Интегрированная система оценки рисков и затрат для фотоэлектрических электролизеров с постоянным током

Аккумулятор Trojan T105

Австрийские учёные провели анализ рисков для четырёх установок с совмещёнными фотоэлектрическими и электролизерными системами и протестировали их в трёх сценариях использования. Они рассчитали вероятность отказа, а также усреднённую стоимость водорода и его варианта с учётом рисков.

Исследователи из Австрийского технологического института провели анализ рисков, связанных с объединением фотоэлектрических систем и электролизеров, и обнаружили, что электролизеры имеют более высокую вероятность полного выхода из строя по сравнению с фотоэлектрическими установками.

«В этой статье представлена новая и комплексная система оценки рисков и затрат для проектирования и эксплуатации связанных фотоэлектрических и электролизерных систем, — сказал автор-корреспондент Стефан Нидерхофер в интервью журналу «Фотоэлектричество». — Она опережает современные разработки, сочетая в себе моделирование надежности по деревьям отказов, данные о сбоях на уровне компонентов и экономическую оценку, что в конечном итоге приводит к технико-экономической метрике, учитывающей риски. Она особенно актуальна для планирования водородной инфраструктуры следующего поколения в реальных условиях».

Анализ был проведён с использованием метода анализа дерева отказов (FTA) на основе совокупности источников научной литературы. Таким образом, команда смогла рассчитать вероятность отказа, а также удельную стоимость водорода (LCOH) и её вариант с учётом рисков (LCOHr).

Ученые рассмотрели четыре сценария применения. В сценарии 1.1 электроэнергия, продаваемая напрямую, оплачивается клиентом по договору купли-продажи электроэнергии (PPA), при этом электроэнергия передается от места выработки к месту электролиза через сеть низкого, среднего и высокого напряжения. В сценарии 1.2 фотоэлектрическая система находится на месте, а электроэнергия используется через то же самое подключение низкого или среднего напряжения. В обоих случаях системы считаются современными.

В сценариях 2.0 и 3.0 система считается современной и включает в себя либо прямое соединение постоянного тока с постоянным током, либо жёсткое прямое соединение постоянного тока с постоянным током. В сценарии 2.0 рассматриваются системы фотоэлектрического электролиза с прямым соединением постоянного тока с постоянным током между фотоэлектрической системой и электролизером через преобразователь постоянного тока. В сценарии 3.0 преобразователь постоянного тока не используется, а периферийные устройства работают по минимуму.

Сценарии 1.1, 1.2 и 2.0 рассматривались в трёх вариантах использования: в первом варианте рассматривалась фотоэлектрическая система мощностью 5,6 МВт, восемь инверторов и электролизер мощностью 1 МВт с четырьмя блоками PEM; во втором варианте рассматривалась фотоэлектрическая система мощностью 1,2 МВт, три инвертора и электролизер мощностью 1 МВт с четырьмя блоками PEM; в третьем варианте рассматривалась фотоэлектрическая система мощностью 0,6 МВт, один инвертор и электролизер мощностью 1 МВт с четырьмя блоками PEM. В сценарии 3.0 используются два других варианта применения: первый предполагает использование фотоэлектрической системы мощностью 3,2 кВт с электролизером мощностью 3 кВт и одним блоком, а во втором случае фотоэлектрическая система имеет мощность 9,5 кВт и состоит из трёх блоков электролизеров мощностью 3 кВт каждый.

«Инверторы (фотоэлектрические системы) и воздушный охладитель (электролизная система) наиболее подвержены сбоям. Существует значительный потенциал для снижения вероятности сбоя системы за счёт резервирования обоих компонентов», — сказал Нидерхофер о полученных результатах. «В целом риск сбоя в электролизной системе выше, чем в фотоэлектрической. В электролизной системе меньше возможностей для снижения вероятности сбоя, поскольку это технически сложные, целостные системы».

В частности, для сценариев 1.1, 2 и 3 надёжность составила 79,97%, 79,89% и 69,97% соответственно. Для сценариев 1.2, 2 и 3 надёжность составила 80,06%, 79,96% и 70,01% соответственно. Сценарий 2.0 имел надёжность 87,21%, 87,2% и 85,2% для вариантов использования 1, 2 и 3 соответственно. Сценарий 3.0 имел надёжность 93,99% и 99,97% для вариантов использования 1 и 2 соответственно.

«Резервирование конструкции фотоэлектрического инвертора может привести к значительному снижению риска. Это приводит к снижению на 60% стоимости производства водорода с учётом рисков, LCOHr», — заключил Нидерхофер. «Также было показано, что современные научные сценарии (с подключением к постоянному току) также могут обеспечить дешёвое и надёжное производство водорода. Таким образом, это является вариантом для удовлетворения растущего спроса на водород в будущем».