Benchmarking techno-ekonomiczny produkcji zielonego wodoru z użyciem stałych i śledzących systemów fotowoltaicznych: zintegrowana analiza PVsyst–MATLAB

Słońce zamienione w czyste paliwo

Wiele krajów o silnym nasłonecznieniu szuka sposobów na przekształcenie tego światła w czyste paliwo, które może zasilać fabryki, ciężarówki, a nawet całe miasta bez emisji dwutlenku węgla. W tym badaniu analizuje się, jak najlepiej wykorzystać panele słoneczne do produkcji zielonego wodoru — paliwa wytwarzanego z wody przy użyciu energii odnawialnej. Porównując dwa powszechne sposoby montażu paneli — jeden stały i jeden podążający za słońcem — autorzy pokazują, które rozwiązanie dostarcza więcej wodoru przy niższych kosztach, w słonecznym regionie takim jak Kandahar w Afganistanie.

Dwa sposoby łapania słońca

Rdzeń pracy stanowi porównanie równoległe dwóch systemów fotowoltaicznych zasilających urządzenie przemysłowe zwane elektrolizerem, które rozdziela wodę na wodór i tlen. W jednym systemie panele są zamocowane na stałym kącie nachylenia. W drugim panele poruszają się na dwukierunkowej strukturze śledzącej, dzięki czemu mogą być ustawione w kierunku słońca przez cały dzień. Oba systemy mają tę samą moc szczytową — 10 kilowatów — i oba przesyłają energię bezpośrednio do jednostki wodorowej, która działa tylko wtedy, gdy nasłonecznienie jest wystarczająco silne. To sprawia, że porównanie jest uczciwe i realistyczne dla odległych, autonomicznych projektów zielonego wodoru, niezasilanych przez sieć elektryczną.

Cyfrowy bliźniak instalacji solarnowodorowej

Aby zrozumieć szczegóły wydajności, autorzy zbudowali cyfrowego bliźniaka całego łańcucha od światła słonecznego po wodór. Użyli specjalistycznego narzędzia projektowego do solarów, aby obliczyć, ile energii elektrycznej każda konfiguracja wytworzyłaby w Kandaharze, godzina po godzinie, przez cały rok, uwzględniając lokalne nasłonecznienie, temperatury i straty systemowe. Profile energetyczne zostały następnie przekazane do drugiego modelu zbudowanego w MATLAB, który zamienia moc na produkcję wodoru i sumuje koszty w całym okresie żywotności urządzeń. To połączone podejście pozwala śledzić, jak decyzje projektowe po stronie paneli wpływają na produkcję paliwa, ogólną efektywność i koszty na jednostkę energii.

Więcej ruchomych elementów, znacznie więcej energii

Symulacje pokazują, że w słonecznym klimacie śledzenie słońca się opłaca. Podczas gdy panele stałe wytwarzają około 11 253 kilowatogodzin energii rocznie, system śledzący osiąga około 15 300 kilowatogodzin — to wzrost o 36% przy tej samej mocy znamionowej. Ruchome panele wykorzystują użyteczne światło słoneczne przez więcej godzin każdego dnia zarówno zimą, jak i latem, dzięki czemu elektrolizer pracuje dłużej i bardziej równomiernie. W efekcie roczna produkcja wodoru wzrasta z około 240 kilogramów przy panelach stałych do około 320 kilogramów przy trackerach, mimo że układ mechaniczny jest nieco bardziej złożony i ponosi nieznacznie większe straty wewnętrzne.

Porównanie kosztów i śladu węglowego

Dodatkowe urządzenia czynią system śledzący droższym w budowie i utrzymaniu, ale dodatkowa energia, którą on dostarcza, rekompensuje to w dłuższym okresie. Kiedy wszystkie wydatki na inwestycje, konserwację i wymiany rozłoży się na całkowitą produkcję w czasie eksploatacji, koszt energii z paneli stałych wynosi około 4,8 centa za kilowatogodzinę, podczas gdy system śledzący obniża ten koszt do około 3,6 centa. Po stronie paliwa koszt zielonego wodoru spada z około 5,82 USD za kilogram przy panelach stałych do około 4,37 USD za kilogram przy systemie śledzącym. Ponieważ system śledzący generuje więcej czystej energii, unika też większej ilości emisji dwutlenku węgla rocznie — zapobiega niemal 5 tonom metrycznym CO2 w porównaniu z około 3,6 tony przy układzie stałym.

Co to oznacza dla słonecznych regionów

Dla czytelników zastanawiających się, jak magazynować promienie słoneczne i przesyłać je tam, gdzie są potrzebne, to badanie przynosi jasny przekaz. W miejscach o silnych i stabilnych zasobach słonecznych stosowanie paneli śledzących do produkcji wodoru z wody może dostarczyć więcej paliwa przy niższych długoterminowych kosztach, a jednocześnie bardziej zredukować emisje niż prostsze systemy z panelami stałymi o tej samej mocy. Chociaż trackery wymagają wyższych nakładów początkowych i bardziej przemyślanego projektu, ich zdolność do podążania za słońcem lepiej wykorzystuje każdy metr kwadratowy terenu i każdy zainwestowany dolar. Dla decydentów i planistów w słonecznych krajach rozwijających się wyniki sugerują, że inteligentne, ruchome pola słoneczne w parze z jednostkami wodorowymi mogą stać się praktycznym trzonem przyszłych systemów czystej energii.

Cytowanie: Irshad, A.S., Hilali, A., Ahmadullah, A.B. et al. Techno-economic benchmarking of green hydrogen production using fixed and tracking PV systems: a PVsyst–MATLAB integrated analysis. Sci Rep 16, 15620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46077-w

Słowa kluczowe: zielony wodór, śledzenie słońca, systemy fotowoltaiczne, ekonomia energetyczna, redukcja CO2