Тя съхранява евтината зелена енергия и я използва в моментите с най-високо потребление, когато е най-ценна
Учени разработват технология, която съхранява излишната зелена енергия и я използва в моментите на най-високо потребление.
Енергийната ефективност започва с едно число - близо 50%. Толкова е делът на енергията, която в световен мащаб се използва за отопление и охлаждане на сгради и промишлени процеси. Около този огромен енергиен ресурс са насочени изследванията на екип от Техническия университет - София.
"Търсим начини чрез зелени технологии да повишим ефективността на енергийните системи и едновременно с това да намалим въздействието върху околната среда", обяснява ръководителят на проекта проф. Ангел Терзиев.
Според него решението не е непременно в изграждането на все повече мощности, а в по-умното управление на вече произведената енергия.
Особено когато става дума за електроенергия от възобновяеми източници.
България разполага с добър локален потенциал както за производство на слънчева, така и на вятърна енергия. Именно това обаче поражда и ново предизвикателство. В определени периоди от годината - например през слънчевите летни дни или при силен вятър - производството на електроенергия може да надвиши потреблението. Тогава цените на електроенергията спадат значително, а понякога достигат дори отрицателни стойности.
В други моменти - през зимата или при по-слабо производство от възобновяеми източници - ситуацията е обратната и цените на електроенергията нарастват.
"Казано по-просто, днес често разполагаме с евтина енергия тогава, когато не ни е необходима, и с по-скъпа енергия тогава, когато потреблението е най-голямо", обяснява проф. Терзиев.
Водородът като енергийна батерия
Решението, върху което работи екипът, е свързано със зеления водород.
Излишната електроенергия от възобновяеми източници може да бъде използвана за производство на водород чрез електролиза на вода. След това водородът се компресира и съхранява, а при необходимост може отново да бъде използван за производство на електроенергия или топлина.
"По същество водородът може да се разглежда като средство за дългосрочно съхранение на енергия. Вместо евтината електроенергия да бъде загубена, тя се превръща в енергиен ресурс, който може да бъде използван тогава, когато е най-необходим", посочва ученият.
За разлика от батериите, които са подходящи за съхранение в рамките на часове или дни, водородът дава възможност за съхранение на енергия за значително по-дълги периоди.
Големият потенциал е в индустрията
Освен за съхранение на енергия водородът може да намери приложение и в редица промишлени процеси.
Според проф. Терзиев най-големият потенциал е в енергоемките производства - циментовата, стъкларската, керамичната, металургичната и химическата промишленост.
"Това са отрасли, в които процесите протичат при много високи температури и декарбонизацията е особено трудна. Именно затова водородът се разглежда като едно от перспективните решения както в България, така и в цяла Европа", обяснява той.
Именно затова екипът на ТУ - София, разработва технологии за смесване на водород с природен газ в съществуващи горивни инсталации. По този начин част от изкопаемото гориво може да бъде заменено с произведен от възобновяеми източници водород.
При изгарянето на водорода не се отделя въглероден диоксид, а основният продукт е водна пара. Това създава възможност за намаляване на въглеродния отпечатък на редица производствени процеси.
Може ли водородът да помогне и на въглищните централи?
В Техническия университет - София, вече функционира специализирана лаборатория по водородни технологии, в която се изследват различни възможности за интегриране на водород в съществуващи горивни процеси. Една от изследваните посоки е частичното заместване на традиционни горива с водород. Подобен подход би могъл да доведе до намаляване на въглеродните емисии и съответно на разходите за закупуване на въглеродни квоти.
В момента цената на въглеродните емисии в Европейския съюз представлява един от основните разходи за въглищните електроцентрали. В зависимост от пазарната конюнктура квотите струват десетки евро за тон въглероден диоксид, което оказва пряко влияние върху себестойността на произведената електроенергия.
"Водородът има потенциал да подпомогне прехода към по-нисковъглеродно производство на енергия, но всяко решение трябва да бъде внимателно анализирано както от техническа, така и от екологична гледна точка", подчертава проф. Терзиев.
Той напомня, че макар водородът да не генерира въглероден диоксид при горене, при високите температури могат да се образуват азотни оксиди. Затова наред с намаляването на въглеродните емисии трябва да се оценява и цялостното въздействие върху околната среда.
Най-голямото предизвикателство обаче не е технологично. Според учените една от основните пречки пред внедряването на водородни технологии в България не е свързана с липсата на решения, а с липсата на достатъчно ясна нормативна рамка.
"Институциите, които отговарят за безопасността и контрола на подобни съоръжения, съвсем естествено подхождат предпазливо. Причината не е в липсата на технологии, а в необходимостта от ясни правила и стандарти, които да гарантират безопасната им експлоатация", обяснява проф. Терзиев.
Именно затова представители на Техническия университет - София, участват в работна група към Министерството на регионалното развитие и благоустройството, която подготвя предложения за актуализиране и допълване на нормативната база за водородните технологии в България.
Целта е да бъдат въведени ясни технически и безопасни изисквания, които да дадат увереност както на контролните органи, така и на инвеститорите и бизнеса.
Европа инвестира милиарди във водорода
На европейско ниво развитието на водородните технологии напредва с ускорени темпове.
През следващите години се очаква стартирането на редица програми за финансиране, които ще насърчат внедряването на водородни решения в енергетиката, транспорта, индустрията и сградния сектор. В зависимост от конкретната програма безвъзмездната финансова помощ може да надхвърли 50%, а за някои приоритетни направления да достигне и по-високи нива. Техническият университет - София, е пълноправен член на Hydrogen Europe Research - водещата европейска научноизследователска организация в областта на водородните технологии.
Чрез това членство българските учени участват в съвместни научни и приложни проекти с водещи университети, изследователски организации и индустриални партньори от цяла Европа.
Според европейските стратегии водородът ще има все по-важна роля в секторите, където намаляването на въглеродните емисии е най-трудно - тежката промишленост, производството на високотемпературна технологична топлина, транспорта на дълги разстояния и част от бъдещите енергийни системи.
"В редица европейски държави вече се реализират проекти за използване на водород в промишлеността и енергетиката. Анализират се и възможности за постепенното му интегриране в съществуващите газови инфраструктури. Това показва, че водородът постепенно преминава от научна концепция към реално приложима технология", отбелязва проф. Терзиев.
Умната система Smart End
Успоредно с водородните изследвания екипът на ТУ - София, разработва и интелигентна система за управление на енергията с името Smart End.
Тя обединява в една платформа фотоволтаични панели, вятърни генератори, батерии, водородна система за съхранение и електроразпределителната мрежа.
В реално време алгоритъмът следи производството на електроенергия, моментното потребление и пазарните цени. След това автоматично определя кой енергиен ресурс е най-изгодно да бъде използван във всеки конкретен момент.
Когато цената на електроенергията е ниска, системата може да зарежда батериите или да произвежда водород. Когато цената се повиши, използва вече натрупаната енергия.
При силно слънцегреене или вятър излишната енергия не се губи, а се насочва към съхранение. По този начин се повишава ефективността на цялата енергийна система и се намалява зависимостта от моментните колебания на пазара.
Инсталацията ще бъде първата по рода си демонстрационна платформа в България, която обединява възобновяеми енергийни източници, системи за съхранение и водородни технологии в единна интелигентна система за управление.
"Ще ви поканим, когато системата е готова. Тя ще бъде пилотна за България", казва с усмивка проф. Ангел Терзиев.
Това ценно за икономиката изследване е реализирано благодарение на усилията на Научна група 3.1.4. "Нови технологии за зелена енергия и възобновяеми енергийни източници" в рамките на проекта "Подобряване на научноизследователския капацитет и качество за международна разпознаваемост и устойчивост на ТУ-София" (BG-RRP-2.004-0005).
В университета развиват науката, която ни пази от мрак
В специализираната лаборатория "Устойчивост на електроенергийните системи" пресъздават катастрофи от типа на тази в Испания, за да открият слабите места и да тренират адекватни реакции
Докато едни учени работят върху производството и съхранението на енергия, друг екип от същия университет се занимава с въпроса, който вълнува всички - какво се случва при пълен срив на цялата електроенергийна система. Примерът е пресен и болезнен: неотдавна в Испания голяма системна авария отне живота на осем души, 25 бяха тежко наранени, а икономическите загуби обхванаха почти всички сектори.
"Светофарите, комуникациите, навигационните системи и общественият транспорт спряха, болниците преминаха към резервно захранване, много предприятия бяха принудени да изхвърлят повредена продукция в процес на обработка и да започнат отначало" - обясни пред "24 часа" доц. Рад Станев. Подобни аварии не са само технически инциденти, а сериозни кризи с жестока цена - човешки животи.
"Нашата работа е свързана с това да направим така, че електроенергийната система да функционира, без да се разпада - и ако все пак се случи, да бъде колкото може по-рядко", допълни ученият.
Затова името на тяхната научна група е "Устойчивост на електроенергийните системи" и е част от проекта "Подобряване на научноизследователския капацитет и качество за международна разпознаваемост и устойчивост на ТУ-София" (BG-RRP-2.004-0005).
Обикновено системните аварии не се случват поради една-единствена причина. Според доц. Рад Станев те са резултат от сложни взаимодействия, които обикновено имат каскаден характер - един елемент отказва, задействат защити в съседни елементи, претоварва се и отпада следващ елемент и т.н.
"Процесът се ускорява нелинейно и в рамките на секунди или минути огромни части от мрежата губят захранване и електрическа свързаност - обясни доц. Станев. - Предотвратяването изисква дълбоко разбиране на тези процеси - преди да са се случили."
За тази цел екипът в ТУ - София, е изградил уникална лабораторна инфраструктура, в която с действителни физически величини - токове, напрежения и мощности - могат да бъдат възпроизведени големи системни аварии в контролирана и безопасна среда.
Звучи просто, но всъщност това е сериозно научно предизвикателство. Вместо да се чака следващата реална авария, за да се анализира какво би се случило в цялата система, лабораторията я симулира предварително. Учените могат да изпитват различни настройки на инверторите на фотоволтаичните централи и автоматиката за управление на системата, да наблюдават поведението им при големи аварии и да намерят точно тези конфигурации и настройки, при които системата устоява, вместо да се срине.
"Когато искаме да изпитаме настройките на инверторите, ги задаваме в тях, възпроизвеждаме системната авария и виждаме как те ще се държат в тези условия. Така можем да намерим настройки, с които да предотвратим аварията, преди да се е случила", обяснява доц. Рад Станев.
Ползата е по две направления. От една страна, е научна, защото осигурява задълбочено разбиране на механизмите, по които протичат сложните процеси на загуба на устойчивост. От друга, е практическа: с директни препоръки за настройките на оборудването в реалната мрежа.
Но освен това екипът разполага и с "живи" лаборатории - малки микромрежи, работещи в изолиран режим, в които тежките сценарии се проиграват в намален мащаб. Без риск за хората и без последствия за реалната инфраструктура.
"Тези лаборатории служат и за обучение: когато операторите на мрежата видят как се развива дадена авария и какво може да я спре, реакциите им при истинска авария стават значително по-бързи и по-адекватни - допълва доц. Станев. - Нещо повече, тези резултати пряко влияят върху протоколите за действие при аварии и правилата за управление на електроенергийната система, по които изследователите работят съвместно с операторите на преносната и електроразпределителните мрежи."
Учените си дават сметка, че структурата на електроенергийната система се е променила коренно в последните две десетилетия. Всъщност именно тази промяна е основната причина старите методи за поддържане на устойчивостта да не са достатъчни.
В традиционната мрежа устойчивостта се поддържаше от малко на брой мощни конвенционални синхронни генератори в големите въглищни, атомни и водни централи, които изпълняват стриктно заданията на оператора на системата. Тези генератори имат голяма инерция и имат способността да запазват режима на работа при внезапно смущение.
"Днес в мрежата са присъединени стотици хиляди малки разпределени генератори от възобновяеми източници, които е трудно да се управляват непосредствено от системния оператор - разказва изследователят. - Фотоволтаични, вятърни и други системи, които нямат вродена електромеханична инерция и работят чрез електронни инвертори. Ако не им бъде вменен ангажимент за предоставяне на синтетична инерция и ако не са им зададени правилните настройки, могат да се изключат за милисекунди след възникването на смущение. По този начин, вместо да поддържат системата, те стават потенциален
ускорител на каскадния срив
Голяма част от тях вече са в електроразпределителните мрежи. Това налага осигуряването на устойчивостта да се осъществява не само от електроенергийния системен оператор, но и от операторите на електроразпределителните мрежи."
Голямата аварията в Испания потвърди именно това: системата се разпадна поради масовото каскадно изключване на фотоволтаични инвертори в разпределителните мрежи. Разпределителните предприятия - дружествата, управляващи мрежата ниско и средно напрежение - до неотдавна не са носели пряка отговорност за системната устойчивост. Тя е била основно задължение на системния оператор.
"Но с промяната в структурата на производството това разделение вече не е валидно - отбелязва доц. Рад Станев, т.е. поддържането на устойчивостта изисква активна роля на електроразпределителните предприятия. - Много от разпределителните предприятия все още нямат нито инструментите, нито обучените специалисти, нито прякото задължение да участват активно в управлението на устойчивостта. Изграждането на тези капацитети е не по-малко важно от изграждането на лабораториите. Това е следващата фронтова линия в науката за сигурността на електроенергийните системи."
