DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97088-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40216871
تاريخ النشر: 2025-04-11
المؤلف: Paul C. Okonkwo وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة المتجددة الهجينة
نظرة عامة
تجري هذه الدراسة تقييمًا اقتصاديًا وتكنولوجيًا مفصلًا لأنظمة الطاقة الهجينة المتجددة لمحطات تزويد الهيدروجين (HRS) في نزوى، عمان، باستخدام خوارزميات تحسين متقدمة لتحديد التكوينات الأكثر كفاءة من حيث التكلفة. تم تحليل ثلاثة أنظمة هجينة: الطاقة الشمسية-توربين الرياح-البطارية (PV-WT-B)، الطاقة الشمسية-الرياح-خلية الوقود-البطارية (PV-WT-FC-B)، وتوربين الرياح-البطارية (WT-B). تشمل المقاييس الرئيسية التي تم تقييمها التكلفة الحالية الصافية (NPC)، التكلفة المستوية للطاقة (LCOE)، والتكلفة المستوية للهيدروجين (LCOH). تشير النتائج إلى أن تحسين سرب الجسيمات المقيد (CPSO) يحقق باستمرار أدنى NPC وLCOE وLCOH، بينما تظهر خوارزمية البحث عن التناغم (HS) ومُحسّن الذئب الرمادي (GWO) تكاليف أعلى بسبب عدم الكفاءة في التقارب. يكشف تحليل الحساسية عن علاقة عكسية قوية بين سعة الطاقة الشمسية ومقاييس التكلفة، مما يبرز الفوائد الاقتصادية لزيادة توليد الطاقة الشمسية.
تؤكد النتائج أن نظام PV-WT-B الهجين هو الخيار الأكثر جدوى لنشر HRS في نزوى، متفوقًا على التكوينات الأخرى من حيث مقاييس التكلفة. تسلط الدراسة الضوء على أن دمج خلايا الوقود (كما في PV-WT-FC-B) يفرض أعباء اقتصادية إضافية، بينما تعزز مجموعة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بشكل كبير كفاءة التكلفة مقارنةً بـ WT-B. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية نسبة الطاقة المتجددة وعامل السعة في تحسين اقتصاديات الطاقة، داعية إلى تنفيذ HRS المتجددة كاستراتيجية عملية لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتعزيز إزالة الكربون في قطاع النقل في عمان.
طرق
تناقش قسم المنهجية تطبيق أدوات تحسين متنوعة لتكوين الطاقة الهجينة، مع التركيز على التعقيد الكامن في أنظمة الطاقة الهجينة التي تدمج بين مصادر الطاقة المتجددة والتقليدية. تشمل تقنيات التحسين المميزة خوارزمية مايوفلاي (MA)، خوارزمية الجينات (GA)، بحث CUKO، مُحسّن الذئب الرمادي (GWO)، تحسين سرب الجسيمات المقيد (CPSO)، بحث التناغم (HS)، وخوارزمية تلقيح الزهور (FPA). تعتبر هذه الخوارزميات ضرورية لمعالجة أهداف متعددة مثل تقليل التكلفة، وزيادة كفاءة الطاقة، وتقليل الانبعاثات.
تكمن فعالية هذه الطرق في قدرتها على التنقل عبر عدم الخطية والقيود النموذجية لأنظمة الطاقة الهجينة. من خلال تسهيل كل من الاستكشاف العالمي والاستغلال المحلي، تمكن هذه الخوارزميات من التقارب السريع نحو حلول عالية الجودة وقابلة للتطبيق، مما يعزز الأداء العام واستدامة تكوينات الطاقة الهجينة.
نتائج
تسلط نتائج الدراسة الضوء على أهمية تحسين أنظمة الطاقة الهجينة لتحديد التكوينات الأكثر كفاءة لإنتاج الكهرباء والهيدروجين. يكشف تحليل التكلفة الشامل، كما هو موضح في الجدول 3، أن المحلل الكهربائي يشكل أكبر حصة من النفقات لكل محطة تزويد، تليه خلية الوقود، بينما تتحمل أنظمة الطاقة الشمسية (PV) أقل التكاليف. باستخدام برنامج HOMER، يحسب التحليل التكلفة الحالية الصافية (NPC)، التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE)، والتكلفة المستوية للهيدروجين (LCOH) لتكوينات أنظمة الطاقة المختلفة.
توضح الشكل 14 أن تكوين PV-WT-FC-B لديه أعلى NPC (36,421.39 دولار)، LCOE (0.02339 دولار لكل كيلوواط ساعة)، وLCOH (0.862 دولار لكل كجم)، بينما يظهر نظام PV-WT-B أدنى القيم لهذه المقاييس، مع NPC عند 33,618.44 دولار، وLCOE عند 0.02067 دولار لكل كيلوواط ساعة، وLCOH عند 0.626 دولار لكل كجم. يقع نظام WT-B بين هذين التكوينين. تشير النتائج إلى أن نظام الطاقة الهجينة الذي لديه أدنى NPC وLCOE وLCOH يعتبر عادة الخيار الأكثر جدوى لتلبية الطلبات الطاقية، متماشيًا مع المعايير المعتمدة المستخدمة في الأبحاث السابقة لتقييم جدوى الطاقة المتجددة.
نقاش
يسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على الأهمية الاستراتيجية لنزوى، عمان، كمركز محتمل لتطوير الطاقة المتجددة، خاصة بما يتماشى مع أهداف الطاقة العمانية لعام 2040. تدعم المزايا الجغرافية للمدينة، بما في ذلك مستويات عالية من الإشعاع الشمسي وأنماط الرياح المواتية، إنشاء نظام طاقة هجينة يدمج الألواح الشمسية (PV)، وتوربينات الرياح (WT)، والمحللات الكهربائية، وخلايا الوقود (FC)، وخزانات الهيدروجين، والبطاريات. يتم تقييم الجدوى الاقتصادية لهذا النظام من خلال مقاييس تكلفة متنوعة، بما في ذلك التكلفة الحالية الصافية (NPC) والتكلفة المستوية للطاقة (LCOE)، التي تأخذ في الاعتبار القيمة الزمنية للنقود وكفاءات التشغيل.
توضح الورقة المواصفات الفنية والتكاليف المرتبطة بكل مكون من مكونات النظام الهجين، مع التأكيد على أهمية تحسين هذه العناصر لتحقيق إنتاج طاقة فعال من حيث التكلفة. يتم استخدام برنامج HOMER لإجراء محاكاة لتحديد الحجم الأمثل لمكونات النظام، مما يضمن أن التصميم يلبي الطلبات الطاقية لمحطة تزويد الهيدروجين المقترحة (HRS) في نزوى. يتضمن التحليل دراسات حساسية وخوارزميات ذكاء حسابي مستوحاة من الطبيعة، مثل خوارزمية مايوفلاي وخوارزمية الجينات، لتعزيز قوة ومرونة نظام الطاقة تحت ظروف متغيرة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية الطاقة المتجددة في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتعزيز الاستدامة في المنطقة.
القيود
تستخدم الدراسة برنامج HOMER Pro، وهو أداة معروفة لنمذجة أنظمة الطاقة وتحسينها، لتقييم جدوى إنشاء محطات تزويد الهيدروجين (HRS) لمركبات خلايا الوقود في نزوى، عمان. ومع ذلك، تعترف بوجود قيود كبيرة، خاصة غياب البيانات التجريبية أو الميدانية للتحقق. تنشأ هذه القيود من التحديات المرتبطة بربط مخرجات النموذج مباشرةً مع البيانات الواقعية، خاصةً بالنظر إلى البنية التحتية للهيدروجين غير المتطورة في المنطقة وتعقيد المتغيرات التشغيلية.
على الرغم من هذه القيود، تقدم النتائج التي تم الحصول عليها من برنامج HOMER Pro رؤى قيمة حول الجدوى المحتملة لـ HRS تحت سيناريوهات مختلفة، مما يجعلها مصدرًا أساسيًا لصانعي القرار وأصحاب المصلحة. تؤكد الدراسة على أن قدرات تحسين HOMER Pro تستند إلى مبادئ هندسية واقتصادية راسخة، مما يعزز من صلة نتائجها. في النهاية، تهدف الأبحاث إلى تقديم تقييم شامل لجدوى HRS في نزوى، مستفيدة من أدوات تحسين متقدمة جنبًا إلى جنب مع وظائف HOMER Pro.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97088-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40216871
Publication Date: 2025-04-11
Author(s): Paul C. Okonkwo et al.
Primary Topic: Hybrid Renewable Energy Systems
Overview
This study conducts a detailed economic and technological assessment of renewable hybrid power systems for hydrogen refueling stations (HRS) in Nizwa, Oman, utilizing advanced optimization algorithms to identify the most cost-effective configurations. Three hybrid systems were analyzed: photovoltaic-wind turbine-battery (PV-WT-B), photovoltaic-wind-fuel cell-battery (PV-WT-FC-B), and wind turbine-battery (WT-B). Key metrics evaluated include net present cost (NPC), levelized cost of energy (LCOE), and levelized cost of hydrogen (LCOH). The results indicate that the Constrained Particle Swarm Optimization (CPSO) consistently yields the lowest NPC, LCOE, and LCOH, while Harmony Search (HS) and Gray Wolf Optimizer (GWO) demonstrate higher costs due to inefficiencies in convergence. The sensitivity analysis reveals a strong inverse relationship between photovoltaic capacity and cost metrics, emphasizing the economic benefits of increased solar generation.
The findings confirm that the PV-WT-B hybrid system is the most viable option for HRS deployment in Nizwa, outperforming the other configurations in terms of cost metrics. The study highlights that integrating fuel cells (as in PV-WT-FC-B) incurs additional economic burdens, while the combination of photovoltaic and wind energy significantly enhances cost efficiency compared to WT-B. Overall, the research underscores the importance of renewable energy fraction and capacity factor in optimizing energy economics, advocating for the implementation of renewable HRS as a practical strategy to reduce fossil fuel dependency and promote decarbonization in Oman’s transportation sector.
Methods
The methodology section discusses the application of various optimization tools for hybrid energy configuration, emphasizing the complexity inherent in hybrid energy systems that integrate both renewable and conventional energy sources. The optimization techniques highlighted include the Mayfly Algorithm (MA), Genetic Algorithm (GA), CUKO Search, Gray Wolf Optimizer (GWO), Constrained Particle Swarm Optimization (CPSO), Harmony Search (HS), and Flower Pollination Algorithm (FPA). These algorithms are crucial for addressing multiple objectives such as cost minimization, energy efficiency maximization, and emissions reduction.
The effectiveness of these optimization methods lies in their ability to navigate the nonlinearities and constraints typical of hybrid energy systems. By facilitating both global exploration and local exploitation, these algorithms enable rapid convergence towards high-quality, feasible solutions, thereby enhancing the overall performance and sustainability of hybrid energy configurations.
Results
The results of the study highlight the significance of optimizing hybrid energy systems to identify the most efficient configurations for electricity and hydrogen production. A comprehensive cost analysis, as presented in Table 3, reveals that the electrolyzer constitutes the largest share of expenses for each refueling station, followed by the fuel cell, while photovoltaic (PV) systems incur the least costs. Utilizing HOMER software, the analysis calculates the net present cost (NPC), levelized cost of electricity (LCOE), and levelized cost of hydrogen (LCOH) for various energy system configurations.
Figure 14 illustrates that the PV-WT-FC-B configuration has the highest NPC ($36,421.39), LCOE ($0.02339 per kWh), and LCOH ($0.862 per kg), whereas the PV-WT-B system exhibits the lowest values for these metrics, with NPC at $33,618.44, LCOE at $0.02067 per kWh, and LCOH at $0.626 per kg. The WT-B system falls in between these two configurations. The findings indicate that the hybrid energy system with the lowest NPC, LCOE, and LCOH is typically deemed the most viable option for meeting energy demands, aligning with established criteria used in previous research to evaluate renewable energy feasibility.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the strategic significance of Nizwa, Oman, as a potential hub for renewable energy development, particularly in line with Oman’s 2040 energy goals. The town’s geographical advantages, including high levels of solar radiation and favorable wind patterns, support the establishment of a hybrid power system that integrates photovoltaic (PV) panels, wind turbines (WT), electrolyzers, fuel cells (FC), hydrogen tanks, and batteries. The economic feasibility of this system is assessed through various cost metrics, including the Net Present Cost (NPC) and Levelized Cost of Energy (LCOE), which take into account the time value of money and operational efficiencies.
The paper details the technical specifications and costs associated with each component of the hybrid system, emphasizing the importance of optimizing these elements to achieve cost-effective energy production. The HOMER software is utilized for simulations to determine the optimal sizing of system components, ensuring that the design meets the energy demands of a proposed hydrogen refueling station (HRS) in Nizwa. The analysis incorporates sensitivity studies and bio-inspired computational intelligence algorithms, such as the Mayfly Algorithm and Genetic Algorithm, to enhance the robustness and adaptability of the energy system under varying conditions. Overall, the findings underscore the potential for renewable energy to reduce reliance on fossil fuels and promote sustainability in the region.
Limitations
The study utilizes HOMER Pro, a well-established tool for energy system modeling and optimization, to assess the feasibility of establishing Hydrogen Refueling Stations (HRS) for Fuel Cell Vehicles in Nizwa, Oman. However, it acknowledges significant limitations, particularly the absence of experimental or field data for validation. This limitation arises from the challenges associated with directly correlating model outputs with real-world data, especially given the underdeveloped hydrogen infrastructure in the region and the complexity of operational variables.
Despite these constraints, the findings generated by HOMER Pro offer valuable insights into the potential viability of HRS under various scenarios, serving as a foundational resource for decision-makers and stakeholders. The study emphasizes that the optimization capabilities of HOMER Pro are based on established engineering and economic principles, thereby reinforcing the relevance of its results. Ultimately, the research aims to provide a comprehensive evaluation of HRS feasibility in Nizwa, leveraging advanced optimization tools alongside HOMER Pro’s functionalities.