Модель линейного программирования для планирования энергетической системы с интеграцией водорода

Почему превращение солнечного света в водород имеет значение

Многие страны ищут способы поддерживать электроснабжение, сокращать выбросы углерода и при этом поддерживать энергоёмкие отрасли. Объединённые Арабские Эмираты (ОАЭ) обладают обильным солнечным ресурсом, растущим потреблением электроэнергии и амбициями стать глобальным хабом для чистого водорода. В этом исследовании задаётся простой, но ключевой вопрос: если бы ОАЭ полностью перепроектировали свою энергетическую систему к 2030 году, какое сочетание солнечной энергетики, газа, атомной энергии, аккумуляторов и водородных хранилищ имело бы экономический и экологический смысл?

Проектирование будущей энергетической мозаики

Исследователи создали подробную компьютерную модель, которая описывает всю энерго- и водородную систему ОАЭ покадрово по часам в течение полного года. Вместо того чтобы корректировать существующую инфраструктуру, они использовали подход «greenfield»: модель свободна выбирать любую комбинацию технологий, которая будет самой дешёвой при выполнении двух целевых показателей на 2030 год — примерно 203 тераватт-часа электроэнергии и 1,4 миллиона тонн водорода в год. Модель может инвестировать в четыре способа производства электроэнергии (солнечные панели, ветряные турбины, атомные реакторы и эффективные газовые установки) и два способа хранения энергии (литий‑ионные аккумуляторы и подземное водородное хранилище). Также учтены основные звенья водородной цепочки: электролизёры, использующие электроэнергию для разложения воды, подземные резервуары для хранения водорода и топливные элементы, возвращающие хранящийся водород в электроэнергию.

Как цифровая модель принимает решения

Чтобы решить, что строить и как это эксплуатировать, модель использует линейное программирование — математический метод, часто применяемый в логистике и финансах. Она минимизирует общие годовые затраты, включая строительство, эксплуатацию, топливо и даже цену на выбросы углерода. В каждый час года модель должна балансировать предложение и спрос на электроэнергию, а также отслеживать, где производится, хранится и потребляется водород. Используются реальные погодные данные для солнечной и ветровой генерации, реалистичная почасовая форма спроса на электроэнергию, доминируемая кондиционированием, и синтетическая, но согласованная структура спроса на водород в отраслях, таких как сталелитейная промышленность, судоходство и нефтепереработка. Помимо затрат модель учитывает жизненный цикл выбросов от каждой технологии — от изготовления оборудования до сжигания газа.

Как выглядит самое дешёвое низкоуглеродное решение

Оптимальное с точки зрения затрат решение на 2030 год имеет чёткую структуру. Солнечная энергия доведена до национального планового лимита, достигая мощности 19,8 гигаватта. Атомная энергетика работает в основном как стабильный базовый источник, близкий к полной мощности существующей станции Барака. Газовые установки по-прежнему играют крупную роль, обеспечивая более 50 гигаватт гибкой мощности, которая наращивается, когда садится солнце или при пиковом спросе. Со стороны водорода модель устанавливает крупные электролизёры — около 10,4 гигаватта — для превращения избыточной электроэнергии в водород и очень большие подземные водородные хранилища, эквивалентные примерно 1,3 тераватт‑часа энергии. Такая конфигурация позволяет системе использовать каждую единицу произведённой электроэнергии либо напрямую, либо косвенно через водород, практически без потерь. При текущих предположениях по стоимости однако экономически нецелесообразно строить дополнительные батареи или топливные элементы в национальном масштабе.

Затраты, углерод и что действительно определяет результат

С этой конфигурацией модель показывает, что электроэнергию можно поставлять по средней цене около 6,5 цента за киловатт‑час, а водород — примерно по 2,56 доллара за килограмм — конкурентоспособные показатели в глобальной гонке за зелёный водород. Тем не менее система всё ещё даёт около 124 миллионов тонн CO2‑эквивалента в год, в основном от газовых электростанций. Чувствительный анализ показывает, что политика и цены на топливо имеют гораздо большее значение, чем «ценник» на солнечные панели или электролизёры. Налог на углерод в 100 долларов за тонну увеличил бы общие системные затраты почти на три четверти, тогда как отклонение цен на газ на 50% сдвигает затраты примерно на плюс‑минус одну четверть. Напротив, снижение капитальных затрат на солнечную энергию или электролизёры вдвое едва ли существенно меняет общие затраты системы, потому что модель уже использует их в пределах практических лимитов.

Что это значит для людей и политиков

Для читателей вне мира энергетического моделирования посыл прост. В стране с богатым солнцем и дефицитом воды, как ОАЭ, крупные солнечные парки, стабильная атомная энергетика и гибкие газовые установки формируют основу доступной системы. Водород выполняет двойную роль: он служит долгосрочным энергохранилищем, сглаживающим колебания солнечной генерации, и поставляет более чистое топливо для тяжёлой промышленности и транспорта. Исследование показывает, что при текущих ценах крупные водородные объекты и подземные хранилища выигрывают у батарей для крупномасштабного балансирования, тогда как политические инструменты, такие как ценообразование углерода и риски изменения цен на газ, в конечном итоге определят, насколько «зелёной» и дорогой станет система. Практически это означает: ускорение строительства солнечных и атомных мощностей, поддержание — но очищение — газовых станций и ранние инвестиции в водородную инфраструктуру могут позволить ОАЭ сократить выбросы и создать новые экспортные отрасли, не жертвуя надёжностью энергоснабжения.

Цитирование: Zaiter, I., Sleptchenko, A., Mayyas, A. et al. A linear programming model for power system planning with hydrogen integration. Sci Rep 16, 7120 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35701-4

Ключевые слова: зелёный водород, энергетическое хранение, солнечная энергия, природный газ, энергетический переход ОАЭ