Мультицелевой технико-экономический и экологический оптимум водородной гибридной возобновляемой энергетической системы с использованием алгоритма оптимизации Osprey

Почему это важно для повседневной энергетики

Обеспечить стабильное энергоснабжение при одновременном сокращении загрязнения — одна из ключевых задач перехода на чистую энергетику. Солнечные панели и ветровые турбины чисты, но их выработка колеблется в зависимости от погоды. В этой работе рассматривается, как сочетание солнца, ветра и хранения водорода может обеспечить стабильную и доступную электроэнергию, одновременно снижая вред для здоровья людей от выбросов электростанций. Также проверяется новый вычислительный метод для поиска наилучшей конфигурации среди множества конкурирующих вариантов.

Построение более умной зелёной энергетической смеси

Исследователи спроектировали гибридную возобновляемую систему, объединяющую несколько технологий. Солнечные панели и ветровые турбины обеспечивают основную энергию. Когда их выработка превышает потребности домов и предприятий, избыточная энергия направляется на электролизёр, который расщепляет воду и производит водород, хранящийся в резервуаре. Позже, когда солнце и ветер слабее, топливный элемент использует этот запасённый водород для генерации электроэнергии. Система подключена к электросети, которая может покупать избыток энергии или при необходимости поставлять резервную мощность. Такая схема сглаживает природные колебания возобновляемых источников и обеспечивает круглосуточное электроснабжение.

Балансировка стоимости и влияния на здоровье

Вместо того чтобы рассматривать только цену электроэнергии или только выбросы углерода, исследование оптимизирует систему по двум целям одновременно. Первая — стоимость энергии в течение срока службы системы, включая оборудование, обслуживание и покупки/продажи в сети. Вторая — показатель, основанный на здоровье, оценивающий, как выбросы парниковых газов по всей цепочке преобразуются в ущерб здоровью людей, выраженный в потерянных годах здоровой жизни. Этот показатель учитывает выбросы не только от возобновляемого оборудования, но особенно от сетевой электроэнергии, которая часто производится на ископаемом топливе. Рассматривая стоимость и здоровье вместе, исследователи ищут проекты, которые одновременно экономичны и менее вредны для людей и окружающей среды.

Новый способ поиска наилучшей конфигурации

Найти правильное сочетание и размеры солнечных панелей, ветровых турбин, топливных элементов, электролизёров и резервуаров для водорода — сложная задача с множеством возможных комбинаций. Команда использовала недавно разработанный метод поиска, называемый алгоритмом оптимизации Osprey, вдохновлённый охотничьим поведением рыболова (osprey). В терминах вычислений этот метод исследует множество кандидатных конфигураций, затем уточняет наиболее перспективные, избегая застревания на посредственных решениях. Алгоритм был запущен с реальными данными о погоде и спросе на электроэнергию из региона Центральной Анатолии в Турции, проверяя работу покадрово в течение полного года и обеспечивая идеальную надёжность, чтобы спрос всегда покрывался.

Какая смесь работает лучше на практике

В исследовании сравнили три конфигурации: комбинацию солнца, ветра и топливных элементов; вариант только с солнцем и топливными элементами; и вариант только с ветром и топливными элементами. Смешанная схема «солнечно–ветровая–топливный элемент» оказалась наиболее сбалансированной. Она достигла низкой стоимости электроэнергии, близкой к самому дешёвому варианту, и при этом имела наименьшее влияние на здоровье из‑за выбросов. Чисто ветровые или чисто солнечные решения оказывались либо дешевле, но более загрязняющими, либо чище, но дороже и более зависимыми от сети. Результаты показывают, что разделение нагрузки между солнцем и ветром и использование водорода в качестве буфера увеличивает долю возобновляемой энергии, повышает самодостаточность и снижает зависимость от сети с высоким содержанием ископаемого топлива.

Что это значит для планирования будущей энергетики

Для неспециалиста главный вывод в том, что ни одна технология по‑одиночке не является достаточной. Тщательно подобранное сочетание солнца, ветра и хранения водорода может обеспечить надёжную электроэнергию по конкурентной цене, одновременно снижая риски для здоровья от загрязнения воздуха. Новый метод оптимизации помогает планировщикам увидеть компромиссы между стоимостью и здоровьем и выбрать решения, находящие разумный баланс. Такой анализ может служить ориентиром для коммунальных служб и законодателей при проектировании более чистых энергетических систем, которые не только сохраняют доступные счета за электроэнергию, но и защищают общественное здоровье.

Цитирование: Ermiş, S., Taşdemir, O. & Al-Hajj, R. Multi-objective techno-economic and environmental optimization of hydrogen-based hybrid renewable energy system using osprey optimization algorithm. Sci Rep 16, 15618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45185-x

Ключевые слова: гибридные возобновляемые источники энергии, хранение водорода, солнечная и ветровая энергия, оптимизация энергии, влияние эмиссий на здоровье