Simulace prOvozu Vodíkové Akumulace - SOVA

Kód výsledku v 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>

Výsledek na webu

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Simulace prOvozu Vodíkové Akumulace - SOVA

Popis výsledku v původním jazyce

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.

Název v anglickém jazyce

Simulation of Hydrogen Accumulation Operation

Popis výsledku anglicky

The main output of the project is a simulation software, which is specialized in a simulation of the system for electricity accumulation into compressed hydrogen with subsequent energy utilization. Parameters and behavior of the hydrogen accumulation were investigated during the first stages of the project. Knowledge of the internal behavior of such system is the basis for the development of simulation software as it allows to determine the physical characteristics and limits of the technology, i.e. performance and dynamic characteristics, efficiency, cost and lifespan of the key elements. During the analysis, several indicators, that are crucial for simulation of the operation of the investigated technology in real conditions, were selected. In the later stages of the project, the development of the SOVA simulation software, which models the behavior of the hydrogen storage technology, began. After the analysis, such behavior is defined in the SOVA model by the total volume of the compressed hydrogen storage tank (the volume is converted to accumulated energy in MWh), by the storage efficiency and subsequent efficiency in generating electricity and by the daily losses due to hydrogen diffusion in the longer term. Furthermore, the maximum possible capacity for the accumulation of electricity and the maximum output capacity during generation are crucial. From the economic point of view, the price of generated accumulated electricity and the strategy of the system behavior within the power system are important. The newly developed SOVA model uses the described quantities as an input data, which allows us to simulate the behavior of the system for the accumulation and subsequent use of hydrogen under the real conditions of the power system. The simulation of hydrogen storage system in the power system brings the possibility to determine the expected use of this technology on the market under various conditions. It is possible to test the behavior of the power system without hydrogen accumulation and with the accumulation. Furthermore, there is the possibility to simulate the operation of several interconnected systems with their own accumulation of hydrogen, which makes it possible, for example, to test the accumulation of excess energy into hydrogen in one of the systems and the subsequent possibility to export stored electricity to another power system. The SOVA model does not simulate electricity networks, single-node solution is chosen for the balance between demand for electricity and available sources. Cross-border profiles defined by PTDF matrices and by capacity limits are the only exceptions. A directory structure with text files or CSV files (text list of data separated by semicolon) was defined as a data entry into the SOVA model. This method was chosen for easy editing of the input data in any text editor, the inputs are readable and easily assembled without the need for additional specialized software. The model requires neither additional binary source nor database. The simulation of the operation of hydrogen accumulation systems is carried out with an hour of discretion. This corresponds to 8760 or 8784 time frames during one simulation. For each hour, each system has a simulated demand for electricity to be covered. The generation diagrams of PV and wind, i.e. power plants having the predetermined generation that does not compete on the market is deducted from the demand. Coverage of the demand diagram reduced by the production of PV and wind is one of the goals of the subsequent optimization process. Systems insert into the program optimization core a list of their resources with the minimum and maximum capacities that they can offer in a given hour in the simulation. Furthermore, each source offers a price at which it is able to offer the energy. In addition, PTDF matrices enter the optimizer to determine the way, in which the power flows from one system to another. Also, the capacity constraints on cross-border profiles are added as well. Hydrogen storage technology is one of the sources with special properties for the optimization core. Unlike conventional sources, it can offer power flow in both directions. If the capacities offered to the power system are with negative sign, it is an offer as an energy storage, as for positive values it is the generation (supply) of electricity to the power system. According to the user-specified strategy, the hydrogen storage model runs an internal algorithm before each hour to decide what to offer to the system and to what extent. The resultant capacity and price are put into the system-wide optimization engine. The offered values of the capacity are given by the hour of the day, by specified parameters of the storage system (maximum capacities), by the current state of stored energy, by the demand for electricity in the power system, etc. The optimization kernel will re-formulate all parameters and constraints from each system into a two-dimensional matrix. Next, a mathematical expression is set to define the value that we want to minimize. Usually, it is the price of the generated electricity, but it may also be other criteria offered by the model (e.g. minimization of some fuel types, minimization of CO2 emissions). The selection of the optimization criterion is made in the program form. The optimization matrix and the minimization criterion are entered into the GLPK linear optimizer, which performs a search for the optimum defined by the specified constraints. The optimizer returns the resultant operation of the individual sources and the operation of the hydrogen storage in a given time frame. The hydrogen storage system further processes the received values internally, stores the values of the operation in its data fields and recalculates, via the accumulation and generation efficiency, the current state of the storage in MWh, so that it is ready for the next time frame. Prior to optimization in each time frame, the matrices are reassembled, which means that there is a possibility for the pre-processing of the input values. Simulation results can be displayed in the form of tables or graphs directly in the SOVA model GUI. The newly developed SOVA software meets the requirements of the implementation part in the business plan. It performs technical-economic simulation of the operation of the technological unit for the storage of electrical energy in the form of compressed hydrogen and other energy utilization of hydrogen. In accordance with the project assignment, the software offers optimization of the operation of the hydrogen storage system according to several selected criteria with respect to the needs of the power system in particular. The simulation software also enables the solution of more complex tasks, for example the simulation of several hydrogen storage devices in interconnected power systems.

Druh

R - Software

CEP obor

—

OECD FORD obor

10102 - Applied mathematics

Projekt

<a href="/cs/project/EG15_019%2F0004466" target="_blank" >EG15_019/0004466: Technicko-ekonomické modely uplatnění vodíku v elektroenergetice, plynárenství a dopravě pro decizní sféru, provozovatele technologií i infrastruktury a soukromé subjekty.</a><br>

Návaznosti

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

Rok uplatnění

2019

Kód důvěrnosti údajů

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

Interní identifikační kód produktu

SOVA

Technické parametry

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.

Ekonomické parametry

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 %.

IČO vlastníka výsledku

46900896

Název vlastníka

EGÚ Brno, a. s.