Одними из самых крупных потребителей электроэнергии из числа различных видов транспорта являются многочисленные морские суда, фактически, представляющие собой плавучие дизельные и газотурбинные электростанции. Потребность судна в энергии зависит от его водоизмещения и назначения и может варьироваться от сотен кВт для контейнеровозов до десятков МВт для круизных судов.
Если в море электричество вырабатывается судовыми генераторами, то во время стоянок в портах у судовладельца появляется альтернатива: возможность подключиться к береговой сети. При этом энергия, получаемая с берега, с учетом затрат на береговую инфраструктуру обходится, как правило, значительно дороже собственной. Обеспечить судно за счет собственных генераторов дешевле, но у причала они обычно работают в неоптимальном режиме и создают большой объем выбросов и загрязнений.
В целях снижения портовых выбросов европейские гавани увеличивают стоимость судового электричества, облагая все суда, не подключающиеся к береговой сети, дополнительными сборами.
Группа итальянских экспертов (Франческо Конте, Фабио Д'Агостино и Федерико Сильвестро) попыталась решить комплексную задачу: одновременно снизить стоимость берегового электропитания, сохранить доходы порта на приемлемом уровне и выдержать жесткие требованиям ЕС по декарбонизации логистических объектов. Для проверки эффективности предлагаемого подхода авторы провели моделирование, результаты которого изложены в статье, опубликованной в журнале IEEE Electrification (v. 11, № 1 за 2023 год).
Авторы предложили построить энергосистему порта путем интеграции нескольких видов источников электроэнергии. Помимо береговой сети и судовых генераторов предложено задействовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) и системы накопления энергии (СНЭ) различных типов, в том числе аккумуляторные батареи и водородные топливные элементы в связке с электролизерами. СНЭ помогают сглаживать стохастический характер генерации ВИЭ и полнее раскрыть их потенциал, а водород используется для хранения энергии от ВИЭ, а также для бункеровки судов, оснащенных генераторами на основе топливных элементов. Порт, оснащенный такой энергосистемой и необходимыми для неё блоками управления, трактуется как «интеллектуальный порт» и мульти-энергетический хаб (multi-energy hub или MEH).
В использованной модели порт имеет два причала: один получает электричество из береговой сети (электрический причал), а другой оборудован системой подачи водорода (водородный причал). Электрический причал снабжает обычные, работающие на дизельном топливе, суда с возможностью берегового присоединения, формируя основную электрическую нагрузку. Водородный причал снабжает суда с нулевым уровнем выбросов, на которых бортовые дизельные генераторы заменены водородными топливными элементами с протонно-обменной мембраной (PEMFC) или гибридные водородно-электрические суда. В обоих случаях они оснащены топливными элементами и системами хранения водорода. В водородную систему порта входят электролизер, использующий энергию ВИЭ, установки преобразования водорода в электроэнергию и емкости для хранения водорода. Для обеспечения еще большей гибкости в электрической части предполагается использование электрических аккумуляторов. В модель также внесены такие электрические и водородные нагрузки, как зарядная станция для подключаемых электромобилей, портовые коммунальные здания и водородная заправочная станция для автомобилей.
Управление портом реализуется с помощью алгоритма прогнозного управления на основе стохастической модели. Система управления MEH должна обеспечивать решение следующих задач: минимизация экономических затрат и максимизация доходов, полное удовлетворение спроса на электроэнергию, использование водородных транспортных средств, максимизация генерации ВИЭ, минимизация всех типов выбросов.
Предполагается, что порт будет иметь экономические доходы от продажи электроэнергии пришвартованным у причалов судам и внешним покупателям, а также от продажи водорода собственного производства на водородные и гибридные суда.
Управление таким энергокомплексом осложняется наличием трех разных классов устройств. Первый – полностью управляемые устройства, энергобаланс которых может управляться произвольно (к ним относятся системы хранения). Второй – частично управляемые (к ним отнесены ВИЭ). Третий – устройства с прогнозируемым потреблением, на энергобаланс которых повлиять нельзя. К последним отнесены портовые здания, станции подзарядки электромобилей и прочие портовые мощности. Потребительские нагрузки, как правило, являются частично управляемыми или только прогнозируемыми компонентами. Полностью и частично управляемые компоненты дают системе управления порта гибкость, необходимую для оптимизации работы, тогда как прогнозируемые компоненты привносят неопределенность, которую нужно компенсировать. Для компенсации неопределенности, неизбежных ошибок прогнозирования и эффективной минимизации затрат используются возможности полностью управляемой компоненты, которой для этого нужно выделить достаточный резерв энергии.
Моделирование также учитывает различную временную динамику компонентов энергосистемы: например, генерация ВИЭ может значительно меняться в течение одного часа, тогда как бункеровка судна с водородным топливом может длиться много часов, а работу водородного хранилища необходимо планировать, как минимум, на один день вперед. В качестве решения выбрана иерархическая оптимизация, в которой первый уровень программирует «медленную» динамику во временном горизонте от недели и больше (с разбивкой на 12–24 часа), второй уровень – «быструю» динамику во временном горизонте в один день (с разбивкой на 1 час или менее). Для реализации описанной архитектуры управления требуются долгосрочные прогнозы для первого уровня и краткосрочные для второго.
Ключевой задачей для управления портом является оценка и прогноз нагрузки берегового электропитания судов, которая зависит от характеристик судов и графика морского движения. Потребность в мощности пришвартованного судна может сильно отличаться для разных судов. Поэтому необходимы прогнозы спроса на электроэнергию на основе расписания причалов и класса причаливающих судов, а также прогнозы генерации ВИЭ в зависимости от погоды, прогноз спроса на водород и со стороны всех других электрических нагрузок (например, зданий и станций подзарядки EV).
В качестве объекта моделирования был взят порт Генуи в Италии. Различные компоненты были рассчитаны с использованием специализированного программного обеспечения. При расчетах применены два подхода: оптимизация с ограничениями по шансам и оптимизация на основе сценариев. В модели использованы крупные дизель-электрические суда типа Ro-Pax (грузопассажирские паромы) и гибридные суда с водородным топливом типа малых танкеров. Также предполагается, что у каждого причала одновременно пришвартовано только по одному судну каждого типа.
По результатам моделирования энергобаланс, например, за период с 1 по 7 февраля выглядит так. Общее потребление электроэнергии составляет 780 МВт⋅ч, из них покупка из сети – 540 МВт⋅ч (70%), выработка ВИЭ – 160 МВт⋅ч (20%), топливные элементы – 45 МВт⋅ч, аккумуляторы – 35 МВт⋅ч. В апреле доля ВИЭ увеличивается до 380 из 1150 МВт⋅ч (до 33%), в июне – до 390 из 700 МВт⋅ч (56%) при пропорциональном снижении доли сетевой электроэнергии. Энергия расходуется, в основном, на электропитание судов (60–80%), остальной объем идет на подзарядку батарей, электролизеры и продается внешним потребителям.
Затраты порта на покупку энергии в феврале составили €83,6 тыс., доходы от берегового подключения судов – €105,9 тыс., доходы за услуги причала - €4,8 тыс., доходы от продажи энергии внешним потребителям – около €1 тыс. Общие доходы порта составили €30 тыс. Положительное сальдо получено для всех временных периодов моделирования. В июне снижается покупка сетевой электроэнергии при одновременном снижении питания судов, и увеличивается выработка ВИЭ. Излишки энергии в этот период продаются внешним потребителям, что позволяет порту поддерживать приемлемый уровень доходов.
Полученные результаты показывают, что благодаря интеллектуальной системе управления порт MEH может работать оптимально, одновременно увеличивая экономический доход и избегая использования бортовых дизель-генераторов, а также не ограничивая выработку ВИЭ.
Подробнее читайте исходную статью в IEEE Electrification (т. 11, № 1 за 2023 год).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России