Ze względu na nieciągły charakter pozyskiwania energii elektrycznej wytwarzanej w OZE trudno jest wykorzystywać takie źródło w sposób stabilny, co powoduje powstanie czasowych luk między mocą dostępną a mocą pobieraną przez użytkowników końcowych [C. Sun, H. Zhang, Chem. Sus. Chem., 2022, 15, e202101798].
Aby rozwiązać ten problem, integracja magazynów i generatorów energii może znacznie poprawić stopień wykorzystania i stabilność systemów opartych na OZE. Hybrydowe systemy mikrosieci fotowoltaiczno-regeneracyjnych z wodorowymi ogniwami paliwowymi (ang. photovoltaic–regenerative hydrogen fuel cell) mają duży potencjał w dążeniu do zwiększenia udziału energii odnawialnej w postaci technologii fotowoltaicznej z wytwarzaniem, magazynowaniem i ponownym wykorzystaniem wodoru [A. Arsalis et al., Energies, 2022, 15, 3512]. Takie systemy mogą działać w pełni autonomicznie lub pozostawać podłączone do większych centralnych sieci elektroenergetycznych i wymieniać energię w zależności od potrzeb [M.A. Ancona, et al., Int. J. Hydrogen Energy, 2017, 42, 20979–20993].
Systemy mikrosieci oparte na OZE wymagają wydajnego i elastycznego magazynowania energii w celu zwiększenia ich wydajności. Oprócz magazynowania energii elektrycznej w akumulatorach, które nadają się przede wszystkim do magazynowania krótkotrwałego, do magazynowania długoterminowego można wykorzystać wytwarzanie, magazynowanie i ponowne wykorzystanie wodoru. W szczególności dla tych podsystemów należy zastosować inteligentny schemat działania elektrolizera, stosów ogniw paliwowych i jednostek magazynowania wodoru HSU (ang. hydrogen storage units). Dodatkowo praca z ogniwami paliwowymi generuje ciepło, które można odzyskać w celu całkowitego lub częściowego pokrycia obciążenia grzewczego obsługiwanych budynków (ogrzewanie pomieszczeń, ciepła woda użytkowa itp.). Dostępność wodoru w lokalnej mikrosieci zapewnia również zasilanie wodorem pojazdów elektrycznych napędzanych ogniwami paliwowymi (FCEV). Może to również pomóc w ograniczeniu emisji typu „well-to-wheel” w systemie transportowym. Mikrosieć zasilana fotowoltaiką ze sprzężonymi możliwościami wytwarzania, magazynowania i ponownego wykorzystania wodoru może przynieść znaczące korzyści, w tym uniknięcie zatorów w centralnych sieciach elektroenergetycznych, zmniejszenie produkcji energii elektrycznej w scentralizowanych elektrowniach oraz zwiększenie mocy generowanej z OZE w sieci energetycznej [Y. He, et al., Energy Convers. Manag., 2021, 249, 114834; M. Alam, et al., Sustain. Energy Technol. Assess., 2020, 42, 100840].
W systemach mikrosieciowych typowe moduły fotowoltaiczne na bazie krzemu krystalicznego umieszczane są głównie na dachach obsługiwanych budynków, jednak gdy wymagana jest dodatkowa moc wytwarzania energii, mogą być instalowane w parkach lub na farmach fotowoltaicznych. Do współpracy z modułami PV używa się elektrolizerów bądź ogniw paliwowych. Jeżeli chodzi o elektrolizery to najbardziej dojrzałą technologią są ogniwa elektrolizerów alkalicznych (AEC), ale obserwuje się także ogniwa elektrolizerów z membraną do wymiany protonów (PEMEC) i ogniwa elektrolizerów ze stałym tlenkiem (SOEC). Z kolei głównymi technologiami ogniw paliwowych są te z membraną do wymiany protonów (PEMFC) oraz ze stałym tlenkiem (SOFC). W tym przypadku ogniwa PEMFC są bardziej odpowiednie w zastosowaniach zdecentralizowanych na małą skalę, ponieważ działają w niższych temperaturach, a gdy paliwem jest czysty wodór, nie wykazują efektu zatrucia charakterystycznego dla tej grupy urządzeń. O ile moduły PV mają udowodnioną trwałość o tyle stosy elektrolizerów i ogniwa paliwowe są wrażliwe na wahania obciążenia, częstotliwość uruchamiania i wyłączania oraz warunków pracy na biegu jałowym, co znacząco wpływa na czas życia i możliwą przedwczesną degradację całych systemów [C.B. Robledo, et al., Appl. Energy, 2018, 215, 615–629].
W hybrydowych systemach mikrosieci PV-RHFC zwykle wymagane jest połączenie wielu rodzajów magazynów energii, co wymaga efektywnego wymiarowania pojemności tych magazynów. Baterie nie są zbyt elastyczne pod względem pojemności i działania dla systemu mikrosieci opartego na PV, ponieważ muszą działać w ograniczonym stanie naładowania, aby uniknąć degradacji na wczesnym etapie życia. Z tych powodów bateria jest używana tylko do krótkotrwałego magazynowania energii, mającego na celu pokrycie częstych, chwilowych szczytów mocy. Zwykle stosuje się dostępne na rynku akumulatory np. kwasowo-ołowiowe lub litowo-jonowe [A.X.Y. Mah, et al., Energy, 2021, 235, 121218].
Magazynowanie wodoru wykorzystuje się, aby poprawić długoterminowe możliwości magazynowania, ponieważ obecne urządzenia HSU oferują znikome współczynniki samorozładowania [20]. Inną ważną zaletą magazynowania wodoru jest bardzo wysoka gęstość energii wodoru, co jest wysoce pożądane w zastosowaniach samochodowych i ogólnie w zastosowaniach, w których nieuniknione są ograniczenia przestrzenne. Najbardziej praktyczną technologią magazynowania wodoru jest wodór sprężony, ze względu na dojrzałość technologiczną i niski koszt inwestycyjny. Jednak w ostatnich latach pojawiły się inne technologie, które nie wymagają wysokiego ciśnienia, takie jak wykorzystanie wodorków metali [Y. Xiang, et al., Appl. Energy, 2021, 283, 116374].
Podsystem RHFC wymaga kilku elementów pomocniczych zwykle zależnych od typu HSU, ale nie tylko. W przypadku technologii sprężonego wodoru przed magazynowaniem potrzebna jest sprężarka wodoru natomiast w przypadku technologii wodorków metali potrzebny jest układ chłodzenia/ogrzewania . Do oczyszczenia wody wodociągowej przed użyciem w elektrolizerze jest również potrzebny oczyszczacz wody ponieważ elektrolizery wymagają wody destylowanej o bardzo niskim przewodnictwie (zwykle < 2 S/cm), aby zachować zalecaną przez producenta żywotność [S. Abulanwar, et al., Appl. Energy, 2021, 304, 117756].
Dodatkowe komponenty systemu PV-RHFC obejmują przetwornice DC/DC i DC/AC, szyny DC i AC, które umożliwiają pracę mikrosieci zarówno w trybie DC, jak i AC, w zależności od potrzeb . Wygenerowany prąd stały jest zwykle przetwarzany na prąd przemienny za pomocą falownika DC/AC w celu zaspokojenia obciążeń elektrycznych budynku . Magistrala AC może być wykorzystana do integracji modułów fotowoltaicznych, akumulatorów, elektrolizera i elementów pomocniczych z energoelektroniką w celu sterowania przepływami mocy . Cały system energetyczny jest zintegrowany za pomocą systemu zarządzania energią (EMS), aby skutecznie zarządzać wszystkimi połączonymi komponentami. System EMS służy do zapewnienia stabilności napięcia szyny DC i zrównoważenia podaży z popytem, przy jednoczesnej minimalizacji interakcji z centralną siecią energetyczną [M. Alam, et al., Sustain. Energy Technol. Assess., 2020, 42, 100840].
W drugiej części przedstawione zostaną zasady działania i zastosowanie mikrosieci PV-RHFC.
