Forskere ved Hanze University of Applied Sciences Groningen i Nederland har for første gang undersøkt hvordan man kan kombinere hydrogenproduksjon ogBatterienergilagringssystemmed solcellekraft på taket eller små vindturbiner innFrittstående PV-systemfor husholdninger.
"Så vidt vi vet, har ingen publisert studie brukt hydrogensystemet som hovedlageret ved hybridisering av fornybar energi med batterier, og viktigst av alt, ingen studier har vurdert de variable oppstartskravene for proton exchange membrane (PEM) elektrolysatorer for hydrogen produksjon og lagring ved utforming av fornybare energisystemer utenfor nettet," uttalte gruppen, og la til at batteriene er ment å brukes for å unngå innskrenkning når hydrogenproduksjon ikke kan prioriteres.
Forskerne forklarte at hydrogenHybrid PV-systembasert på PEM-elektrolyse gir fordelen av å være hurtigresponssystemer, egnet for lagringssystemer der hydrogensystemet fungerer som hovedlagringsenhet kombinert med et batteri som sekundærlagring. De understreket imidlertid også at hydrogenet som genereres via elektrolyse, må tørkes og renses fra spor av vann og oksygen før det kan brukes.
Det foreslåtte systemet er ment for lagring av overskudd av solenergi, med batteriet som kun fungerer som en primær lagringsenhet når hydrogenproduksjon ikke er umiddelbart tilgjengelig. Den består av et 4,5 kW PEM hydrogenelektrolysesystem, en 0.85 m3 hydrogenlagringstank, en 0.8 kW renseenhet, en PEM hydrogenbrenselcelle og et litiumionbatteri. "Brennselcellen kan bare levere strøm direkte til forbrukeren og den lader ikke batteriet eller støtter elektrolysatoren," forklarte akademikerne. "Elektrolysatoren og brenselcellen krever henholdsvis demineralisert vann og luft for drift."
Systemet er også avhengig av en trykkreguleringsventil for å stille inn utgangstrykket til hydrogenet, som kan stilles til nesten 50 bar uten eksterne midler. Den er også i stand til å holde elektrolysatoren i gang når overskuddet av solenergi er nær nok elektrolysatorens minimumseffekt og forventet overskuddseffekt i de påfølgende 10 minuttene er relativt høy. "Den bruker batteriet til å lagre energi når kraften eller varigheten av kraften fra fornybare energikilder er utilstrekkelig til at elektrolysesystemet kan starte opp og fungere," sa forskerne.
Forskergruppen simulerte ytelsen til systemet via Python-programvare og brukte flere innganger for å bestemme hvordan elektrisk energi skal lagres når det er overskudd. De antok at systemet ble utplassert i et typisk nederlandsk enebolig med et årlig behov på 4 MWh.
Simuleringen viste at den beste systemkonfigurasjonen for PV-kilden inkluderer en 2,65 kW solcellepanel med en tiltvinkel på 35 grader og en asimutvinkel på 180 grader. Kostnaden for PV-systemet ble antatt å være €1.317 ($1.430)/kW, mens kostnaden for elektrolysatoren og brenselcellen ble estimert til henholdsvis €9.677 og €7.500. Kostnaden for hydrogentanken ble angitt til € 1 915, og prisen på 2,93 kW-batteriet ble antatt å være € 372,5 / kWh.
Analysen viste at elektrolysatoren under ingen omstendigheter var i stand til å fungere med sin maksimale nominelle effekt, noe som betyr at den kan reduseres, og dermed redusere systemets kostnader, understreket forskerne. "Sensitivitetsanalyse for å variere den nominelle effekten til elektrolysatoren viste at en elektrolysator med en nominell effekt på mellom 1550 W og 2,000 W er mer tilstrekkelig og kostnadseffektiv for konfigurasjonen av basistilfellet definert i denne studien ," forklarte de videre, og la til at den optimale kapasiteten til batteriet ble identifisert til rundt 3 kW.
Simuleringsserien viste også at det å kun stole på vindkraft var mer kostnadseffektivt enn å bruke solenergi alene, mens en kombinasjon av de to kildene ga de beste resultatene. "Energien som kreves av renseenheten kan betraktes som ubetydelig for alle scenarier," la akademikerne til, og bemerket at fremtidig forskning bør teste den foreslåtte løsningen i større skala eller i et system som integrerer varmeproduksjon.
