Optimal control strategies for grid-assisted green hydrogen generation systems based on PEM technology: production and energy storage applications

Abstract

No contexto de demandas energéticas crescentes e preocupações ambientais, o hidrogênio surge como uma via promissora para a produção de energia sustentável, especialmente quando integrado a fontes de energia renováveis (hidrogênio verde). Contudo, o cenário atual da produção global de hidrogênio depende predominantemente de fontes não renováveis, destacando uma lacuna significativa para alcançar um futuro energético sustentável. Desenvolver sistemas de controle ótimos na produção de hidrogênio verde é essencial para preencher essa lacuna. Esta pesquisa empregou modelagem matemática fenomenológica para simular o comportamento dos sistemas de produção de hidrogênio verde alimentados por rede elétrica e painéis fotovoltaicos. Ademais, formula estratégias de controle ótimo de fase única, multifase e híbridas. A metodologia também incluiu o desenvolvimento de uma biblioteca MATLAB baseada em CasADi para resolver problemas de controle ótimo multifase por transcrição direta. Os principais resultados do estudo mostram que as estratégias de controle de multifase reduziram o consumo de energia da rede sob diferentes condições de energia solar. Em uma simulação ao longo de um ano utilizando dados reais, o estudo encontrou uma redução de até quatro vezes em comparação com uma estratégia de fase única.

Abstract: In the context of escalating energy demands and environmental concerns, hydrogen emerges as a promising avenue for sustainable energy production, especially when integrated with renewable energy sources (green hydrogen). However, the current global hydrogen production landscape predominantly relies on non-renewable sources, highlighting a significant gap in achieving a sustainable energy future. Developing optimal control systems in green hydrogen production is essential to bridge this gap. This research employed phenomenological mathematical modeling to simulate the behavior of green hydrogen production systems powered by grid and photovoltaic panels. Furthermore, it formulates single-phase, multi-phase, and hybrid optimal control strategies. The methodology also included developing a MATLAB toolbox based on CasADi for solving multi-phase optimal control problems by direct transcription. The study's key results show that the multi-phase control strategies reduced grid energy consumption under different solar energy conditions. In a year-long simulation using real-world data, the study found a reduction of up to four times compared to a single-phase strategy.