Архитектура системы управления производством водорода на ГЭС

   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.

1. 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).

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

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

4. 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).

5. 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.

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

7. 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.

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

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

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

16. 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.

17. 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.

18. 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.

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

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

21. 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).

22. 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.

23. 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.

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

25. 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).

26. 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).

27. 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).

28. 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).

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

30. The Open Group TOGAF, 10^th Edition 2022.

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

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

33. 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.

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