Development and operational optimization of green hydrogen-based integrated energy complexes

Abstract

The main objectives of this study were to develop and optimize a green hydrogen-based integrated energy complexfor enhancing renewable energy utilization, reducing operating costs, and minimizing carbon emissions while addressing the challenges of renewable power intermittency, limited energy storage capability, grid instability, and multi-energy coordination. These objectives were achieved by formulating an integrated multi-energy optimization framework, developing mathematical models for renewable generation, hydrogen production, storage, and energy conversion, determining the optimal sizing of system components, optimizing annual operational scheduling under electrical, hydro-gen, and storage constraints using a mixed-integer linear programming model, validating the optimization results through a particle swarm optimization algorithm, and evaluating the techno-economic and environmental performance of different system configurations. The most important results show that the integrated battery and hydrogen storage configuration increased renewable energy utilization from 28.6% to 71.4%, reduced the levelized cost ofelectricity from 0.181 to 0.061 USD/kWh, lowered total operating costs by approximately 42%, and decreased carbon dioxide emissions by more than 60%, while the levelized cost of hydrogen ranged from 3.15 to 5.85 USD/kg, with a base-case value of 4.35 USD/kg. The significance of the study lies in demonstrating that integrated battery and hydrogen storage combined with advanced optimization provides a scalable, economically competitive, and low-carbon solution for renewable-powered industrial energy systems while offering practical guidance for optimal capacity planning and operational scheduling.

Principalele obiective ale acestui studiu au vizat dezvoltarea și optimizarea unui complex energetic integrat bazat pe hidrogen verde, menit să sporească gradul de utilizare a energiei din surse regenerabile, să reducă costurile de operare și să minimizeze emisiile de carbon, abordând totodată provocările legate de intermitența surselor regenerabile, capacitatea limitată de stocare a energiei, instabilitatea rețelei și coordonarea sistemelor energetice multiple. Aceste obiective au fost atinse prin: formularea unui cadru integrat de optimizare multi-energetică; dezvoltarea unor modele matematice pentru generarea de energie regenerabilă, producția și stocarea hidrogenului, precum și pentru conversia energiei; determinarea dimensiunilor optime ale componentelor sistemului; optimizarea programării operaționale anuale, sub constrângeri specifice energiei electrice, hidrogenului și stocării, utilizând un model de programare liniară cu variabile mixte; validarea rezultatelor optimizării prin intermediul unui algoritm de optimizare de tip „roi de particule” (PSO); și evaluarea performanțelor tehnico-economice și de mediu ale diferitelor configurații ale sistemului. Cele mai importante rezultate indică faptul că configurația integrată de stocare în baterii și hidrogen a crescut gradul de utilizare a energiei regenerabile de la 28.6% la 71.4%, a redus costul actualizat al energiei electrice de la 0.181 la 0.061 USD/kWh, a diminuat costurile totale de operare cu aproximativ 42% și a redus emisiile de dioxid de carbon cu peste 60%; totodată, costul actualizat al hidrogenului s-a situat în intervalul 3,15 –5,85 USD/kg, cu o valoare de referință de 4.35 USD/kg. Semnificațiastudiului rezidă în demonstrarea faptului că integrarea stocării în baterii și hidrogen, combinată cu tehnici avansate de optimizare, oferă o soluție scalabilă, competitivă din punct de vedere economic și cu emisii reduse de carbon pentru sistemele energetice industriale alimentate din surse regenerabile, oferind în același timp orientări practice pentru planificarea optimă a capacitățilorși pentru programarea operațională.

Основными целями исследования были разработка и оптимизация интегрированного энергетического комплекса на основе «зеленого» водорода, предназначенного для повышения эффективности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), снижения эксплуатационных расходов и минимизации выбросов углерода. Решение этих задач требовало интеграции различных энергоносителей на базе ВИЭ и преодоления таких проблем, как прерывистый характер генерации энергии, ограниченные возможности ее хранения, нестабильность энергосети, а также необходимость эффективной увязки систем электро-и теплоснабжения, производства водорода и промышленного энергопотребления. Поставленные цели были достигнуты путем объединения солнечных фотоэлектрических и ветроэнергетических установок с электролизером на основе протонно-обменной мембраны, системой хранения сжатого водорода, водородной топливной ячейкой (в режиме комбинированной выработки тепла и электроэнергии), литий-ионными накопителями энергии, системой производства аммиака и технологией утилизации сбросного тепла. Для определения оптимальных параметров оборудования и годового графика эксплуатации с учетом ограничений поэлектроэнергии, водороду и емкости накопителей применялась модель оптимизации на основе смешанно-целочисленного линейного программирования, верифицированная с помощью алгоритма оптимизации роем частиц. Ключевые результаты показали, что использование комбинированной системы хранения энергии (аккумуляторы и водород) позволило увеличить долю использования ВИЭ с 28.6% до 71.4%, снизить приведенную стоимость электроэнергии с 0.181 до 0.061 долл./кВт·ч, сократить общие эксплуатационные расходы примерно на 42% и уменьшить выбросы углекислого газа более чем на 60%; при этом приведенная стоимость водорода варьировалась в диапазоне от 3.15 до 5.85 долл./кг (базовое значение —4.35 долл./кг).Значимость полученных результатов заключается в том, что они демонстрируют эффективность комплексного подхода, сочетающего системы хранения энергии (аккумуляторы и водород) с производством аммиака и передовыми методами оптимизации. Такое решение является масштабируемым, экономически конкурентоспособным и низкоуглеродным вариантом для промышленных энергосистем на базе ВИЭ.