Система жидкостного воздуха с фотоэлектрическим приводом вырабатывает водород, тепло и пресную воду
Аккумулятор FIAMM 12FGL100
Международная научная группа разработала новую многогенерационную систему, основанную на возобновляемых источниках энергии и хранении энергии в жидком воздухе, а затем применила методы мягких вычислений для оптимизации её работы. Оптимизированная удельная стоимость водорода (LCoH) составила 1,52 доллара США за кг и 5,22 доллара США за м³.
Исследовательская группа под руководством учёных из Технологического университета Туси в Иране предложила новую многоцелевую систему, которая производит электричество, пресную воду, водород, обеспечивает отопление, охлаждение и вырабатывает гипохлорит натрия. Она основана на использовании возобновляемых источников энергии и системы хранения энергии в жидком воздухе (LAES).
«Самым инновационным аспектом этой работы является усовершенствованная интеграция системы LAES с гибридной установкой для опреснения воды (сочетающей термические и мембранные процессы) и мультигенерационной системой, работающей на возобновляемых источниках энергии, что позволяет создать полностью согласованную платформу для одновременного производства энергии и пресной воды, — пояснила команда. — Эта конфигурация не только использует возобновляемые источники энергии для зарядки LAES и накопления избыточной тепловой энергии, но и эффективно рекуперирует отработанное тепло на этапе разрядки для опреснения воды и производства водорода».
Первоначальная конструкция системы включает в себя литий-железо-фосфатный аккумулятор с изоэнтропическим КПД 85 %, временем зарядки восемь часов и временем разрядки четыре часа. Предполагается, что зарядка будет осуществляться с помощью солнечных панелей размером 2 на 2 метра и ветряных турбин с КПД 90 %. Система использует комбинированное охлаждение, обогрев и питание (CCHP), которое подключено к стороне разрядки литий-железо-фосфатного аккумулятора. В системе используется как обратный осмос (ОО), так и многоступенчатая дистилляция (МЭД), а оставшийся рассол используется для электролиза с целью получения водорода и гипохлорита натрия.
Предполагается, что система будет работать 1200 часов в год и прослужит 20 лет. Для экономической оценки используется ставка дисконтирования в размере 3 %, инфляция и процентная ставка — по 10 %, а коэффициент технического обслуживания — 3 %. Все это было смоделировано с помощью системы инженерных уравнений (ESS) и проверено в сравнении с предыдущими исследованиями. Погрешность всех компонентов системы составила менее 6 %. После этого система была оптимизирована с помощью метода мягких вычислений.
«Процесс оптимизации — это способ найти наиболее подходящие настройки. Поэтому для определения наиболее подходящих значений выбранных целевых функций используется многоцелевой алгоритм оптимизации роя частиц (MOPSO). В MOPSO все элементы движутся в соответствии с общими и индивидуальными принципами», — пояснили в группе. «Применяя методы мягких вычислений для оптимизации с использованием искусственных нейронных сетей, исследователи стремятся повысить эффективность, экономическую целесообразность и экологическую устойчивость предложенной конфигурации».
Результаты первоначальной системы показывают, что эффективность снижения ущерба окружающей среде составляет 9,16 для систем опреснения, 3,4 для накопителей энергии и 3,64 для систем с несколькими генераторами. Расчётный индекс устойчивости (SI), основанный на эксергетической эффективности, составил 1,88 для системы и 1,92 для подсистемы хранения энергии в жидком воздухе (LAES). За время эксплуатации солнечные компоненты системы позволили сэкономить 6 141,37 тонны CO₂, а ветряные турбины предотвратили выбросы 2 646,31 тонны CO₂. Кроме того, было предотвращено более 55 тонн выбросов оксидов азота (NOx).
«Оптимизированные значения удельных затрат на водород и воду по результатам эксергоэкономического анализа составляют 1,52 доллара США за кг и 5,22 доллара США за м3 соответственно, — заявили учёные. — После оптимизации система может обеспечивать 1,15 ГВт охлаждения, 1,41 ГВт бытового отопления, 57,47 т NaClO, 6,49×107 м3 водорода (в газовой фазе) и 7,59×104 м3 пресной воды в год».
Исследователи представили результаты работы «Оптимизация с помощью мягких вычислений мультигенерационной системы, интегрированной с возобновляемыми источниками энергии и накопителем энергии в виде жидкого воздуха», которая была недавно опубликована в Journal of Energy Storage. В исследовании приняли участие учёные из Технологического университета Туси в Иране, Университета Ватерлоо в Канаде, Международного бизнес-университета, Школы международных отношений Балсилли (BSIA) и Технологического университета Эйндховена в Нидерландах.