Оптимізація споживання електроенергії групою однотипних електролізних установок монополярного типу

Автори

Д. А. Котенко, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: dima.kotenko.96@gmail.com, ORCID: 0009-0006-7503-3837

М. М. Зіпунніков, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: zipunnikov_n@ukr.net, ORCID: 0000-0002-0579-2962

О. О. Стрельнікова, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: elena15@gmx.com, ORCID: 0000-0003-0707-7214

Анотація

Останнім часом дедалі більше уваги приділяється екологічним проблемам, пов’язаним із надмірним видобуванням традиційних енергетичних ресурсів. Перехід на стійкі й відновлювані джерела енергії стає ключовим рішенням для подолання виснаження природних ресурсів і зменшення негативного впливу на довкілля. Одним із перспективних напрямів є використання технології отримання водню й кисню за допомогою електролізу. Однак на сьогодні згадані технології вимагають великих витрат енергії. Проте в деяких режимах групової роботи використовуються декілька електролізних установок, які працюють одночасно (у даній статті мова йде про монополярні електролізери з активним електродом), при цьому можуть дуже негативно впливати на елементи електричної мережі, яка живить цю групу електролізних установок. У статті розглядається оптимізація роботи групи однотипних монополярних електролізних установок із метою мінімізації їх негативного впливу на електричну мережу. Наведено результати апроксимації функції, яка описує зміну напруги для електролізу з активним електродом, отриманого з експериментальних даних, за допомогою рядів Фур’є. Визначено цільову функцію оптимізації та розвʼязано задачу пошуку оптимальної черги запуску групи електролізних установок за допомогою стохастичних методів. У результаті проведених розрахунків встановлено, що використання стохастичних методів є доцільним, а на основі запропонованого рішення можна створити прототип реальної системи управління групою однотипних електролізних установок.

Ключові слова: електролізер, водень, оптимізація, алгоритм, функція, густина струму.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. El-Shafie M. Hydrogen production by water electrolysis technologies: A review. Results in Engineering. 2023. Vol. 20. Article 101426. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101426.
2. Ноздренков В. С., Дяговченко І. М., Петровський М. В. Методологія аналізу впливу електромобілів на розподільчу мережу: теоретичний підхід. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність. 2024. № 2 (9). С. 36–46. https://doi.org/10.20998/EREE.2024.2(9).317648.
3. Ноздренков В. С., Дяговченко І. М., Петровський М. В., Волохін В. В. Модель оцінювання старіння розподільних трансформаторів за допомогою нечіткої логіки. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетика: надійність та енергоефективність. 2024. № 1 (8). С. 86–93. https://doi.org/10.20998/2224-0349.2024.01.07.
4. Almutairy N. M., Alawami A. T. Bidding optimization for hydrogen production from an electrolyzer. Materials Research Proceedings. 2024. Vol. 43. P. 214–222. https://doi.org/10.21741/9781644903216-28.
5. Yu D., Yang P., Zhu W. Capacity optimization of photovoltaic storage hydrogen power generation system with peak shaving and frequency regulation. Sustainable Energy Research. 2025. Vol. 12. Article 3. https://doi.org/10.1186/s40807-024-00141-z.
6. Liu Q., Zhou Z., Chen J., Zheng D., Zou H. Optimization operation strategy for comprehensive energy system considering multi-mode hydrogen transportation. Processes. 2024. Vol. 12. Iss. 12. Article 2893. https://doi.org/10.3390/pr12122893.
7. Alamir N., Kamel S., Abdelkader S. Stochastic multi-layer optimization for cooperative multi-microgrid systems with hydrogen storage and demand response. International Journal of Hydrogen Energy. 2025. Vol. 100. P. 688–703. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.12.244.
8. Yang Y., Yan H., Wang J. The multi-objective distributed robust optimization scheduling of integrated energy systems considering green hydrogen certificates and low-carbon demand response. Processes. 2025. Vol. 13. Iss. 13. Article 703. https://doi.org/10.3390/pr13030703.
9. Соловей В. В., Зипунников Н. Н., Шевченко А. А. Исследование эффективности электродных материалов в электролизных системах с раздельным циклом генерации газов. Проблемы машиностроения. 2015. Т. 18. № 2. С. 72–76.
10. Solovey V. V., Shevchenko A. A., Zipunnikov M. M., Kotenko A. L., Khiem N. T., Tri B. D., Hai T. T. Development of high pressure membraneless alkaline electrolyzer. International Journal of Hydrogen Energy. 2022. Vol. 47. Iss. 11. P. 6975–6985. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.01.209.
11. Solovey V., Zipunnikov M., Shevchenko A., Vorobjova I., Kotenko A. Energy effective membrane-less technology for high pressure hydrogen electrochemical generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry. 2018. Vol. 6. No. 1. P. 151–156. https://doi.org/10.17721/fujcV6I1P151-156.
12. Аналіз та експертиза проєктів енергопостачання: Розрахункова робота [Електронний ресурс]: навч. посіб. для студ. спеціальності 144 «Теплоенергетика»; уклад.: Шовкалюк М. М., Яценко О. І. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 69 с. https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/bd6520ce-ab16-40d7-9c30-cfe31e6b2c56/content.
13. Heat values of various fuels. World Nuclear Association: official website. 2020. https://world-nuclear.org/information-library/facts-and-figures/heat-values-of-various-fuels.
14. Chayalakshmi C. L., Jangamshetti D. S., Sonoli S. Boiler efficiency estimation from hydrogen content in fuel. Proceedings of the 4th International Conference on Advances in Computing, Communication, and Informatics (ICACCI), (India, Kochi). 2015. P. 1107–1110. https://doi.org/10.1109/ICACCI.2015.7275758.
15. Тумбрукакі А. В., Кушнірук А. С., Нєдялкова К. В. Елементи комбінаторики та біном Ньютона: методичні рекомендації для організації самостійної роботи та дистанційного навчання за курсом «Елементарна математика» здобувачів вищої освіти за першим (бакалаврським) рівнем спеціальності 014 Середня освіта (Математика). Одеса: ФОП Бондаренко М. О., 2020. 35 с. https://dspace.pdpu.edu.ua/bitstream/123456789/9904/1/Kombinatoryka.pdf.
16. Bansal J. C., Bajpai P., Rawat A., Nagar A. K. Sine cosine algorithm for optimization. Springer Singapore, 2023. 108 p. https://doi.org/10.1007/978-981-19-9722-8.
17. Axelrod R. Genetic algorithm. Wikipedia. 2025. https://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_algorithm.

Надійшла до редакції 08.03.2025

Прийнята 20.06.2025