Исследовательская группа под руководством ученых из турецкого Международного университета Final International University разработала автономную теплицу, использующую полупрозрачную фотоэлектрическую систему (STPV), аккумуляторную систему хранения энергии (BESS) для краткосрочного хранения энергии и водород для долгосрочного хранения. Размер предлагаемой системы был оптимизирован для максимизации чистой приведенной стоимости (NPV) и минимизации энергетической зависимости (ED) от сети.

«Предыдущие исследования подчеркивают потенциал систем STPV, которые выполняют двойную функцию, пропуская солнечный свет для фотосинтеза и одновременно вырабатывая электроэнергию. Несмотря на это преимущество, существует признанная нехватка энергии в зимние месяцы в теплицах, — объясняет команда исследователей. — Включая BESS и водород как часть гибридного решения для хранения энергии, это исследование обеспечивает комплексный подход к решению проблемы сезонной энергозависимости и оптимизации управления энергией в течение всего года».

Система была спроектирована для использования STPV с эффективностью 7%, при этом стоимость одной панели мощностью 32 Вт составляет $100. BESS основана на свинцо-кислотных батареях, эффективность зарядки и разрядки составляет от 80% до 90%, а цена — 500 долл./кВт. Эффективность электролизера составляет 80%, а стоимость — 388 (408) евро/кВт; эффективность системы хранения водорода — 90%, а цена — 10 долл./кВт; эффективность топливного элемента — 60%, а цена — 395 евро/кВт.

Предполагаемые тарифы на электроэнергию в сети составляют $0,43 за кВт/ч в пиковый период, $0,12 — в непиковый период и $0,3 — в промежуточный период.

Алгоритм GBO оптимизирует систему на основе трех сценариев:

в первом приоритет отдается финансовой рентабельности, то есть более высокому NPV;

во втором достигается баланс между рентабельностью (более высокий NPV) и энергетической независимостью (низкий ED);

в третьем предпринимается попытка достичь максимальной энергетической независимости, то есть минимально возможного ED.

Были собраны и использованы данные о солнечном освещении летом и зимой в Катаре.

«GBO — это эффективный и мощный алгоритм, который использует две основные стратегии поиска: эксплуатацию и разведку. Эксплуатационный метод поиска нацелен на поиск локальных оптимумов, обеспечивая детальный и тонкий поиск в определенной области пространства поиска, — пояснили ученые. — В противоположность этому, метод поиска с помощью исследования нацелен на поиск глобальных оптимумов путем широкого поиска во всем пространстве решений».

Ученые обнаружили, что для первого сценария требуется площадь STPV 8 500 кв. м, мощность BESS — 150 кВт, энергия — 240 кВт-ч и водородный накопитель на 4 436,4 кг. В этом случае NPV составит $1 584 800, а первоначальные инвестиции — $1 304 006. Система будет иметь коэффициент ED 15,07% и импортировать из сети 19 200 кВт энергии летом, 62,76% и 86 851 кВт зимой, соответственно.

Для оптимизации второго сценария потребовалась площадь STPV 12 750 кв. м, мощность BESS — 225 кВт, энергия 360 кВт/ч и водородный накопитель на 8 763,6 кг. В этом случае NPV составит $1 483 500 при первоначальных инвестициях в $2 007 900. Система будет иметь коэффициент ED 10,64% и импортировать 15 000 кВт энергии из сети в летний период. Зимой коэффициент ED будет составлять 40,09%, при этом будет импортироваться 50 595 кВт.

Наконец, третий сценарий требует площади STPV 27 200 кв. м, мощности BESS — 480 кВт, энергии — 768 кВт/ч и хранения водорода на 23 476 кг. В этом случае NPV составит $98 223 при первоначальных инвестициях в размере $4 401 100 долларов. Коэффициент ED системы составит 10,31%, а летом она будет импортировать из сети 14 760 кВт электроэнергии. Зимой коэффициент ED будет составлять 1,56%, а импорт составит всего 1 078,7 кВт.

«Сценарии с минимальной ставкой ED приводят к отрицательным NPV, подчеркивая компромисс между достижением энергетической независимости и поддержанием финансовой жизнеспособности, — заключила команда. — Эта оптимизация с двойным фокусом не только повышает экономическую жизнеспособность тепличных энергетических систем, но и способствует устойчивости и энергетической независимости, предоставляя ценные рекомендации для разработки устойчивых и финансово жизнеспособных стратегий управления тепличной энергетикой».