Wielokryterialne wymiarowanie i optymalizacja wydajności wyspowych hybrydowych mikrosieci odnawialnych: studium przypadku w Yanbu, Arabia Saudyjska

Energia dla odległych domów

Niezawodne zasilanie elektryczne wciąż stanowi wyzwanie dla wielu izolowanych społeczności, szczególnie w gorących, suchych regionach, gdzie przedłużenie krajowej sieci jest zbyt kosztowne. W tym badaniu rozważono, jak małe, samodzielne systemy zasilania — zwane hybrydowymi mikrosieciami — mogą wykorzystać nasłonecznienie, wiatr, baterie i niewielki generator diesla, by zapewnić domom w Yanbu w Arabii Saudyjskiej całodobowy dostęp do energii elektrycznej, oraz jak dobrać rozmiary poszczególnych elementów tak, by zasilanie było zarówno niezawodne, jak i przystępne cenowo.

Małe sieci oparte na słońcu i wietrze

Badana mikrosieć zaprojektowana jest dla skupisk pięciu, dziesięciu lub piętnastu domów położonych daleko od sieci głównej. W jej centrum znajdują się panele słoneczne i turbiny wiatrowe wykorzystujące silne nasłonecznienie i korzystne wiatry przybrzeżne. Są one połączone z systemem baterii magazynujących nadmiar energii oraz z generatorem diesla, który włącza się tylko wtedy, gdy moc odnawialna i zgromadzona energia okazują się niewystarczające. Razem tworzą autonomiczny system działający jak mały lokalny dostawca energii, zapewniający zasilanie do oświetlenia, urządzeń gospodarstwa domowego i innych potrzeb domowych.

Równoważenie kosztu, niezawodności i czystej energii

Zaplanowanie takiego systemu nie polega na jak największym zainstalowaniu paneli i baterii. Zbyt duży system jest niepotrzebnie kosztowny; zbyt mały prowadzi do przerw w dostawie prądu. Autorzy traktują więc projekt jako problem wielokryterialny z trzema celami: zmniejszyć średni koszt energii elektrycznej w całym okresie eksploatacji systemu, ograniczyć prawdopodobieństwo, że mikrosieć nie zaspokoi zapotrzebowania, oraz zwiększyć udział mocy pochodzącej ze źródeł odnawialnych zamiast z diesla. Zamiast wybierać jedną z tych cech kosztem pozostałych, poszukują kombinacji wyposażenia oferujących różne kompromisy między wszystkimi trzema celami.

Poszukiwanie najlepszych rozwiązań inspirowane naturą

Aby przeszukać wiele możliwych kombinacji paneli słonecznych, turbin wiatrowych, baterii i jednostek diesla, badanie wykorzystuje dwa algorytmy komputerowe inspirowane naturą. Jeden naśladuje sposób, w jaki łańcuchy maleńkich stworzeń morskich zwanych salpami zbliżają się do pożywienia; drugi opiera się na spiralnych wzorcach łowieckich humbaków. W tym kontekście każde „stwór” reprezentuje kandydacki projekt mikrosieci. W miarę jak symulowany rój lub stado przemieszcza się po przestrzeni projektowej, testuje różne rozmiary wyposażenia używając szczegółowego modelu godzinnego pogody, promieniowania słonecznego, prędkości wiatru oraz zapotrzebowania gospodarstw domowych w Yanbu. W toku wielu iteracji słabsze projekty są odrzucane, a lepsze udoskonalane, tworząc zestaw rozwiązań równoważących koszty, niezawodność i udział odnawialnych źródeł energii na różne sposoby.

Co się dzieje w miarę wzrostu społeczności

Naukowcy porównują systemy z i bez zapasowego diesla dla trzech rozmiarów społeczności. Gdy używane są wyłącznie słońce, wiatr i baterie, energia jest tańsza, ale ryzyko niedoborów mocy rośnie, szczególnie przy większych obciążeniach lub w okresach pochmurnej, bezwietrznej pogody. Dodanie generatora diesla zwiększa nieco koszt, ale znacząco poprawia niezawodność i obniża ryzyko przerw w dostawie do bardzo niskich poziomów. Co ciekawe, wraz ze wzrostem liczby domów z pięciu do piętnastu, zoptymalizowane projekty zwykle bardziej opierają się na energii słonecznej i wiatrowej, a mniej na dieslu. Większe społeczności mogą uzasadnić większą moc odnawialną, co podnosi udział energii odnawialnej powyżej 80–90% przy zachowaniu konkurencyjnego średniego kosztu za kilowatogodzinę w porównaniu z wieloma konwencjonalnymi rozwiązaniami poza siecią.

Porównanie algorytmów

Obie metody poszukiwań znajdują atrakcyjne opcje projektowe, ale wyróżniają się nieco różnymi zdolnościami. Podejście oparte na salpach generuje większą różnorodność wysokiej jakości rozwiązań, dając planistom większą elastyczność wyboru różnych kombinacji kosztu, niezawodności i udziału odnawialnych źródeł. Metoda „wielorybia” często znajduje projekty o bardzo korzystnych kosztach, choć czasem przy nieco węższym zakresie opcji. Analizując, jak rozwiązania z obu metod rozkładają się wzdłuż krzywej kompromisów, autorzy pokazują, że połączenie zaawansowanej optymalizacji z realistycznymi modelami pogody, parametrów urządzeń i zużycia gospodarstw domowych może ujawnić wzorce trudne do odkrycia metodą prób i błędów.

Co to oznacza dla odległych społeczności

W praktycznym wymiarze praca ta daje mapę drogową do projektowania systemów zasilania autonomicznego, które zapewniają odległym domom niezawodne zasilanie z przewagą energii słonecznej i wiatrowej, z dieslem jako starannie dobranym zabezpieczeniem. Badanie wykazuje, że zwłaszcza w miarę rozwoju społeczności hybrydowe mikrosieci mogą osiągać wysoki poziom wykorzystania energii odnawialnej bez podnoszenia rachunków za energię lub rezygnacji z niezawodności. Dla planistów i decydentów w suchych regionach przybrzeżnych, takich jak Yanbu — oraz w wielu podobnych lokalizacjach na świecie — ramy te oferują sposób na przekształcenie lokalnych zasobów odnawialnych w stabilne, skalowalne systemy zasilania na poziomie sąsiedztwa, które wspierają współczesny styl życia, zmniejszając jednocześnie zależność od paliw kopalnych.

Cytowanie: Saleh, A.A., Magdy, G. Multi-objective sizing and performance optimization of islanded hybrid renewable microgrids: a case study in yanbu, Saudi Arabia. Sci Rep 16, 12743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47028-1

Słowa kluczowe: mikrosieć hybrydowa, energia odnawialna, energia słoneczna i wiatrowa, elektryfikacja poza siecią, magazynowanie energii