của các thành phần microgrid. Những yếu tố này được phản ánh trong giá trị hiện tại ròng và chi phí năng lượng mức hóa. HOMER đã được sử dụng để mô phỏng nhiều cấu hình hệ thống và chọn giải pháp khả thi nhất theo giá trị hiện tại ròng, chi phí mức hóa năng lượng và hydro, chi phí vận hành, và tỷ lệ năng lượng tái tạo. HOMER đã thực hiện quy trình thuật toán lặp lại để xác định cấu hình và tham số hệ thống khả thi nhất với chi phí kinh tế thấp nhất và lợi ích cao nhất để đạt được một cấu hình hệ thống thực tế khả thi. Bài báo này nhằm mục đích xây dựng một hệ thống microgrid hiệu quả chi phí cho thành phố Yanbu của Ả Rập Xê-út sử dụng năm cấu hình khác nhau với năng lượng dư thừa để sản xuất hydro. Các kết quả thu được cho thấy cấu hình tối ưu cho khu vực xác định là một microgrid lai quang điện/gió/bình ắc quy/máy phát điện/pin nhiên liệu/máy điện phân hydro với giá trị hiện tại ròng và chi phí năng lượng mức hóa lần lượt là 10,6 tỷ đô la và 0,15 đô la/kWh. Với chi phí phát điện từ năng lượng mặt trời và gió đang giảm, việc xây dựng các máy điện phân ở những địa điểm có điều kiện tài nguyên tái tạo tốt, như Ả Rập Xê-út, có thể trở thành một lựa chọn cung cấp hydro giá rẻ, ngay cả khi tính đến chi phí truyền tải và phân phối hydrô từ các địa điểm tài nguyên tái tạo tới người tiêu dùng cuối. Cấu hình tối ưu có thể sản xuất lên tới 32.132 tấn hydro mỗi năm (tH2/năm), và 380.824 tấn khí thải CO2 mỗi năm có thể được tránh.
Từ khóa
#microgrid #phát điện #năng lượng tái tạo #lưu trữ hydro #Ả Rập Xê-útTài liệu tham khảo
(2021) World Energy Outlook 2021. OECD
Ritchie H, Roser M (2020) CO2 and greenhouse gas emissions. Our World Data 1
Das HS, Tan CW, Yatim AHM (2017) Fuel cell hybrid electric vehicles: a review on power conditioning units and topologies. Renew Sustain Energy Rev 76:268–291. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.056
Segura F, Andújar JM (2015) Step by step development of a real fuel cell system. Design, implementation, control and monitoring. Int J Hydrogen Energy 40:5496–5508. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.01.178
Tie SF, Tan CW (2013) A review of energy sources and energy management system in electric vehicles. Renew Sustain Energy Rev 20:82–102. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.077
Bizon N, Oproescu M, Raceanu M (2015) Efficient energy control strategies for a standalone renewable/fuel cell hybrid power source. Energy Convers Manag 90:93–110. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.11.002
Rozali NEM, Alwi SRW, Manan ZA et al (2014) Optimal sizing of hybrid power systems using power pinch analysis. J Clean Prod 71:158–167
Mohammed A, Pasupuleti J, Khatib T, Elmenreich W (2015) A review of process and operational system control of hybrid photovoltaic/diesel generator systems. Renew Sustain Energy Rev 44:436–446. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.12.035
Veilleux G, Potisat T, Pezim D et al (2020) Techno-economic analysis of microgrid projects for rural electrification: a systematic approach to the redesign of Koh Jik off-grid case study. Energy Sustain Dev 54:1–13. https://doi.org/10.1016/j.esd.2019.09.007
Klemm C, Vennemann P (2021) Modeling and optimization of multi-energy systems in mixed-use districts: a review of existing methods and approaches. Renew Sustain Energy Rev 135:110206. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110206
Alzahrani AM, Zohdy M, Yan B (2021) An overview of optimization approaches for operation of hybrid distributed energy systems with photovoltaic and diesel turbine generator. Electr Power Syst Res 191:106877. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2020.106877
Bukar AL, Tan CW (2019) A review on stand-alone photovoltaic-wind energy system with fuel cell: system optimization and energy management strategy. J Clean Prod 221:73–88. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.02.228
Roy A, Auger F, Olivier J-C et al (2020) Design, sizing, and energy management of microgrids in harbor areas: a review. Energies 13(20):5314. https://doi.org/10.3390/en13205314
Babatunde OM, Munda JL, Hamam Y (2020) A comprehensive state-of-the-art survey on hybrid renewable energy system operations and planning. IEEE Access 8:75313–75346. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2988397
Singh R, Bansal RC (2018) Review of HRESs based on storage options, system architecture and optimisation criteria and methodologies. IET Renew Power Gener 12:747–760. https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2017.0603
Kharrich M, Kamel S, Alghamdi AS et al (2021) Optimal design of an isolated hybrid microgrid for enhanced deployment of renewable energy sources in Saudi Arabia. Sustainability 13(9):4708. https://doi.org/10.3390/su13094708
Kharrich M, Kamel S, Abdeen M et al (2021) Developed approach based on equilibrium optimizer for optimal design of hybrid PV/wind/diesel/battery microgrid in Dakhla, Morocco. IEEE Access 9:13655–13670. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3051573
Fathy A, Kaaniche K, Alanazi TM (2020) Recent approach based social spider optimizer for optimal sizing of hybrid PV/wind/battery/diesel integrated microgrid in Aljouf Region. IEEE Access 8:57630–57645. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2982805
British Petroleum (2009) Statistical Review of World Energy, Full Report 2009
Department SR (22021) Saudi Arabia: electricity generation capacity 2020 | Statista
(2018) Solar Penetration in the Saudi Power System. In: All Answers Ltd.
AlOtaibi ZS, Khonkar HI, AlAmoudi AO, Alqahtani SH (2020) Current status and future perspectives for localizing the solar photovoltaic industry in the Kingdom of Saudi Arabia. Energy Transitions 4:1–9. https://doi.org/10.1007/s41825-019-00020-y
Saudi Arabia is set to be a major player in hydrogen | Arab News. https://www.arabnews.com/node/1899276. Accessed 20 Dec 2021
Malik A (2021) Assessing the cost feasibility of solar projects in Canada using the RETScreen Expert software
Ishraque MF, Shezan SA, Nur JN, Islam MS (2021) Optimal sizing and assessment of an islanded photovoltaic -battery- diesel generator microgrid applicable to a remote school of Bangladesh. Eng Rep 3:e12281. https://doi.org/10.1002/eng2.12281
Magnier L, Haghighat F (2010) Multiobjective optimization of building design using TRNSYS simulations, genetic algorithm, and Artificial Neural Network. Build Environ 45:739–746. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2009.08.016
Shaikh JA (2021) Techno-economic sizing and optimization of microgrid; a case study of a higher education institution. Int J Electr Eng Emerg Technol 4:37–40
Lambert T, Gilman P, Lilienthal P (2006) Micropower system modeling with HOMER. Integr Altern Sources Energy 1:379–385
Yang H, Zhou W, Lu L, Fang Z (2008) Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar–wind system with LPSP technology by using genetic algorithm. Sol Energy 82:354–367. https://doi.org/10.1016/j.solener.2007.08.005
Maleki A, Askarzadeh A (2014) Optimal sizing of a PV/wind/diesel system with battery storage for electrification to an off-grid remote region: a case study of Rafsanjan, Iran. Sustain Energy Technol Assess 7:147–153
Heydari A, Askarzadeh A (2016) Optimization of a biomass-based photovoltaic power plant for an off-grid application subject to loss of power supply probability concept. Appl Energy 165:601–611. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.12.095
Al-Sharafi A, Sahin AZ, Ayar T, Yilbas BS (2017) Techno-economic analysis and optimization of solar and wind energy systems for power generation and hydrogen production in Saudi Arabia. Renew Sustain Energy Rev 69:33–49. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.157
Kalinci Y, Hepbasli A, Dincer I (2015) Techno-economic analysis of a stand-alone hybrid renewable energy system with hydrogen production and storage options. Int J Hydrogen Energy 40:7652–7664. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.10.147
Merei G, Berger C, Sauer DU (2013) Optimization of an off-grid hybrid PV–Wind–Diesel system with different battery technologies using genetic algorithm. Sol Energy 97:460–473
Fu R, Feldman D, Margolis R et al (2017) US solar photovoltaic system cost benchmark: Q1 2017. EERE Publication and Product Library, Washington, DC (United States)
Ralon P, Taylor M, Ilas A, et al (2017) Electricity storage and renewables: costs and markets to 2030. Int Renew Energy Agency Abu Dhabi, UAE
Schmidt O, Gambhir A, Staffell I et al (2017) Future cost and performance of water electrolysis: an expert elicitation study. Int J Hydrogen Energy 42:30470–30492
Satyapal S. 2018 Annual Progress Report: DOE Hydrogen and Fuel Cells Program. United States.
Nykvist B, Nilsson M (2015) Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles. Nat Clim Change 5:329–332
Guangqian D, Bekhrad K, Azarikhah P, Maleki A (2018) A hybrid algorithm based optimization on modeling of grid independent biodiesel-based hybrid solar/wind systems. Renew Energy 122:551–560. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.02.021
Ramli MAM, Bouchekara HREH, Alghamdi AS (2018) Optimal sizing of PV/wind/diesel hybrid microgrid system using multi-objective self-adaptive differential evolution algorithm. Renew Energy 121:400–411. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.01.058
Zeng K, Zhang D (2010) Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications. Prog Energy Combust Sci 36:307–326
Barton J, Gammon R (2010) The production of hydrogen fuel from renewable sources and its role in grid operations. J Power Sources 195:8222–8235. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.12.100
Ursua A, Gandia LM, Sanchis P (2011) Hydrogen production from water electrolysis: current status and future trends. Proc IEEE 100:410–426
Abdin Z, Mérida W (2019) Hybrid energy systems for off-grid power supply and hydrogen production based on renewable energy: a techno-economic analysis. Energy Convers Manag 196:1068–1079
Millet P, Grigoriev S (2013) Water electrolysis technologies. In: Renewable Hydrogen Technologies, Storage: Production, Purification, Storage, Applications and Safety. pp 19–41
James BD, Houchins C, Huya-Kouadio JM, DeSantis DA (2016) hydrogen storage system cost analysis. Strategic Analysis Inc., Arlington, VA (United States)
Basha JS, Jafary T, Vasudevan R et al (2021) Potential of utilization of renewable energy technologies in gulf countries. Sustain 13:10261. https://doi.org/10.3390/su131810261
Alabdali QA, Nahhas AM (2021) Simulation study of grid connected photovoltaic system using PVsyst Software: analytical study for Yanbu and Rabigh Regions in Saudi Arabia. Am J Energy Res 9:30–44. https://doi.org/10.12691/ajer-9-1-4
Retail fuels | Aramco
Decarbonizing U.S. Power | center for climate and energy solutions. https://www.c2es.org/document/decarbonizing-u-s-power/. Accessed 20 Dec 2021
Sources of Greenhouse Gas Emissions | US EPA. https://www.epa.gov/ghgemissions/sources-greenhouse-gas-emissions. Accessed 20 Dec 2021
Cloete S, Ruhnau O, Hirth L (2021) On capital utilization in the hydrogen economy: the quest to minimize idle capacity in renewables-rich energy systems. Int J Hydrogen Energy 46:169–188. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.09.197