Simulation of Hydrogen Accumulation Operation

Result code in IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F46900896%3A_____%2F19%3AN0000002" target="_blank" >RIV/46900896:_____/19:N0000002 - isvavai.cz</a>

Result on the web

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Result language

čeština

Original language name

Simulace prOvozu Vodíkové Akumulace - SOVA

Original language description

Hlavním výstupem projektu je simulační software, který je specializovaný na simulaci zařízení pro akumulaci elektrické energie do stlačeného vodíku s následným energetickým využitím. Během prvních etap projektu byly zkoumány parametry a chování vodíkové akumulace. Znalost vnitřního chování takového zařízení je základem pro vývoj simulačního softwaru, protože nám umožňuje určit fyzikální vlastnosti a limity technologie, tj. výkonové a dynamické vlastnosti, účinnosti, náklady a životnost klíčových prvků. Při analýze byly vytipovány veličiny, které jsou klíčové pro simulaci chodu zkoumané technologie v reálných podmínkách. V pozdějších etapách projektu byl zahájen vývoj simulačního softwaru SOVA, který modeluje chování technologie pro akumulaci vodíku. Ta je v modelu SOVA po předchozí analýze definována celkovým objemem zásobníku na stlačený vodík (objem je přepočítaný na akumulovanou energii v MWh), účinností akumulace a následnou účinností při generování elektřiny, denními ztrátami způsobenými difuzí vodíku, které se mohou reálně projevit při akumulaci tohoto plynu v dlouhodobějším časovém horizontu. Dále je klíčový maximální možný výkon při akumulaci elektrické energie a naopak maximální poskytovaný výkon při generování, z ekonomického pohledu je samozřejmě důležitá cena za výrobu akumulované elektřiny a strategie chování zařízení uvnitř elektrizační soustavy. Nově vyvinutý model SOVA využívá popsané veličiny jako vstupní údaje, které nám umožňují simulovat chování zařízení pro akumulaci a následné využití vodíku v reálných podmínkách elektrizační soustavy. Simulace zařízení pro akumulaci vodíku v elektrizační soustavě přináší možnost zjistit předpokládané využití této technologie na trhu za různých podmínek. Je možné testovat chování elektrizační soustavy bez akumulace vodíku a s nasazením této akumulace. Dále je zde možnost simulovat chod několika vzájemně propojených soustav s vlastní akumulací vodíku, což umožňuje například testovat akumulaci přebytečné energie do vodíku v jedné ze soustav s následnou možností exportovat uloženou elektřinu při příhodných podmínkách do jiné elektrizační soustavy. V modelu nejsou simulovány elektrické sítě, naplňování poptávky po elektřině je řešeno jednouzlově pomocí dostupných zdrojů. Výjimkou jsou přeshraniční profily definované PTDF maticemi a výkonovými limity. Pro vstup dat do modelu SOVA byla definována adresářová struktura s textovými soubory, případně CSV soubory (textový seznam dat oddělený středníkem). Tento způsob byl zvolen pro snadnou editaci zadání v libovolném textovém editoru, vstupy jsou čitelné a snadno sestavitelné bez potřeby dalšího specializovaného softwaru. Model nevyžaduje žádný uzavřený binární soubor ani databanku. Simulace chodu soustav s vodíkovou akumulací probíhá s hodinovou diskrétností, řeší se vcelku vždy období jednoho roku. To odpovídá 8760 nebo 8784 časovým řezům během jednoho simulačního výpočtu. Pro každou hodinu má každá soustava v simulaci určenou poptávku po elektřině, kterou je třeba pokrýt. Od poptávky po elektřině jsou odečteny diagramy chodu FVE a VTE, tedy elektráren majících charakter vynucených zdrojů, které na trhu nesoutěží. Teprve naplnění diagramu poptávky snížené o výrobou FVE a VTE je jedním z cílů následného optimalizačního procesu. Soustavy vkládají do optimalizačního jádra programu seznam svých zdrojů s údaji o minimálním a maximálním výkonu, který mohou nabídnout v dané hodině do simulace. Dále každý zdroj nabízí cenu, za kterou je schopen nabízenou energii nabídnout. Do optimalizátoru vstupují dále matice PTDF, které určují, jakým způsobem tečou výkony z jedné soustavy do jiné, a případně i výkonová omezení na přeshraničních profilech. Technologie pro akumulaci vodíku je z hlediska optimalizačního jádra jedním ze zdrojů se speciálními vlastnostmi. Může narozdíl od klasických zdrojů nabídnout tok výkonu v obou směrech. Pokud jsou výkony nabízené soustavě zásobníkem záporné, jedná se o nabídku akumulace energie, u kladných výkonů se jedná o generování (dodávku) elektrické energie do soustavy. Podle uživatelem zadané strategie model zásobníku vodíku před každou hodinou spustí vnitřní algoritmus, podle kterého se rozhodne, co bude soustavě nabízet a v jakém rozsahu. Výsledné výkony a cenu vloží do celosystémového optimalizačního jádra. Nabízené hodnoty výkonů mohou být dány hodinou ve dni, zadanými parametry zásobníku (maximálními výkony), aktuálním stavem zásob akumulované energie, poptávkou po elektřině v soustavě apod. Optimalizační jádro všechny vložené parametry a omezující podmínky z jednotlivých soustav přeformuluje do podoby dvourozměrné matice. Dále se sestaví matematický výraz definující veličinu, kterou chceme minimalizovat. Obvykle je to cena za vyrobenou elektřinu, ale mohou to být i jiná kritéria, která model nabízí (např. minimalizace některých typů paliv, minimalizace emisí CO2). Volba optimalizačního kritéria se provádí na formuláři programu. Optimalizační matice a minimalizační kritérium jsou zadány do lineárního optimalizátoru GLPK, který provede vyhledání optima v prostoru vymezeném zadanými omezujícími podmínkami. Optimalizátor vrací výsledný chod jednotlivých zdrojů a chod zásobníků vodíku v daném časovém řezu. Zařízení s akumulací vodíku si přijaté hodnoty interně dále zpracují, uloží hodnoty chodu do datových polí a přepočítají přes účinnosti akumulace a generování aktuální stav zásobníku v MWh, aby byla připravena na řešení dalšího časového řezu. Před optimalizací v každém časovém řezu se matice sestavují znovu a je zde tedy možnost provést preprocessing vstupních veličin. Výsledky simulace je možné zobrazit ve formě tabulek nebo grafů přímo v prostředí modelu SOVA. Nově vyvinutý software SOVA splňuje požadavky realizační části podnikatelského záměru. Provádí technicko-ekonomickou simulaci provozu technologického celku pro akumulaci elektrické energie ve formě stlačeného vodíku a další energetické využití vodíku. Software v souladu se zadáním projektu nabízí optimalizaci chodu vodíkového zařízení podle několika vybraných kritérií s ohledem zejména na potřeby elektrizační soustavy. Nad rámec zadání umožňuje simulační software i řešení komplexnějších zadání, například simulaci chodu několika zařízení pro akumulaci vodíku ve vzájemně propojených elektrizačních soustavách.

Czech name

Simulace prOvozu Vodíkové Akumulace - SOVA

Czech description

Hlavním výstupem projektu je simulační software, který je specializovaný na simulaci zařízení pro akumulaci elektrické energie do stlačeného vodíku s následným energetickým využitím. Během prvních etap projektu byly zkoumány parametry a chování vodíkové akumulace. Znalost vnitřního chování takového zařízení je základem pro vývoj simulačního softwaru, protože nám umožňuje určit fyzikální vlastnosti a limity technologie, tj. výkonové a dynamické vlastnosti, účinnosti, náklady a životnost klíčových prvků. Při analýze byly vytipovány veličiny, které jsou klíčové pro simulaci chodu zkoumané technologie v reálných podmínkách. V pozdějších etapách projektu byl zahájen vývoj simulačního softwaru SOVA, který modeluje chování technologie pro akumulaci vodíku. Ta je v modelu SOVA po předchozí analýze definována celkovým objemem zásobníku na stlačený vodík (objem je přepočítaný na akumulovanou energii v MWh), účinností akumulace a následnou účinností při generování elektřiny, denními ztrátami způsobenými difuzí vodíku, které se mohou reálně projevit při akumulaci tohoto plynu v dlouhodobějším časovém horizontu. Dále je klíčový maximální možný výkon při akumulaci elektrické energie a naopak maximální poskytovaný výkon při generování, z ekonomického pohledu je samozřejmě důležitá cena za výrobu akumulované elektřiny a strategie chování zařízení uvnitř elektrizační soustavy. Nově vyvinutý model SOVA využívá popsané veličiny jako vstupní údaje, které nám umožňují simulovat chování zařízení pro akumulaci a následné využití vodíku v reálných podmínkách elektrizační soustavy. Simulace zařízení pro akumulaci vodíku v elektrizační soustavě přináší možnost zjistit předpokládané využití této technologie na trhu za různých podmínek. Je možné testovat chování elektrizační soustavy bez akumulace vodíku a s nasazením této akumulace. Dále je zde možnost simulovat chod několika vzájemně propojených soustav s vlastní akumulací vodíku, což umožňuje například testovat akumulaci přebytečné energie do vodíku v jedné ze soustav s následnou možností exportovat uloženou elektřinu při příhodných podmínkách do jiné elektrizační soustavy. V modelu nejsou simulovány elektrické sítě, naplňování poptávky po elektřině je řešeno jednouzlově pomocí dostupných zdrojů. Výjimkou jsou přeshraniční profily definované PTDF maticemi a výkonovými limity. Pro vstup dat do modelu SOVA byla definována adresářová struktura s textovými soubory, případně CSV soubory (textový seznam dat oddělený středníkem). Tento způsob byl zvolen pro snadnou editaci zadání v libovolném textovém editoru, vstupy jsou čitelné a snadno sestavitelné bez potřeby dalšího specializovaného softwaru. Model nevyžaduje žádný uzavřený binární soubor ani databanku. Simulace chodu soustav s vodíkovou akumulací probíhá s hodinovou diskrétností, řeší se vcelku vždy období jednoho roku. To odpovídá 8760 nebo 8784 časovým řezům během jednoho simulačního výpočtu. Pro každou hodinu má každá soustava v simulaci určenou poptávku po elektřině, kterou je třeba pokrýt. Od poptávky po elektřině jsou odečteny diagramy chodu FVE a VTE, tedy elektráren majících charakter vynucených zdrojů, které na trhu nesoutěží. Teprve naplnění diagramu poptávky snížené o výrobou FVE a VTE je jedním z cílů následného optimalizačního procesu. Soustavy vkládají do optimalizačního jádra programu seznam svých zdrojů s údaji o minimálním a maximálním výkonu, který mohou nabídnout v dané hodině do simulace. Dále každý zdroj nabízí cenu, za kterou je schopen nabízenou energii nabídnout. Do optimalizátoru vstupují dále matice PTDF, které určují, jakým způsobem tečou výkony z jedné soustavy do jiné, a případně i výkonová omezení na přeshraničních profilech. Technologie pro akumulaci vodíku je z hlediska optimalizačního jádra jedním ze zdrojů se speciálními vlastnostmi. Může narozdíl od klasických zdrojů nabídnout tok výkonu v obou směrech. Pokud jsou výkony nabízené soustavě zásobníkem záporné, jedná se o nabídku akumulace energie, u kladných výkonů se jedná o generování (dodávku) elektrické energie do soustavy. Podle uživatelem zadané strategie model zásobníku vodíku před každou hodinou spustí vnitřní algoritmus, podle kterého se rozhodne, co bude soustavě nabízet a v jakém rozsahu. Výsledné výkony a cenu vloží do celosystémového optimalizačního jádra. Nabízené hodnoty výkonů mohou být dány hodinou ve dni, zadanými parametry zásobníku (maximálními výkony), aktuálním stavem zásob akumulované energie, poptávkou po elektřině v soustavě apod. Optimalizační jádro všechny vložené parametry a omezující podmínky z jednotlivých soustav přeformuluje do podoby dvourozměrné matice. Dále se sestaví matematický výraz definující veličinu, kterou chceme minimalizovat. Obvykle je to cena za vyrobenou elektřinu, ale mohou to být i jiná kritéria, která model nabízí (např. minimalizace některých typů paliv, minimalizace emisí CO2). Volba optimalizačního kritéria se provádí na formuláři programu. Optimalizační matice a minimalizační kritérium jsou zadány do lineárního optimalizátoru GLPK, který provede vyhledání optima v prostoru vymezeném zadanými omezujícími podmínkami. Optimalizátor vrací výsledný chod jednotlivých zdrojů a chod zásobníků vodíku v daném časovém řezu. Zařízení s akumulací vodíku si přijaté hodnoty interně dále zpracují, uloží hodnoty chodu do datových polí a přepočítají přes účinnosti akumulace a generování aktuální stav zásobníku v MWh, aby byla připravena na řešení dalšího časového řezu. Před optimalizací v každém časovém řezu se matice sestavují znovu a je zde tedy možnost provést preprocessing vstupních veličin. Výsledky simulace je možné zobrazit ve formě tabulek nebo grafů přímo v prostředí modelu SOVA. Nově vyvinutý software SOVA splňuje požadavky realizační části podnikatelského záměru. Provádí technicko-ekonomickou simulaci provozu technologického celku pro akumulaci elektrické energie ve formě stlačeného vodíku a další energetické využití vodíku. Software v souladu se zadáním projektu nabízí optimalizaci chodu vodíkového zařízení podle několika vybraných kritérií s ohledem zejména na potřeby elektrizační soustavy. Nad rámec zadání umožňuje simulační software i řešení komplexnějších zadání, například simulaci chodu několika zařízení pro akumulaci vodíku ve vzájemně propojených elektrizačních soustavách.

Type

R - Software

CEP classification

—

OECD FORD branch

10102 - Applied mathematics

Project

<a href="/en/project/EG15_019%2F0004466" target="_blank" >EG15_019/0004466: Technical-economic models of hydrogen applicability in electricity sector, gas industry and transportation, intended for decision-makers, technology and infrastructure operators and private sector.</a><br>

Continuities

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Publication year

2019

Confidentiality

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů

Internal product ID

SOVA

Technical parameters

Výstupem je matematický model SOVA, který provádí simulaci provozu zařízení pro akumulaci a další využití vodíku. Toto zařízení je v modelu umístěno do prostředí elektrizační soustavy, ve které se chová podle předem zvolené strategie a reaguje na potřeby soustavy. Model v poslední verzi umožňuje simulovat chod zařízení pro akumulaci vodíku v prostředí několika vzájemně propojených elektrizačních soustav, které mohou importovat nebo exportovat elektřinu pomocí přeshraničních profilů. Každá elektrizační soustava v modelu SOVA může obsahovat nezávislé zařízení pro akumulaci vodíku. Vstupem do modelu je seznam elektrizačních soustav, poptávka po elektřině v jednotlivých soustavách, diagramy výroby elektřiny z fotovoltaických a větrných elektráren, seznam zdrojů v elektrizačních soustavách včetně jejich parametrů (fixní a proměnné náklady, minimální a maximální výkon, emise), PTDF matice definující rozdělení výkonových toků při výměně energie mezi soustavami (Power Transfer Distribution Factors), ceny za využití přeshraničních profilů, výkonové limity na přeshraničních profilech, ceny povolenek a cíl optimalizace. Veškeré vstupy pro model jsou uloženy ve formě textových souborů v definované adresářové struktuře. Jedna simulace zahrnuje délku jednoho roku, vše probíhá s hodinovou časovou diskrétností. Software SOVA po načtení vstupních dat vytvoří dynamické paměťové struktury a z nich pro každý časový řez vytvoří matici omezujících podmínek a rovnici definující minimalizační kritérium. Optimální řešení takto definovaného problému hledá pomocí optimalizátoru GLPK v externí knihovně. Pokud řešení optimalizační úlohy není jednoznačné, model si v takovém případě vybere jedno z možných řešení, v případě nenalezení řešení model uloží do výstupních dat nejbližší možný výsledek. Výstupy z optimalizace jsou uloženy do připravených dynamických struktur s možností následného zobrazení. Při simulaci lze volit několik kritérií pro celkovou optimalizaci chodu elektrizačních soustav (minimalizace celkové ceny, minimalizace vybraných paliv, minimalizace emisí CO2), je možné zvolit i způsob započítávání fixních a proměnných nákladů při sestavování energetického mixu. Během simulace lze v grafech sledovat plnění zásobníků vodíku, pokrývání poptávky po elektřině a saldo výroby/poptávky v jednotlivých elektrizačních soustavách. Výsledky je možné zobrazit ve formě tabulek nebo grafů s možností exportu do schránky nebo do Excelu (využití paliv pro výrobu elektřiny, přehled cen, emisí CO2, přeshraniční toky energie a využití zásobníků vodíku). Software SOVA je 64bitovou aplikací pro OS Windows, s použitím aplikačního rozhraní Wine je spustitelný i v linuxových systémech.

Economical parameters

Nové tržby v návaznosti na výsledek projektu jsou za celé období 5 let sledování přínosů odhadovány na:  cca 40 % z nákladů VaV SW (6 mil. Kč) nebo tento přínos lze vyjádřit také:  cca 2 % z ročního rozsahu všech projektů řešených v sekci 0100 EGÚ Brno (1,2 mil. nových tržeb Kč /ročně) nebo také: Expertní odhad navýšení tržeb ve velikost 1,3 -2 % ročně vychází ze zkušenosti EGÚ Brno, a.s.:  Zastoupení těch projektů, kde lze potenciálně uplatnit výsledky projektu Čistá energetika s využitím vodíku (cca 30 % projektů v sekci 0100 má dlouhodobý potenciál využití výsledků řešeného projektu). Ze zkušeností s projekty lze ještě odhadnout přibližný poměr mezi očekávaným navýšením tržeb z projektů /tržbami za aplikace / a tržbami za konzultace z poloprovozu vodíku na poměr přibližně 50 % / 25 % / 25 %.

Owner IČO

46900896

Owner name

EGÚ Brno, a. s.