Оптимальная работа многотопливных энергетических систем с интеграцией возобновляемых источников энергии и водородных накопителей

Электроснабжение городов с множеством источников энергии

По мере того как в наших городах появляются всё больше солнечных панелей, ветряных турбин, электромобилей и «умных» устройств, задача поддержания электроснабжения и снабжения водой превращается в сложный баланс. В этой статье исследуется новый способ управления локальными энергосетями, при котором электроэнергия, тепло, холод, вода и даже водород работают согласованно, а не планируются раздельно. Цель проста: эффективнее использовать чистую энергию, снижать потери и уменьшать расходы для всех.

От однонаправленных сетей к мультиэнергетическим хабам

Традиционные энергосистемы в основном передают электроэнергию в одном направлении — от крупных электростанций к потребителям. Авторы сосредоточены на «энергетических хабах» — системах масштаба квартала, которые могут принимать различные виды энергии (например, электричество и газ) и обеспечивать то, что действительно нужно людям: питание приборов, горячую воду и отопление, кондиционирование воздуха и питьевую воду. В модели три соседних хаба обмениваются локальной возобновляемой энергией от солнечных панелей и ветряков, а также газовыми когенерационными установками, которые одновременно вырабатывают электричество и тепло. Каждый хаб управляет набором устройств, включая электрические и абсорбционные чиллеры для охлаждения, котлы и накопители энергии, способные хранить электричество, тепло или холод для последующего использования.

Связь воды, водорода и воздуха с энергетическим балансом

Ключевая особенность этой работы — электроэнергия не рассматривается изолированно. Хабы также управляют «водной стороной» и «водородной стороной» системы. Питьевая вода может поступать из подземных скважин, из опреснительной установки, превращающей солёную воду в пресную, или из резервуара хранения воды. Так как опреснение требует большого количества электроэнергии, модель позволяет хабам отдавать предпочтение подземным водам и умной синхронизации перекачки в периоды, когда электроэнергия дешевле. Кроме того, электролизёр превращает избыток возобновляемой электроэнергии в водород, который хранится в баках и позже используется в топливных элементах для выработки электроэнергии в дорогие пиковые часы. Хранение энергии в сжатом воздухе добавляет ещё один буфер: когда электричество дешёвое, воздух сжимают и хранят; когда электричество дорогое, эта накопленная энергия высвобождается для покрытия спроса.

Почему сотрудничество лучше, чем автономность

В центре исследования стоит вопрос: насколько лучше работают такие хабы, когда они сотрудничают, а не действуют поодиночке. В «автономном» варианте каждый хаб пытается сбалансировать своё собственное производство и потребление с ограниченным обменом, что иногда оставляет часть локального спроса неудовлетворённой и вынуждает больше закупать у главной сети. В «кооперативном» варианте хабам разрешено торговать электричеством и другими энергетическими услугами между собой. Избыток солнечной энергии или запасов одного хаба может покрыть дефицит другого. С помощью детального компьютерного моделирования и суточного расписания, разбитого на часовые интервалы, авторы показывают, что сотрудничество снижает эксплуатационные расходы и полностью устраняет непокрытый спрос. В тестовой системе общие суточные расходы снижаются приблизительно на 1,6%, а объём неудовлетворённого спроса падает с 64,3 кВт·ч до нуля.

Умное управление временем и накопителями делает возобновляемые источники полезнее

Исследование также рассматривает, что происходит при изменении цен или размеров оборудования. При росте цен на электроэнергию как автономные, так и кооперативные системы платят больше, но кооперативная схема остаётся всегда дешевле, поскольку меньше зависит от закупок у основной сети. Добавление батарей и тепловых накопителей или увеличение их ёмкости дополнительно снижает расходы за счёт переноса потребления из дешёвых часов в дорогие. Увеличение мощности возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, уменьшает эксплуатационные расходы в обоих режимах — экономия превышает 13% при утроении доли возобновляемых источников. Стохастическая версия модели, учитывающая неопределённости погоды и цен, подтверждает тот же вывод: обмен ресурсами между хабами резко снижает и расходы, и риск того, что часть спроса останется ненакрытой.

Что это значит для повседневной жизни

Для непрофессионалов основная мысль такова: в будущем районы могут быть не просто подключены к большой энергосети; они станут мини-системами, которые обмениваются между собой электричеством, теплом, водой и водородом. Координируя использование скважин, опреснения, батарей, водородных резервуаров и хранения сжатого воздуха, локальные хабы смогут сглаживать перепады солнечной и ветровой генерации, меньше зависеть от ископаемого топлива и снижать счета при более надёжном обслуживании. Проще говоря, статья показывает, что когда разнообразные чистые технологии планируются совместно и соседние районы сотрудничают, города могут перейти к низкоуглеродному будущему, которое будет одновременно более устойчивым и более доступным по затратам.

Цитирование: Foroughian, S., Bijan, Z.A.J., Karimi, H. et al. Optimal operation of multi-carrier energy systems integrated with renewable energy sources and hydrogen storage systems. Sci Rep 16, 6635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35497-3

Ключевые слова: мультиэнергетические системы, интеграция возобновляемых источников, водородное хранение, энергетические хабы, реакция на спрос