References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2023.11.073-088

alternative-2318

Research Article

IV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономика

IV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen Economy

Архитектура системы управления производством водорода на ГЭС

Architecture of the hydrogen production control system at the hydrogen power plant

https://orcid.org/0009-0000-2615-3388

Шемякина

А. А.

Shemyakina

A. A.

Александра Александровна Шемякина, магистрант

Высшая школа бизнес-инжиниринга

195251; ул. Политехническая, д. 29, литера Б.; Санкт-Петербург, вн. тер. г. Муниципальный Округ Академическое

Образование: Санкт-Петербургский гуманитарный университет профсоюзов, 2022; Область научных интересов: альтернативная энергетика, архитектура предприятия, управление бизнес-процессами; Публикации: 3; WoS Researcher ID: KBD-3764-2024

Тел.: +7-918-664-31-46

Alexandra Alexandrovna Shemyakina, Master's student

Graduate School of Business Engineering

195251; Polytechnicheskaya, 29, building B.; St. Petersburg

Education: St. Petersburg Humanitarian University of Trade Unions 2022; Research area: alternative energy, enterprise architecture, business process management; Publications: 3; WoS Researcher ID: KBD-3764-2024

Tel: +7-918-664-31-46

shemyakina_aa@spbstu.ru

https://orcid.org/0000-0002-4822-6768

Лёвина

А. И.

Levina

A. I.

Анастасия Ивановна Лёвина, профессор, с. н. с.

Высшая школа бизнес-инжиниринга

"Междисциплинарные исследования и образование по технологическим и экономическим проблемам энергетического перехода (CIRETEC-GT)"

195251; ул. Политехническая, д. 29, литера Б.; Санкт-Петербург, вн. тер. г. Муниципальный Округ Академическое

Образование: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) 2005 г.; Область научных интересов: управление процессами, управление проектами, архитектура предприятия, бизнес-инжиниринг, цифровые технологии в бизнесе; Публикации: более 150; РИНЦ: 27; Scopus: 19; Researcher ID: K-7449-2015; Scopus ID: 57210345222

Тел.: +7-921-3561462

Anastasia Ivanovna Levina, Professor, Senior Researcher

Graduate School of Business Engineering

laboratory CIRETEC-GT

195251; Polytechnicheskaya, 29, building B.; St. Petersburg

Education: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University 200; Research area: process management, project management, enterprise architecture, business engineering, digital technologies in business; Publications: more than 150; RSCI: 27; Scopus: 19; Researcher ID: K-7449-2015; Scopus ID: 5721034522

Tel.: +7-921-3561462

alyovina@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-4363-9352

Кораблёв

В. В.

Korablev

V. V.

Вадим Васильевич Кораблев, доктор физико-математических наук, профессор

195251; ул. Политехническая, д. 29, литера Б.; Санкт-Петербург, вн. тер. г. Муниципальный Округ Академическое

Образование: Ленинградский политехнический институт имени М.А. Калинина (ЛПИ) 1970; Область научных интересов: физическая электроника, физика и диагностика поверхности, СВЧ электроника, возобновляемая энергетика, альтернативная энергетика; Публикации: более 250; h-index: 6; WoS Researcher ID: AEM-2800-2022

Тел.: +7-921-3561462

Vadim Vasilyevich Korablev, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

195251; Polytechnicheskaya, 29, building B.; St. Petersburg

Education: Leningrad Polytechnic Institute named after M.A. Kalinin (LPI) 1970; Research area: physical electronics, surface physics and diagnostics, microwave electronics, renewable energy, alternative energy; Publications: more than 250; h-index: 6; WoS Researcher ID: AEM-2800-2022

https://orcid.org/0000-0003-4660-6289

Лепехин

А. А.

Lepekhin

A. A.

Александр Андреевич Лепехин, доцент

Высшая школа бизнес-инжиниринга

Диалог Информационные Технологии

195251; ул. Политехническая, д. 29, литера Б.; Санкт-Петербург, вн. тер. г. Муниципальный Округ Академическое

Образование: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) 2017; Область научных интересов: управление ИТ-сервисами, управление ИТ-проектами, архитектура предприятия; Публикации: более 50; РИНЦ: 11; Scopus: 9; Researcher ID: AAK-4216-2021; Scopus ID: 57195759614

Alexander Andreevich Lepekhin, Docent

Graduate School of Business Engineering

195251; Polytechnicheskaya, 29, building B.; St. Petersburg

Education: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University 2017; Research area: IT service management, IT project management, enterprise architecture; Publications: more than 50; RSCI: 11; Scopus: 9; Researcher ID: AAK-4216-2021; Scopus ID: 57195759614

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation

2023

09042024

0117388

2024

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2318

Водород широко рассматривается как «чистый» источник энергии в условиях повестки энергетического перехода. В статье предлагается модель автоматизации производства т. н. «зелёного» водорода на базе ГЭС. Производство водорода с помощью ГЭС обеспечивается наличием спадов в графике суточного энергопотребления, что обеспечивает использование резервных возможностей ГЭС. Водород получается методом электролиза с помощью электролизера и энергии ВИЭ. С целью оптимизации производства аппаратные датчики, находящиеся в электролизере и на плотине ГЭС, интегрируются между собой для сбора данных, что влечёт соответствующий реинжиниринг информационной системы, поддерживающей процесс энергопроизводства. Также на основе анализа данных и применения методов машинного обучения будет осуществляться нахождение оптимального уровня выработки водорода с учётом имеющегося количества энергии от ВИЭ. Результатом статьи является комплекс модельных описаний архитектуры системы производства водорода на ГЭС в период провала энергопотребления, возможного к реализации за счёт гибкого управления резервной мощностью на основе применения IoT и машинного обучения.

Hydrogen is widely considered as a "clean" source of energy in the conditions of the energy transition agenda. The paper proposes a model of automation of so-called "green" hydrogen production on the basis of hydroelectric power plants. Hydrogen production by means of HPPs is ensured by the presence of dips in the schedule of daily energy consumption, which ensures the use of reserve capacities of HPPs. Hydrogen is produced by electrolysis using an electrolyzer and RES energy. In order to optimize the production, ap-hardware sensors located in the electrolyzer and in the dam of the HPP are integrated with each other for data collection, which entails a corresponding reengineering of the information system supporting the energy production process. Also on the basis of data analysis and application of machine learning methods the optimal level of hydrogen production will be found taking into account the available amount of energy from RES. The result of the article is a set of model descriptions of the architecture of the hydrogen production system at the hydroelectric power plant during the period of power consumption failure, which can be realized due to flexible management of reserve capacity on the basis of IoT and machine learning.

зеленый водородГЭСавтоматизациягибкое управлениеMachine LearningВИЭархитектура систем

green hydrogenhydropowerautomationflexible controlMachine LearningRESsystem architecture

Это исследование было выполнено Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках мегагранта «Технологические вызовы и социально-экономическая трансформация в условиях энергетических переходов» (Соглашение № 075-15- 2022-1136 от 01. 07. 2022).

This study was done St. Petersburg Polytechnic University Peter the Great with the support of the Ministry science and higher education of the Russian Federation within the framework of the megagrant “Technological challenges and socio-economic transformation in the conditions energy transitions" (Agreement No. 075-15- 2022-1136 dated 07/01/2022)

References1

Russia’s Energy Overview 2021. U.S. Energy Information Administration [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.eia.gov/international/analysis/country/RUS (дата обращения: 17. 08. 2023).

Russia’s Energy Overview 2021. U.S. Energy Information Administration [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://www.eia.gov/international/analysis/country/RUS (data obrashcheniya: 17. 08. 2023).

Общее потребление электроэнергии. Enerdata [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://energystats.enerdata.net/total-energy/world-consumption-statistics.html (дата обращения: 17. 08. 2023).

Obshchee potreblenie ehlektroehnergii. Enerdata [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://energystats.enerdata.net/total-energy/world-consumption-statistics.html (data obrashcheniya: 17. 08. 2023).

Мировая энергетика. ИНФОТЭК [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://itek.ru/reviews/mirovaya-energetika/ (дата обращения: 17. 08. 2023).

Mirovaya ehnergetika. INFOTEHK [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://itek.ru/reviews/mirovaya-energetika/ (data obrashcheniya: 17. 08. 2023).

CO2 Emissions in 2022. International Energy Agency (IEA) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://iea.blob.core.windows.net/assets/3c8fa115-35c4-4474-b237-1b00424c8844/CO2Emissionsin2022.pdf (дата обращения: 17. 08. 2023).

CO2 Emissions in 2022. International Energy Agency (IEA) [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://iea.blob.core.windows.net/assets/3c8fa115-35c4-4474-b237-1b00424c8844/CO2Emissionsin2022.pdf (data obrashcheniya: 17. 08. 2023).

David Jure Jovan, Gregor Dolanc , Bostjan Pregelj. Utilization of excess water accumulation for green hydrogen production in a run-of-river hydropower plant / Renewable Energy /. – 2022. P. 780-794.

David Jure Jovan, Gregor Dolanc , Bostjan Pregelj. Cogeneration of green hydrogen in a cascade hydropower plant / Energy Conversion and Management: X /. – 2021. – 12 p.

Biraj Singh Thapa, Bishwash Neupane, Hoseong Yang, Young-Ho Lee. Green hydrogen potentials from surplus hydro energy in Nepal / International Journal of Hydgrogen Energy /. - 2021. – p. 22256 – 22267.

Valerijs Kobzars, Laila Zemite, Aivo Jasevics, Janis Kleperis, Ilze Dimanta, Ainars Knoks, Peteris Lesnicenoks. Appropriateness of Hydrogen Production in LowPower Hydropower Plant / 2021 IEEE 62nd International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON) /. - 2021. – 6 p.

Thanh Tuan Le, Prabhakar Sharma, Bhaskor Jyoti Bora, Viet Dung Tran, Thanh Hai Truong, Huu Cuong Le, Phuoc Quy Phong Nguyen. Fueling the future : A comprehensive review of hydrogen energy systems and their challenges / International Journal of Hydrogen Energy /. – 2023. – 26 p.

S.Z. Zhiznin, N.N. Shvets, V.M. Timokhov, A.L. Gusev. Economics of hydrogen energy of green transition in the world and Russia. Part I / International Journal of Hydrogen Energy /. – 2023. P. 21544-21567.

Ezgi Bayrakdar Ates, Eyup Calik. Public awareness of hydrogen energy: A comprehensive evaluation based on statistical approach / International Journal of Hydrogen Energy/. – 2023. P. 8756 – 8767.

Gagan Deep Sharma, Mahesh Verma, Babak Taheri, Ritika Chopra, Jaya Singh Parihar. Socio-economic aspects of hydrogen energy : An integrative review / Technological Forecasting & Social Change /. – 2023. – 19 p.

Rupali Nagar, Sumita Srivastava, Sterlin Leo Hudsonc, Sandra L. Amaya, Ashish Tannae, Meenu Sharmaf, Ramesh Achayalingamc, Sanjiv Sonkaria, Varsha Khare, Sesha S. Srinivasan. Recent developments in state-of-the-art hydrogen energy technologies – Review of hydrogen storage materials / Solar Compass /. – 2023. – 34 p.

Caineng Zoua, Jianming Lia, Xi Zhangb, Xu Jina, Bo Xionga, Huidi Yua, Xiaodan Liua, Shanyu Wanga, Yiheng Lia, Lin Zhanga, Sheng Miaoa, Dewen Zhenga, Hongjun Zhoub, Jiani Songa & Songqi Pana. Industrial status, technological progress, challenges, and prospects of hydrogen energy / Natural Gas Industry /. – 2022. P. 427 – 447.

Omer Faruk Noyan, Muhammad Mahmudul Hasan, Nezih Pala. A global review of the Hydrogen Energy Eco-System /Energies/. – 2023. – 22 p.

Alper Cicek. Multi-Objective Operation Strategy for a Community with RESs, Fuel Cell EVs and Hydrogen Energy System Considering Demand Response / Sustainable Energy Technologies and Assessments /. – 2023. – 13 p.

Chenjia Feng , Chengcheng Shao, Member, Yunpeng Xiao , Zhaoyang Dong, and Xifan Wang. Day-Ahead Strategic Operation of Hydrogen Energy Service Providers / IEEE transactions on smart grid/. – 2022. P. 3493-3507.

Kay Bareißa, Cristina de la Ruaa, Maximilian Möcklb, Thomas Hamachera. Life cycle assessment of hydrogen from proton exchange membrane water electrolysis in future energy systems /Applied Energy /. – 2019. P. 862 – 872.

Shan Wang, Aolin Lu and Chuan‑Jian Zhong. Hydrogen production from water electrolysis, role of catalysts / Nano Convergence /. – 2021. – 23 p.

S. Shiva Kumar, Hankwon Lim. An overview of water electrolysis technologies for green hydrogen production / Energy Reports /. – 2022. P. 13793 – 13813.

Towards a GW industry - Fraunhofer ISE provides a deep-in cost analysis for water electrolysis systems. Fraunhofer ISE [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2022/towards-a-gw-industry-fraunhofer-ise-provides-a-deep-in-cost-analysis-for-water-electrolysis-systems.html (дата обращения: 20. 08. 2023).

[21]. Towards a GW industry - Fraunhofer ISE provides a deep-in cost analysis for water electrolysis systems. Fraunhofer ISE [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2022/towards-a-gw-industry-fraunhofer-ise-provides-a-deep-in-cost-analysis-for-water-electrolysis-systems.html (data obrashcheniya: 20. 08. 2023).

Subramani Krishnan, Vinzenz Koning, Matheus Theodorus de Groot, Arend de Groot, Paola Granados Mendoza, Martin Junginger, Gert Jan Kramer. Present and future cost of alkaline and PEM electrolyser stacks / International Journal of Hydrogen Energy /. - 2023. – 18 p.

Bowen Yang, Ruofan Zhang, Zhifang Shao, Cunman Zhang. The economic analysis for hydrogen production cost towards electrolyzer technologies: Current and future competitiveness / International Journal of Hydrogen Energy /. – 2023. P. 13767 - 13779.

Green hydrogen cost reduction scaling up electrolysers to meet the 1.5°c h climate goal / IRENA / - 2020. – 106 p.

Guidehouse Insights Anticipates the Global Electrolyzer Capacity Will Grow at a Compound Annual Growth Rate of 78 % Through 2031. Hydrogen Central [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://hydrogen-central.com/guidehouse-insights-global-electrolyzer-capacity-growth-rate-78-2031/ (дата обращения: 20. 08. 2023).

Guidehouse Insights Anticipates the Global Electrolyzer Capacity Will Grow at a Compound Annual Growth Rate of 78% Through 2031. Hydrogen Central [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://hydrogen-central.com/guidehouse-insights-global-electrolyzer-capacity-growth-rate-78-2031/ (data obrashcheniya: 20. 08. 2023).

Siemens Energy to start production of hydrogen electrolyzers in Berlin. Siemens Energy [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://press.siemens-energy.com/global/en/pressrelease/siemens-energy-start-production-hydrogen-electrolyzers-berlin (дата обращения: 21. 08. 2023).

Siemens Energy to start production of hydrogen electrolyzers in Berlin. Siemens Energy [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://press.siemens-energy.com/global/en/pressrelease/siemens-energy-start-production-hydrogen-electrolyzers-berlin (data obrashcheniya: 21. 08. 2023).

Green hydrogen: thyssenkrupp expands production capacities for water electrolysis to gigawatt scale. Thyssenkrupp [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/en/media/press-releases/thyssenkrupp-expands-production-capacities-for-water-electrolysis-plants (дата обращения: 21. 08. 2023).

Green hydrogen: thyssenkrupp expands production capacities for water electrolysis to gigawatt scale. Thyssenkrupp [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/en/media/press-releases/thyssenkrupp-expands-production-capacities-for-water-electrolysis-plants (data obrashcheniya: 21. 08. 2023).

В Росатоме разработали модельный ряд электролизных установок для производства водорода. Росатом [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.rosatom.ru/journalist/news/v-rosatome-razrabotali-modelnyy-ryad-elektroliznykh-ustanovok-dlya-proizvodstva-vodoroda/ (дата обращения: 21. 08. 2023).

V Rosatome razrabotali model'nyi ryad ehlektroliznykh ustanovok dlya proizvodstva vodoroda. Rosatom [Ehlektronnyi resurs]. – Rezhim dostupa: https://www.rosatom.ru/journalist/news/v-rosatome-razrabotali-modelnyy-ryad-elektroliznykh-ustanovok-dlya-proizvodstva-vodoroda/ (data obrashcheniya: 21. 08. 2023).

Ильин И.В. Архитектура предприятия как ключевой фактор стратегического развития предприятия // Наука и бизнес: пути развития, 2016, № 12 (66), С. 69–72.

Il'in I.V. Arkhitektura predpriyatiya kak klyuchevoi faktor strategicheskogo razvitiya predpriyatiya // Nauka i biznes: puti razvitiya, 2016, № 12 (66), S. 69–72.

The Open Group TOGAF, 10th Edition 2022.

Lankhorst, M. Enterprise Architecture at Work; The Enterprise Engineering Series; Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, 2013; ISBN 978-3-642-29650-5.

The Open Group The ArchiMate 3.0 Enterprise Architecture Modeling Language 2016.

Сохина С.А., Немченко С.А. Машинное обучение. Методы машинного обучения. Сборник трудов конференции «Современная наука в условиях модернизационных процессов: проблемы, реалии, перспективы». 2021, С. 165–168.

Sokhina S.A., Nemchenko S.A. Mashinnoe obuchenie. Metody mashinnogo obucheniya. Sbornik trudov konferentsii «Sovremennaya nauka v usloviyakh modernizatsionnykh protsessov: problemy, realii, perspektivy». 2021, S. 165–168.

Козин Е.Г., Ильин И.В., Левина А.И. Реинжиниринг ИТ-архитектуры предприятия на базе сервис-ориентированного анализа архитектуры предприятия.

Kozin E.G., Il'in I.V., Levina A.I. Reinzhiniring IT-arkhitektury predpriyatiya na baze servis-orientirovannogo analiza arkhitektury predpriyatiya.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.