Суточный энергетический анализ работы гибридного комплекса с водородным накопителем для энергоснабжения насосной станции орошения

Введение. Системы орошения являются одним из наиболее энергоёмких элементов агропромышленного комплекса и существенно влияют на себестоимость сельскохозяйственной продукции. Насосные станции орошения, как правило, подключены к протяжённым сельским электрическим сетям с ограниченной пропускной способностью и значительными потерями, что приводит к росту затрат на электроэнергию и снижению надёжности энергоснабжения потребителей АПК. В этих условиях особую актуальность приобретает использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и децентрализованных систем энергоснабжения, ориентированных на конкретные сельскохозяйственные объекты.

Отечественные исследования показывают, что солнечные энергетические системы могут эффективно применяться для энергоснабжения индивидуальных потребителей и малых аграрных объектов при условии использования высокоэффективных фотоэлектрических модулей и современных систем управления [1]. Анализ потенциала солнечной энергетики в России и странах Центральной Азии свидетельствует о возможности широкого внедрения солнечных систем возобновляемой энергетики, в том числе для сельскохозяйственных потребителей [2]. Отмечается и рост конкурентоспособности солне чных и ветровых электростанций в странах СНГ при повышении тарифов на 138                 Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 4 (49)

традиционную энергию и снижении капитальных затрат на ВИЭ [3]. Вопросы повышения эффективности солнечных энергетических установок за счёт совершенствования конструкции и локализации солнечной энергии подробно рассмотрены в работах [4].

Системный подход к энергоснабжению сельскохозяйственных потребителей на основе рационального сочетания традиционных и возобновляемых энергоресурсов обоснован в диссертационных исследованиях по специальности «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве» [5]. Отмечается необходимость учёта пространственно-временной неравномерности нагрузок, климатических условий и структуры энергоресурсов при выборе конфигурации системы энергоснабжения. Для удалённых объектов АПК предложены различные варианты автономных и гибридных установок, в том числе установки электроснабжения удалённых объектов с использованием солнечных термоэлектрических генераторов [6], что подтверждает целесообразность комбинирования разных видов ВИЭ и различных типов преобразователей.

На международном уровне активно исследуются гибридные системы «ФЭУ–ВЭУ» для водоподъёма и орошения. В работе [7] выполнено экспериментальное исследование гибридной фотоэлектрической и ветроэнергетической установки для поливного орошения в Турции и показана возможность замены дизель-генераторов при удовлетворительных технико-экономических показателях. В ряде исследований рассматриваются гибридные комплексы с электролизёром и накоплением энергии в виде водорода, в том числе off-grid системы «ФЭУ–ветер–аккумулятор–электролизёр», ориентированные на производство «зелёного» водорода [8]. Экономические аспекты получения водорода от комбинированных солнечно-ветровых станций, в том числе в конфигурациях on-grid / off-grid, анализируются, например, в [9].

Несмотря на существенный объём работ по ВИЭ и водородным технологиям, вопросы суточного энергобаланса гибридных комплексов «ФЭУ–ВЭУ–водородный накопитель–сеть» применительно к насосным станциям орошения, а также влияние водородной подсистемы на распределение энергопотоков и разгрузку сельской электрической сети изучены недостаточно. Особенно важен анализ в координатах реального суточного графика полива, когда насосная станция имеет выраженные утренние и вечерние интервалы работы.

Целью настоящей работы является суточный энергетический анализ гибридного комплекса ФЭУ–ВЭУ–водородный накопитель–сеть для энергоснабжения насосной станции орошения и оценка влияния водородной подсистемы на энергопотоки, режим напряжения шины постоянного тока и показатели использования ВИЭ в течение суток.

Материалы и методы исследования. В качестве объекта исследования рассматривается гибридный энергетический комплекс, предназначенный для энергоснабжения насосной станции орошения. Комплекс включает фотоэлектрическую установку (ФЭУ) номинальной мощностью P PV,nom , ветроэнергетическую установку (ВЭУ) номинальной мощностью P W,nom , выпрямительно-инверторный комплекс с общим звеном постоянного тока, насосную станцию орошения с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРП), питаемым от шины постоянного тока через сетевой инвертор, водородный накопитель энергии, состоящий из электролизёра номинальной мощностью P el,nom , топливного элемента номинальной мощностью P fc,nom и резервуара водорода объёмом V H2 , а также точку присоединения к сельской электрической сети низкого напряжения, обеспечивающую двусторонний обмен мощностью P grid(t) .

Система управления комплексом ориентирована на максимальное использование энергии ФЭУ и ВЭУ для питания насосной станции, зарядку водородного накопителя при наличии избыточной мощности ВИЭ, поддержание напряжения шины постоянного тока в допустимом диапазоне и минимизацию суточного потребления электроэнергии из сети при соблюдении ограничений по режимам работы оборудования.

Суточный сценарий работы комплекса моделируется на интервале времени tG[0;24] ч с шагом Δt порядка одной минуты. Для каждого шага задаются профиль солнечной радиации и соответствующая мощность ФЭУ PPV(t), профиль скорости ветра и мощность ВЭУ PW(t) , график мощности насосной станции Pioad(t), отражающий интервалы полива, а также возможные интервалы островного режима, когда питание нагрузки обеспечивается только за счёт ВИЭ и накопителя. Баланс мощности на шине постоянного тока описывается выражением

PPV(t') + PW(t) + Pfc(t) + Pgrld(t) = Pload(t) + Pel(t) + Ploss(t), где Pei(t)- мощность, потребляемая электролизёром, Pfc(t)- мощность топливного элемента, Pioss (t)- суммарные потери в преобразовательных устройствах и электрических соединениях. Напряжение шины постоянного тока Udc(t)рассчитывается с учётом динамики звена постоянного тока и алгоритмов управления инверторами; в рамках настоящей работы анализируется временной ход Udc (t)и соблюдение допустимого диапазона напряжений.

Водородный накопитель энергии описывается квазистационарной моделью с учётом и КПД преобразования. Степень заряда

энергетической ёмкости резервуара

SoCH2 (t) определяется уравнением d SoCh2 _ dt

Г е! P el (t) - 1- P fc (t) _____________rfc_______

Ecap где Ле! и эквивалентная ограничения

r fc - КПД электролизёра и топливного элемента соответственно, E cap

–

энергетическая ёмкость резервуара водорода. При этом выполняются

0 — SoCH2 (t) — 1,° — Pel(t) — Pel,nom, 0 — Pfc(t) — Pfc,nom.

Для оценки работы комплекса используются интегральные показатели. Суточная энергия, потреблённая нагрузкой, определяется выражением

Eload = J Pload(t) dt, суточная энергия, потреблённая из сети,

Ejid = J       Pgrid(t) dt,

P grid (t)>0

суточная энергия, потреблённая и отданная водородной подсистемой,

24                   24

Eel = I Pel(t)dt, Efc = J Pfc(t)dt,

а доля покрытия суточной нагрузки за счёт ВИЭ и накопителя вычисляется как

+.

а=1-E^ .

^E load

Для сравнения рассчитывается базовый вариант без водородного накопителя, в котором

Pei (t) = Pfc (t) = 0; это позволяет количественно оценить эффект внедрения водородной и а.

подсистемы на показатели 5^:

Результаты и обсуждение. На рис. 1 представлены результаты моделирования суточного сценария работы гибридного комплекса при энергоснабжении насосной станции орошения. В верхнем поле показаны временные зависимости мощности фотоэлектрической установки и ветроэнергетической установки, электролизёра, топливного элемента и нагрузки; в среднем поле приведён график напряжения шины постоянного тока с указанием интервалов пуска ЧРП и возможного островного режима; в нижнем поле отображена динамика степени заряда водородного накопителя.

Из анализа верхнего поля рис. 1 видно, что в дневные часы суммарная мощность ФЭУ и ВЭУ существенно превышает потребность насосной станции. Избыточная мощность направляется на электролизёр, что вызывает рост степени заряда водородного накопителя. В вечерние часы, когда солнечная генерация снижается, а нагрузка остаётся значимой, в работу вступает топливный элемент, обеспечивая дополнительную мощность на шине постоянного тока и тем самым разгружая сельскую электрическую сеть.

Рисунок 1 - Энергопотоки и напряжение шины постоянного тока в суточном сценарии работы гибридного комплекса ФЭУ–ВЭУ–водородный накопитель при энергоснабжении насосной станции орошения: мощности ФЭУ и ВЭУ, электролизёра и топливного элемента, потребляемая нагрузкой мощность; напряжение шины постоянного тока с указанием интервалов пуска ЧРП и островного режима; степень заряженности водородного накопителя.

Напряжение шины постоянного тока U dc (t) (среднее поле рис. 1) в течение суток удерживается в заданном диапазоне, несмотря на изменения генерации ВИЭ и пуски частотно-регулируемого привода. Кратковременные отклонения напряжения при пусках насоса компенсируются за счёт регулирования со стороны инверторов и участия водородной подсистемы. В интервалах островного режима нагрузка питается исключительно за счёт ВИЭ и накопителя, обмен мощностью с сетью отсутствует, что снижает нагрузку на линии электропередачи и способствует улучшению показателей качества электроэнергии.

Степень заряда водородного накопителя SoC H 2 (t) (нижнее поле рис. 1) в течение суток изменяется в пределах допустимого диапазона. В утренние и дневные часы накопитель заряжается за счёт избыточной выработки ФЭУ и ВЭУ, в вечерние часы и в начале ночного периода происходит разряд за счёт работы топливного элемента. Отсутствие режима насыщения или глубокого разряда накопителя свидетельствует о корректном выборе объёма резервуара водорода для рассматриваемого суточного графика нагрузки насосной станции.

Для количественной оценки влияния водородной подсистемы  выполнено сопоставление с базовым вариантом, в котором электролизёр и топливный элемент отключены Pei (t) = Pfc (t) = 0, а дефицит мощности полностью покрывается за счёт сельской электрической сети. По результатам интегрирования суточных графиков мощностей суточная энергия, потреблённая насосной станцией, составляет

Eload = 1140,6 кВт.ч

В базовом варианте без водородного накопителя суточная энергия, потреблённая из сети, равна

Egn^o = 318,4 кВт.ч что соответствует доле покрытия суточной нагрузки за счёт ВИЭ

Яо = 72,1 %

В варианте с водородной подсистемой потребление энергии из сети уменьшается до EridH = 70,3 кВт.ч а доля покрытия нагрузки за счёт возобновляемых источников и накопителя возрастает до

«н2 = 93,8 %

Таким образом, относительное снижение суточного потребления электроэнергии из сети составляет

Р+, - £+-.„

△£gnd = grid,0 + grid,H2 • 100% = 77,9 %,

^E grid ,0

а увеличение доли покрытия нагрузки за счёт ВИЭ и накопителя

La = a _H 2 — a₀ = 21,8 процентного пункта.

Полученные значения подчёркивают роль водородного накопителя как энергоёмкого буфера, согласующего суточную неравномерность генерации ВИЭ и электрической нагрузки насосной станции.

Качественная картина распределения энергопотоков и полученное увеличение вклада ВИЭ согласуются с результатами экспериментальных и расчётных исследований гибридных систем для орошения [7], где показано, что при рациональном подборе мощностей первичных источников и параметров накопителя возможно обеспечить требуемый водоподъём за счёт совместной работы фотоэлектрических и ветроэнергетических установок. Отмеченный эффект снижения сетевого потребления и повышения показателя α находится в одном тренде с результатами моделирования off-grid комплексов типа «ФЭУ– ветер–электролизёр» [8], а также с исследованиями, демонстрирующими, что комбинированное использование солнечной и ветровой генерации для производства водорода повышает устойчивость распределённых энергосистем [9].

С точки зрения технико-экономической оценки для рассматриваемого сценария можно ввести укрупнённый показатель условной стоимости электроэнергии на подачу 1 м³ оросительной воды. При принятом удельном расходе электроэнергии 0.1 кВт.ч/м3и тарифе на сетевую электроэнергию 0,10 у.е./кВт.ч условная стоимость энергии в базовом варианте без водородного накопителя составляет

С _эн , ₀ * 0,028 у.е./м ³

В варианте с водородной подсистемой, при учёте приведённых годовых затрат на электролизёр, топливный элемент и резервуар водорода (аннуитет по капитальным вложениям и эксплуатационные расходы) и сниженного сетевого потребления до

£g rid , H 2 условная стоимость энергии возрастает до

Gh , H 2 ~ 0,054 у.е./м ³

то есть примерно в 1,9 раза по сравнению с базовым вариантом. Это означает, что при принятых исходных стоимостных параметрах применение водородного накопителя пока не обеспечивает минимизацию прямых энергозатрат, но позволяет радикально сократить потребление электроэнергии из сети и повысить автономность системы. С учётом тенденций снижения капитальных затрат на водородное оборудование и возможного роста тарифов на сетевую электроэнергию можно ожидать, что экономическая привлекательность подобных решений для объектов орошения будет возрастать.

Выводы. В работе выполнен суточный энергетический анализ гибридного комплекса ФЭУ–ВЭУ–водородный накопитель–сеть, предназначенного для энергоснабжения насосной станции орошения. На основе математической модели получены суточные графики энергопотоков, напряжения шины постоянного тока и степени заряда водородного накопителя, а также рассчитаны интегральные показатели использования ВИЭ.

Основные выводы:

• 1.    В дневные часы избыточная выработка ФЭУ и ВЭУ может быть эффективно использована для зарядки водородного накопителя при одновременном обеспечении требуемых режимов напряжения шины постоянного тока.

• 2.    В вечерние и ночные часы работы насосной станции топливный элемент обеспечивает дополнительную мощность, разгружая сельскую электрическую сеть и снижая суточное потребление электроэнергии из неё на 77,9% (с 318,4 до 70,3 кВт·ч).

• 3.    Применение водородного накопителя позволяет увеличить долю покрытия нагрузки за счёт ВИЭ до 93,8% против 72,1% в базовом варианте, что подтверждает целесообразность их использования в системах энергоснабжения объектов орошения с неравномерным графиком работы.

• 4.    Суточный анализ энергобаланса позволяет связать энергетические показатели гибридного комплекса с режимами подачи оросительной воды и может служить основой для технико-экономической оценки, включая расчёт стоимости энергии на подачу 1 м³ воды.

Дальнейшие исследования целесообразно направить на расширение анализа до сезонных режимов работы насосной станции, оптимизацию параметров водородной подсистемы с учётом конкретных климатических и технологических условий региона, а также интеграцию разработанной модели в цифровые системы управления энергообеспечением объектов АПК.