ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΣΩΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΣΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ PJM ΚΑΙ ΤΗΣ CALIFORNIA

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΣΩΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΣΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ PJM ΚΑΙ ΤΗΣ CALIFORNIA ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΥΣΑΛΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΣΤΑΜΑΤΕΡΗ ΔΕΣΠΟΙΝΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΑΛΕΞΙΑΔΗΣ ΜΗΝΑΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΜΑΡΤΙΟΣ 2017

2 Στο Γιάννη Στη Μαρία 2

3 Πρόλογος - Ευχαριστίες Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση των μέσων αποθήκευσης ενέργειας και η χρήση τους σε διάφορες ενεργειακές υπηρεσίες. Κατά τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας συνέβαλλαν άνθρωποι, τους οποίους ευχαριστούμε θερμά για την πολύτιμη βοήθεια και στήριξή τους. Αρχικά θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα καθηγητή της διπλωματικής μας, τον αγαπητό μας κύριο Μηνά Αλεξιάδη, η συνεχής βοήθεια, η εμψύχωση και οι ατελείωτες ώρες συνεργασίας του οποίου ήταν καθοριστικοί παράγοντες στην διεκπεραίωση της παρούσας διπλωματικής. Θα θέλαμε επίσης να ευχαριστήσουμε το διδακτορικό φοιτητή Στυλιανό Βαγρόπουλο, για τη βοήθειά του στη διασαφήνιση ορισμένων λειτουργιών και οικονομικών όρων του συστήματος PJM. Ιδιαίτερη αναφορά πρέπει να γίνει στον κύριο Αντώνη Μαρινόπουλο, το επιστημονικό άρθρο του οποίου αποτέλεσε την αφορμή για την πραγματοποίηση της διπλωματικής μας. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τις οικογένειές μας και τους φίλους μας για την στήριξή τους και την υπομονή που έδειξαν κατά τη διάρκεια των σπουδών μας και ιδιαίτερα κατά τους μήνες εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής. 3

4 Περιεχόμενα Πρόλογος - Ευχαριστίες 3 Περιεχόμενα 4 Εισαγωγή 7 Κεφάλαιο 1. Κατηγορίες Μέσων Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας Ηλεκτρικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Υπεραγώγιμα Μαγνητικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Πυκνωτές Μηχανικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Υδραντλητικοί Σταθμοί Αποθήκευση Ενέργειας με Συμπιεσμένο Αέρα Σφόνδυλοι Θερμοηλεκτρικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Ηλεκτροχημικά Μέσα Αποθήκευσης ενέργειας Μπαταρίες Οξέος- Μολύβδου 27 Βασικές Τεχνολογίες. 27 Βασικές Αντιδράσεις Στοιχείων Μπαταρίες Νικελίου- Καδμίου Μπαταρίες Λιθίου Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου Τεχνολογίες Αποθήκευσης που βρίσκονται στο Στάδιο του Σχεδιασμού 38 Κεφάλαιο 2. Σύγκριση των Μέσων Αποθήκευσης Ενέργειας με βάση διάφορα κριτήρια Σκοπιμότητα και προσαρμογή στην πηγή ενέργειας Σύγκριση των διαφορετικών εφαρμογών αποθήκευσης Σύγκριση ως προς το πεδίο εφαρμογής Σύγκριση της ενεργειακής απόδοσης (ανά κύκλο) των συστημάτων αποθήκευσης Σύγκριση με βάση το αρχικό κόστος της επένδυσης Σύγκριση με βάση το κόστος επένδυσης ανά κύκλο φόρτισης - εκφόρτισης 44 4

5 Σύγκριση με βάση την μάζα ή την πυκνότητα Συνολική σύγκριση 47 Κεφάλαιο 3. Χρήση Μέσων Αποθήκευσης σε Ενεργειακές Υπηρεσίες Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Νέες προκλήσεις συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Συνεισφορά των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στις προκλήσεις του συστήματος μεταφοράς Σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας Προκλήσεις συστήματος διανομής ηλεκτρικής ενέργειας Συνεισφορά των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στις προκλήσεις του συστήματος διανομής Καταναλωτές Εφαρμογές των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στη διαχείριση της ζήτησης Ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Αποτελέσματα χρήσης μέσων αποθήκευσης Υπηρεσίες στο ηλεκτρικό δίκτυο Τεχνικές απαιτήσεις των υπηρεσιών ενός ηλεκτρικού δικτύου Τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας σε ενεργειακές υπηρεσίες 60 Κεφάλαιο 4. Χρήση μπαταριών Ιόντων Λιθίου για ρύθμιση συχνότητας (frequency regulation) στο σύστημα του PJM Χαρακτηριστικά μπαταρίας Ανάλυση σήματος Ανάλυση τιμών του συστήματος PJM Αποτελέσματα Οικονομικά αποτελέσματα Πλάνο απόσβεσης 76 Κεφάλαιο 5. Χρήση μπαταριών Ιόντων Λιθίου για τη μείωση της αιχμής φορτίου καταναλωτή στην Καλιφόρνια Χαρακτηριστικά μπαταρίας Ανάλυση φορτίου Ανάλυση τιμών Αποτελέσματα 82 5

6 5.6. Οικονομικά Αποτελέσματα Πλάνο απόσβεσης 86 Κεφάλαιο 7. Σύνοψη - Συμπεράσματα 87 Βιβλιογραφία - Αναφορές 88 6

7 Εισαγωγή Βρισκόμαστε σε μια εποχή στην οποία οι νέες ενεργειακές απαιτήσεις και το προφίλ των καταναλωτών υπαγορεύουν εκτός από την παραγωγή μεγαλύτερων ποσών ενέργειας και την αποθήκευσή της, για μικρά ή μεγάλα διαστήματα. Η ανάγκη για αποθήκευση ενέργειας, γίνεται όλο και πιο απαραίτητη με την εισαγωγή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στην παραγωγή και με την αύξηση της πολυπλοκότητας των δικτύων. Ως συστήματα αποθήκευσης ενέργειας ορίζονται οι διατάξεις που έχουν τη δυνατότητα να απορροφούν ηλεκτρική ενέργεια από τις μονάδες παραγωγής ή το δίκτυο να την αποδίδουν πίσω την κατάλληλη στιγμή σύμφωνα με τις εκάστοτε ανάγκες. Τα μέσα αποθήκευσης μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τέσσερις βασικές κατηγορίες, τα ηλεκτρικά, μηχανικά, θερμικά και χημικά, ανάλογα με τη μορφή που αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται αρχικά μια προσπάθεια παρουσίασης των κυριότερων μέσων αποθήκευσης κάθε κατηγορίας. Για κάθε μέσο θα εξεταστούν οι βασικές τεχνικές παράμετροι και οι πιθανές μελλοντικές βελτιώσεις, τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και τα ειδικά χαρακτηριστικά του. Στη συνέχεια επικεντρωνόμαστε στη σύγκριση των διαφόρων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας με βάση το πεδίο εφαρμογής τους. Ολοκληρώνοντας τη σύγκριση των διάφορων μέσων αποθήκευσης ενέργειας θα επικεντρωθούμε στα ηλεκτροχημικά μέσα αποθήκευσης και συγκεκριμένα στις μπαταρίες Ιόντων- Λιθίου. Θα μελετήσουμε τη χρήση μπαταριών σε δύο περιπτώσεις ενεργειακών υπηρεσιών σε συστήματα της Αμερικής. 7

8 Κεφάλαιο 1. Κατηγορίες Μέσων Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας 1.1. Ηλεκτρικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Υπεραγώγιμα Μαγνητικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Οι πυκνωτές και τα πηνία είναι κλασσικά ηλεκτρικά στοιχεία τα οποία μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια. Η ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό πεδίο στους πυκνωτές. Στα πηνία η ενέργεια αποθηκεύεται σε ηλεκτροδυναμικό πεδίο, Σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1. Αποθήκευση ενέργειας σε πηνίο. Για την αποθήκευση σημαντικών ποσοτήτων ενέργειας, είναι απαραίτητα υψηλά ρεύματα. Καθώς οι απώλειες εξαρτώνται από το τετράγωνο του ρεύματος είναι απαραίτητο να υπάρχει μηδενική ή πολύ χαμηλή αντίσταση. Έτσι επικεντρωνόμαστε στα υπεραγώγιμα πηνία, Σχήμα 1.2. Η υπεραγωγιμότητα είναι μια κατάσταση στην οποία η αντίσταση πλησιάζει το μηδέν εξαιτίας των κβαντικών φαινομένων. Αυτή η κατάσταση επιτυγχάνεται σε ειδικά υλικά που ονομάζονται υπεραγώγιμα και σε πολύ 8

9 ειδικές συνθήκες, πχ. σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Το νιόβιο είναι ένα παράδειγμα κλασσικού υπεραγώγιμου υλικού το οποίο απαιτεί θερμοκρασίες κάτω των 9,25Κ για να εισέλθει στην υπεραγώγιμη κατάσταση. Αυτό επιτυγχάνεται με την ψύξη με υγρό ήλιο (σημείο υγροποίησης στους 4,2Κ). Άλλα υλικά όπως οι κεραμικοί υπερπυκνωτές υψηλής θερμοκρασίας, έχουν θερμοκρασίες μετάβασης εύρους από 35 έως 138Κ και επιτρέπουν την ψύξη με φθηνότερα υλικά όπως το υγρό άζωτο (για υλικά με θερμοκρασίες μετάβασης άνω των 77Κ). Σχήμα 1.2. Υπεραγώγιμο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (SMES). Κατά τη διάρκεια της φόρτισης το πηνίο τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα από το μετατροπέα. Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί ένα συνεχές μαγνητικό πεδίο στο οποίο αποθηκεύεται η ενέργεια. Για να είναι σε θέση να χρησιμοποιεί τις υπεραγώγιμες ιδιότητες (χωρίς απώλειες) του πηνίου, πρέπει να τοποθετηθεί σε υγρό ήλιο, ώστε να μπορεί να επιτύχει θερμοκρασίες κάτω των -260 C, ή σε υγρό άζωτο ώστε να έχει θερμοκρασίες κάτω των -196 C. Η διαδικασία εκφόρτισης ξεκινά με τη σύνδεση πηνίου σε ένα εξωτερικό φορτίο από ένα σύστημα μεταγωγής. Έπειτα παρέχεται η ενέργεια από το μαγνητικό πεδίο το οποίο οδηγεί ένα ρεύμα. Η μαγνητική ενέργεια και το ρεύμα μειώνονται κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης. Τα υπεραγώγιμα μαγνητικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (SMES) είναι κατάλληλα για μικρές χρονικές περιόδους και χαρακτηρίζονται ως μέσα αποθήκευση ισχύος (power storage), δηλ. έχουν πολύ υψηλή ισχύ φόρτισης - εκφόρτισης. Χρησιμοποιούνται μόνο σε επιδείξεις και εξειδικευμένες εφαρμογές παραδείγματα των οποίων δίνονται στον Πίνακα 1.1 9

10 Περιοχή Bonneville Power Administration, US Broolhaven National Laboratory Upton NY, US Χωρητικότητα 8,33 kwh 0,66 kwh Ονομαστική Ισχύς 10 MW 1,4 MW Υλικό Νιόβιο Τιτανίου NbTi 2G HTS Θερμοκρασία Λειτουργίας 4,5 Κ 4,2-77 Κ Πίνακας 1.1. Παραδείγματα εφαρμογών υπεραγώγιμων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας Έχουν υψηλές απώλειες σε κατάσταση αναμονής (standby losses) εξαιτίας της ανάγκης για ψύξη, Πίνακας 1.2. Στην παρούσα χρονική στιγμή τα SMES με υπερπυκνωτές υψηλής θερμοκρασίας βρίσκονται υπό έρευνα με στόχο τη μείωση των απαιτήσεων σε ψύξη. Εξαιτίας των λιγοστών εφαρμογών τους, τα SMES δύσκολα θα γίνουν ανταγωνιστικά σε σχέση με άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης ανανεώσιμης ενέργειας. Πιθανή εμπορική τους χρήση θα ήταν να παρέχουν ρεύμα βραχυκύκλωσης για ενεργοποίηση διακοπτών σε δίκτυα, Πίνακας 1.3. Δυνατά σημεία Δυνατότητα υψηλής ισχύος Μεγάλη διάρκεια ζωής Αδυναμίες Υψηλές απαιτήσεις ψύξης Ακριβές πρώτες ύλες Πολύπλοκος σχεδιασμός αντιστροφέων και μετρητικών διατάξεων Ευκαιρίες Πρωτοποριακή Τεχνολογία Κίνδυνοι Απαιτήσεις Ασφάλειας εξαιτίας των χαμηλών θερμοκρασιών και των υψηλών μαγνητικών πεδίων Νέα Υπεραγώγιμα Υλικά Ανεπαρκώς Επικυρωμένη Τεχνολογία Πίνακας 1.2. Ανάλυση SWOT Υπεραγώγιμων Μαγνητικών Μέσων Αποθήκευσης 10

11 Σήμερα 2030 Απόδοση 80-90% Ενεργειακή Πυκνότητα 0,5-10 Wh l -1 Πυκνότητα Ισχύος 1-4 kw l -1 Κύκλοι Ζωής Χωρίς περιορισμό Διάρκεια ζωής Βάθος Εκφόρτισης - 20 χρόνια Η εξέλιξη της τεχνολογίας των υπεραγώγιμων υλικών είναι αβέβαιη Αυτο-εκφόρτιση 10-15% /ημέρα Κόστος εγκατεστημένης ισχύος - Κόστος ενέργειας εγκατεστημένης - Χρόνος απόκρισης Απαιτήσεις τοποθεσίας Κύριες εφαρμογές περίπου 1-10 ms Ψύξη, Σύστημα Μεταγωγής και Αντιστροφέα Πρωτογενής Έλεγχος Συχνότητας, Έλεγχος Τάσης, Αποκοπή Αιχμής, UPS -Οι αριθμοί είναι ενδεικτικοί και μπορεί να ποικίλουν σημαντικά ανάμεσα σε διαφορετικά προϊόντα και εγκαταστάσεις. -Είναι σχεδόν ανέφικτο να βρεθούν εγκεκριμένα δεδομένα για αυτή την τεχνολογία. Για το λόγο αυτό, τα στοιχεία του παραπάνω πίνακα είναι υποθετικά. Πίνακας 1.3. Παράμετροι υπεραγώγιμων μαγνητικών μέσων αποθήκευσης ενέργειας Πυκνωτές Οι πυκνωτές ήταν η πρώτη τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Η βασική λειτουργία τους είναι αρκετά απλή. Δύο αγώγιμες πλάκες τοποθετούνται αντικριστά και χωρίζονται με μονωτικό υλικό. Η ποσότητα αποθηκευμένης ενέργειας εξαρτάται από το μέγεθος των πλακών, την απόσταση ανάμεσα τους και τις διηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών που βρίσκονται ανάμεσα στις πλάκες, Σχήμα

12 Σχήμα 1.3. Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με πυκνωτές Μία σημαντική παράμετρος της ποσότητας αποθηκευμένης ενέργειας, είναι η διηλεκτρική σταθερά μεταξύ των ηλεκτροδίων μονωτικών υλικών. Ο Πίνακας 1.5 αναφέρει επιγραμματικά τις διηλεκτρικές σταθερές διαφόρων υλικών. Υψηλότερες διηλεκτρικές σταθερές μπορούν να επιτευχθούν βασισμένες στο τιτανικό ασβέστιο, στρόντιο, βισμούθιο, ή βάριο. Υλικό ε r Υλικό ε r Γυαλί Χαλαζία 3,75 Νερό 81 Πυρέξ 4,3 Αιθανόλη 25,8 Πορσελάνη 6-7 Βενζόλιο 2,3 Οξείδιο του Χαλκού 18 Νιτροβενζόλιο 37 CuO 2 TiO 2 ~ 80 Αέρας 1, CaTiO 3 ~ 160 H 2 1, (SrBi)TiO 3 ~ 1000 SO 2 1,0099 Πίνακας 1.5. Διηλεκτρικές Σταθερές Διαφόρων Υλικών 12

13 Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες πυκνωτών διαθέσιμες στην αγορά, όπως τα κεραμικά, τα φύλλα αλουμινίου, ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές και ηλεκτροχημικοί διπλού στρώματος (electrochemical double-layer capacitors EDLCs), όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.6. Xωρητικότητα 10 3 (kf) 10-3 (mf) 10-6 (μf) 10-9 (nf) (pf) Παράδειγμα Τεχνολογίας Πυκνωτές Διπλού Στρώματος Ηλεκτρολυτικοί Πυκνωτές Πυκνωτές Αλουμινίου Κεραμικοί Πυκνωτές Κεραμικοί Πυκνωτές Τάση ~ 2,8 V V V V V Αποθηκευμένη Ενέργεια ανά Συσκευή ~ Wh ~ Ws ~ mws ~ mws ~ μws Εφαρμογές Εφαρμογές Αποθήκευσης Ενέργειας, πχ. υβριδικοί δίσκοι, UPS Ηλεκτρονικά Ισχύος Τεχνολογία Χαμηλής Συχνότητας, πχ. ενισχυτές ήχου Τεχνολογία Χαμηλής Συχνότητας, πχ. ενισχυτές ήχου Τεχνολογίες Υψηλής Συχνότητας, πχ. ραδιόφωνο, τηλεόραση, υπολογιστές Πίνακας 1.6. Επισκόπηση τυπικών τεχνολογιών πυκνωτών Οι πρώτοι τύποι πυκνωτών έχουν μικρή χωρητικότητα ενέργειας και έτσι δεν είναι χρήσιμο να αναλυθούν εδώ. Είναι τεχνολογίες που αρμόζουν σε εφαρμογές με υψηλή συχνότητα κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης από 1Hz έως μερικά MHz. Ωστόσο, οι τεχνολογίες αυτές δεν μπορούν να στηρίξουν τη ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή να εξυπηρετήσουν οποιαδήποτε εφαρμογή με την έννοια του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Πέρα από τους εμπορικούς πυκνωτές που είναι διαθέσιμοι στην αγορά σήμερα, υπάρχει το όραμα των μελλοντικά βελτιωμένων solid-state πυκνωτών με ενεργειακές πυκνότητες μεταξύ μπαταριών βαθιάς εκφόρτισης (lead acid batteries) και μπαταρίες ιόντων λιθίου (lithium-ion batteries). Κάτι τέτοιο θα απαιτούσε πολύ λεπτής στρώσης υλικά. Θεωρητικά μία ενεργειακή πυκνότητα των 100 Wh/kg θα απαιτούσε διηλεκτρικό υλικό με πάχος 1μm και διηλεκτρική σταθερά Εκτός λοιπόν από την εξέλιξη στην τεχνολογία υλικών απαιτείται μια πολύ προηγμένη επιστημονικά και ταυτόχρονα αξιόπιστη διαδικασία παραγωγής. Η επεξεργασία ενός λεπτού στρώματος το οποίο θα απλώνεται για χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα, και το οποίο θα αντέχει πολύ υψηλά ηλεκτρικά πεδία, θα είναι σίγουρα μία πρόκληση. Επιπλέον πλεονεκτήματα θα είναι ο απεριόριστη διάρκεια ζωής (ημερολογιακή ή σε αριθμό κύκλων 13

14 λειτουργίας), η υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλή ευστάθεια και απόδοση σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών Μηχανικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Υδραντλητικοί Σταθμοί Το υδραντλητικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας περιλαμβάνει 2 διασυνδεδεμένες δεξαμενές νερού που βρίσκονται σε διαφορετικά υψόμετρα όπως πχ. μια λίμνη βουνού και μια λίμνη πεδιάδας. Οι αγωγοί βεβιασμένης ροής συνδέουν την άνω με την κάτω δεξαμενή. Μία ηλεκτρικά τροφοδοτούμενη αντλία, αντλεί το νερό από την κάτω προς την επάνω δεξαμενή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και ένας στρόβιλος ενεργοποιείται από το τρεχούμενο νερό κατά τη διαδικασία εκφόρτισης. Η ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας είναι ανάλογη με το γινόμενο της συνολικής μάζας νερού και της υψομετρικής διαφοράς ανάμεσα στις δεξαμενές Σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4. Υδραντλητικός σταθμός 14

15 Η υδραντλητική αποθήκευση ενέργειας είναι η επικρατέστερη αποθηκευτική τεχνολογία στον κόσμο με περισσότερα από 127 GW εγκατεστημένης ισχύος και χρησιμοποιείται από τις αρχές του 20 ου αιώνα. Τέτοια συστήματα είναι ήδη πολύ ώριμα, διαδεδομένα και καθιερωμένα Πίνακας 1.7. Χώρα / Πόλη Ονομαστική Ισχύς (MW) Διάρκεια σε Ονομαστική Ισχύ (h) Γερμανία / Waldshut 150 2,5 Γερμανία / Tannesberg 35 3 Ηνωμένες Πολιτείες / Georgetown Πολωνία / Porabka-Zar Γερμανία / Markersbach Ηνωμένο Βασίλειο / Dinorwig Ηνωμένες Πολιτείες / Blairstown Νότια Κορέα / Muju-gun 600 7,3 Ηνωμένες Πολιτείες / Escondido 40 8 Ιαπωνία / Asago Νότια Κορέα / Sancheong-gun 400 9,6 Νότια Αφρική / Jagersrust Ηνωμένες Πολιτείες / Εθνικός Δρυμός George Washington Λιθουανία / Kruonis Ηνωμένες Πολιτείες / Shaver Lake ,5 Ηνωμένο Βασίλειο / Lochawe Πίνακας 1.7. Υδραντλητικές εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας Βελτίωση στην απόδοση και το κόστος των υδραντλητικών σταθμών μπορεί να επιτευχθεί με εξελιγμένους τύπους στροβίλου και γεννήτριας. Η πιο σημαντική καινοτομία των τελευταίων δεκαετιών είναι η εφαρμογή αντλιών με ευέλικτη λειτουργία. Οι παλαιότερες αντλίες μπορούν βασικά να λειτουργήσουν μόνο στη μέγιστη ισχύ ή να σταματήσουν, ενώ η νεότερη 15

16 γενιά των αντλιών μπορεί να διακυμάνει την ισχύ άντλησης σε ένα ευρύ φάσμα. Αυτό προσδίδει μεγαλύτερη ευελιξία και αυξάνει το βαθμό απόδοσης των σταθμών αυτών. Η δυνατότητα ανάπτυξης νέων υδραντλητικών συστημάτων αποθήκευσης είναι περιορισμένη στην κεντρική Ευρώπη, καθώς λιγοστεύουν οι κατάλληλες τοποθεσίες και αυξάνονται οι περιβαλλοντικές ευαισθησίες. Υπάρχουν μόνο μερικές νέες εγκαταστάσεις στο στάδιο του σχεδιασμού ή της κατασκευής. H μεγαλύτερη δυνατότητα για ανάπτυξη της χωρητικότητας αποθήκευσης στην Ευρώπη είναι η μετασκευή των ΥΗΣ δεξαμενής σε υδραντλητικούς σταθμούς. Πρόκειται για σταθμούς με εποχιακούς ταμιευτήρες νερού, οι οποίοι μέχρι στιγμής δεν έχουν δυνατότητα άντλησης και συνήθως δεν έχουν κάτω δεξαμένη. Συνήθως ο λόγος Ενέργειας προς Ισχύ (E2P) είναι αρκετά μεγάλος για να παρέχει ισχύ για αρκετές εβδομάδες ή μήνες. Σχεδιαστικός στόχος τους ήταν να συλλέξουν το νερό κατά τη διάρκεια των υγρών εποχών και να παράγουν υδροηλεκτρική ενέργεια συνεχώς όλο το χρόνο. Για να ενεργοποιηθούν αυτές οι εγκαταστάσεις για την αποθήκευση της ενέργειας, πρέπει να εξοπλιστούν με αντλίες. Ωστόσο, η μεγαλύτερη πρόκληση είναι να βρεθούν οι κατάλληλοι χώροι για κάτω δεξαμενές. Τα ποτάμια δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολύ εύκολα καθώς θα πρέπει να ανεγερθούν φράγματα και η αλλαγή στη στάθμη του νερού έχει οικολογικές επιπτώσεις. Παρ' όλα αυτά, οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης υδροηλεκτρικής ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ευέλικτες πηγές ακόμη και χωρίς την επιλογή άντλησης, αν μπορούν να εφοδιαστούν με μεγαλύτερους στροβίλους και να λειτουργούν πιο δυναμικά για να αντισταθμίσουν τις διακυμάνσεις των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Επίσης, η επιλογή αυτή έχει μερικές οικολογικές επιπτώσεις που οφείλονται στις διακυμάνσεις των ρυθμών ροής κατάντη της μονάδας παραγωγής ενέργειας. Για παράδειγμα, πολύ ευνοϊκή επιλογή για την εξισορρόπηση αιολικής ενέργειας της Βόρειας Ευρώπης (λόγω της εγγύτητας με τη Βόρεια Θάλασσα) είναι η χρήση των συστημάτων αποθήκευσης νερού της Σκανδιναβίας. Η τεκμηριωμένη χωρητικότητα αποθήκευσης μόνο των νορβηγικών δεξαμενών είναι 84 TWh, περίπου 2000 φορές μεγαλύτερη της χωρητικότητα αποθήκευσης του συνόλου των γερμανικών υδραντλητικών σταθμών. Και αυτή η χωρητικότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αποθηκευτική χωρητικότητα ακόμη και χωρίς την προσθήκη επιπλέον αντλιών με έξυπνη διαχείριση ενέργειας. Η Νορβηγία παράγει σήμερα σχεδόν το 100% της ηλεκτρικής ενέργειας της από σταθμούς υδροηλεκτρικής ενέργειας. Εάν η Νορβηγική Αγορά Ηλεκτρικής Ενέργειας μπορούσε να συνδεθεί μέσω ισχυρών δικτύων με αγορές με υψηλή διείσδυση ανανεώσιμων το ακόλουθο σενάριο θα ήταν σχετικά εύκολο να εφαρμοστεί. Όταν υπάρχει πλεόνασμα ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές η Νορβηγία θα εξυπηρετείται από αυτό το ενεργειακό πλεόνασμα. Οι υδραντλητικοί σταθμοί θα παύουν και το νερό θα αποθηκεύεται στις λίμνες. Σε περιόδους χαμηλής παραγωγής ισχύος από ανανεώσιμα, η Νορβηγία θα παράγει περισσότερη ισχύ από ό,τι είναι απαραίτητο για τις Νορβηγικές αγορές και θα εξάγει το πλεόνασμα ηλεκτρικής 16

17 ενέργειας. Αυτό θα απαιτούσε μόνο μετασκευή των υφιστάμενων σταθμών υδροηλεκτρικής ενέργειας με επιπλέον στροβίλους και αγωγούς βεβιασμένης ροής για να αυξηθεί εγκατεστημένη ισχύς. Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τίθενται οικολογικοί περιορισμοί. Πέρα απ αυτό η δυνατότητα μεταφοράς ισχύος θα πρέπει να αυξηθεί σημαντικά. Πίνακες Απόδοση 75-82% (για νέα συστήματα). Τα παλιότερα συστήματα έχουν συνήθως χαμηλότερη απόδοση Ενεργειακή Πυκνότητα 0,27 Wh l -1-1,5 Wh l -1 Πυκνότητα Ισχύος - Κύκλος Ζωής - Διάρκεια σε χρόνια 80 έτη Βάθος Εκφόρτισης % Αυτο-εκφόρτιση 0,005-0,02 % / ημέρα Κόστος Εγκατάστασης Ισχύος $/kw (έχουν αναφερθεί και υψηλότερα κόστη εξαιτίας δύσκολων γεωλογικών συνθηκών) Κόστος Εγκατάστασης Ενέργειας Χρόνος Απόκρισης 5-20 $/kwh περίπου 3 λεπτά Απαιτήσεις τοποθεσίας Δύο δεξαμενές τοποθετημένες σε διαφορετικά ύψη. Σημαντική υψομετρική διαφορά Βασικές Εφαρμογές Έλεγχος συχνότητας, έλεγχος τάσης, αποκοπή αιχμής -Οι αριθμοί είναι ενδεικτικοί και μπορεί να ποικίλουν σημαντικά ανάμεσα σε διαφορετικές εγκαταστάσεις. -Οι τιμές που δίνονται στον παραπάνω πίνακα είναι τυπικές και μπορεί να διαφέρουν στην πραγματικότητα. Πίνακας 1.8. Παράμετροι υδραντλητικών σταθμών 17

18 Δυνατά σημεία Καθιερωμένη Τεχνολογία Πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής Χαμηλή αυτο-εκφόρτιση Αδυναμίες Χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα Γεωγραφικοί περιορισμοί Υψηλό κόστος επένδυσης Καλή απόδοση Μεγάλη διάρκεια απόσβεσης (>30 ετών) Μόνο πολύ μεγάλες μονάδες είναι οικονομικά συμφέρουσες να συνδέονται στο δίκτυο μεταφοράς Ευκαιρίες Μεγάλες προοπτικές σε Νορβηγία, Σουηδία, μικρότερες προοπτικές αλλού Τα κόστη αποθήκευσης είναι ανταγωνιστικά σε σχέση με άλλες τεχνολογίες αποθήκευσης Κίνδυνοι Αργή διαδικασία έγκρισης Υψηλά περιβαλλοντικά στάνταρ Αυξανόμενος ανταγωνισμός από τα διανεμημένα συστήματα αποθήκευσης Η ευέλικτη χρήση υδραντλητικών αντιπροσωπεύει ακόμη περισσότερο ανταγωνισμό Η υψηλή ισχύς απαιτεί σύνδεση στο δίκτυο μεταφοράς και γι αυτό δε μπορεί να επιλύσει τα προβλήματα στο δίκτυο διανομής Υδραντλητικοί στη Νορβηγία. Η κοινωνική και πολιτική αποδοχή είναι κρίσιμη εξαιτίας της επίδρασης στις τιμές ηλεκτρισμού Πίνακας 1.9. Ανάλυση SWOT Υδραντλητικών Μέσων Αποθήκευσης 18

19 Αποθήκευση Ενέργειας με Συμπιεσμένο Αέρα Ο συμπιεσμένος αέρας είναι ένα φτηνό μέσο αποθήκευσης και η ιστορία των συστημάτων αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα ξεκινά με μια πρώτη εγκατάσταση στη δεκαετία του Τα βασικά μέρη του συστήματος, όπως συμπιεστές και οι στρόβιλοι, προέρχονται από πολύ γνωστές τεχνολογίες. Δύο βασικές εκδοχές μπορούν να διακριθούν, με και χωρίς σύστημα αποθήκευσης θερμότητας: δηλ. διαβατικά και αδιαβατικά συστήματα αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα. Στην αποθήκευση ενέργειας με συμπιεσμένο αέρα (Compressed Air Energy Storage, CAES) κατά τη διαδικασία φόρτισης, ο αέρας συμπιέζεται από ένα συμπιεστή που οδηγείται από έναν κινητήρα. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συμπίεσης ο αέρας θερμαίνεται μέσω ενός καυστήρα που χρησιμοποιεί συμβατικά καύσιμα ή βιοκαύσιμα. Η ενέργεια αποθηκεύεται ως συμπιεσμένος αέρας σε ένα θύλακα. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, ο αέρας διαστέλλεται και ως εκ τούτου ψύχεται και εκτονώνεται κινώντας τον στρόβιλο της μονάδας παραγωγής η οποία τροφοδοτεί το δίκτυο. Αντίθετα, σε ένα αδιαβατικό σύστημα CAES, η θερμότητα που παράγεται κατά τη διαδικασία συμπίεσης αποθηκεύεται. Κατά τη διαδικασία εκφόρτισης η αποθηκευμένη θερμότητα χρησιμοποιείται για να θερμανθεί ο αέρας, ενώ εκτονώνεται. Με τον τρόπο αυτό η απόδοση της συνολικής διαδικασίας μπορεί να αυξηθεί κατά περίπου 20% και η λειτουργία είναι τότε χωρίς καθόλου CO 2, καθώς δεν απαιτούνται καύσιμα. Τα συστήματα CAES χρησιμοποιούνται για τη μεσοπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας και μπορεί να θεωρηθούν ως μια εναλλακτική λύση των υδραντλητικών συστημάτων αποθήκευσης. Σήμερα υπάρχουν μόνο δύο μονάδες CAES σε λειτουργία σε όλο τον κόσμο, Πίνακας Η μία μονάδα βρίσκεται στο McIntosch, ΗΠΑ (110 MW), και η άλλη στο Huntorf της Γερμανίας (320 MW). Η μονάδα του Huntorf λειτουργεί με επιτυχία από το Οι μονάδες αυτές λειτουργούν χωρίς αποθήκευση θερμότητας και επομένως χρησιμοποιούν το φυσικό αέριο ως πηγή θερμότητας για τη διαδικασία εκφόρτισης, κάτι το οποίο μειώνει τη συνολική απόδοση. 19

20 Περιοχή Huntorf, Γερμανία McIntosh, Ηνωμένες Πολιτείες Ανάθεση Αποθήκευση Δύο θύλακες άλατος, m 3 το καθένα θύλακες άλατος m 3 Ονομαστική Ισχύς Στροβιλο-οδηγούμενη 290MW για δύο ώρες Οδηγούμενη από συμπιεστή 60 MW για 8 ώρες Στροβιλο-οδηγούμενη 110MW για 26 ώρες Απόδοση 42% 54% Ανοχή Πίεσης / Ενεργειακή Πυκνότητα bar Wh bar Wh -1 Παρατήρηση Η πρώτη εγκατάσταση αποθήκευσης ενέργειας με Συμπιεσμένο Αέρα στον κόσμο Η πρώτη εγκατάσταση αποθήκευσης ενέργειας με Συμπιεσμένο Αέρα στον κόσμο με εναλλάκτη Πίνακας Τεχνικά δεδομένα διαβατικής λειτουργίας αποθήκευσης ενέργειας με συμπιεσμένο αέρα (CAES) Επί του παρόντος, δεν υπάρχουν αδιαβατικά CAES πλήρους κλίμακας σε λειτουργία αλλά διάφορες κοινοπραξίες βρίσκονται στη διαδικασία της ανάπτυξης πρωτοτύπων. Τα βασικά στοιχεία για τα προχωρημένα αδιαβατικά CAES είναι ήδη διαθέσιμα. Ωστόσο, τα απαραίτητα συστήματα αποθήκευσης θερμότητας βρίσκονται ακόμη υπό ανάπτυξη. Η πλέον υποσχόμενη λύση φαίνεται να είναι η στερεάς κατάστασης αποθήκευση θερμότητας πάνω από το έδαφος. Μια πιθανή εναλλακτική λύση που είναι γνωστή από τους ηλιοθερμικούς σταθμούς είναι η αποθήκευση σε τηγμένο άλας. Ωστόσο, καμία απ τις δύο τεχνολογίες δεν είναι ακόμη πολύ ώριμη τεχνικά και/ή εμπορικά διαθέσιμη. Από οικονομική άποψη, τα προηγμένα αδιαβατικά CAES είναι πιο κατάλληλα για εφαρμογές με υψηλό αριθμό κύκλων λόγω της υψηλότερης αποδοτικότητας, ενώ τα διαβατικά CAES παρουσιάζουν χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής σε εφαρμογές με μικρούς αριθμούς κύκλων και χαμηλότερο επενδυτικό κόστος. Τα συστήματα CAES έχουν ορισμένες γεωλογικές απαιτήσεις (π.χ. σπήλαια άλατος) για την εγκατάστασή τους, οι οποίες είναι περιορισμένες παγκοσμίως. Οι πιθανές τοποθεσίες στην Ευρώπη βρίσκονται στην Ολλανδία, στη Β. Γερμανία και το Ηνωμένο Βασίλειο. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί πολλές ιδέες έχουν κατατεθεί για τις δεξαμενές του αέρα. Υπάρχουν ενδιαφέρουσες προτάσεις για υποβρύχιες δεξαμενές αέρα με π.χ. μπαλόνια 20

21 αγκυροβολημένα στο πυθμένα της θάλασσας ή συμπαγείς θαλαμίσκους, επίσης, τοποθετημένους στον πυθμένα της θάλασσας. Αυτές οι λύσεις παρέχουν ένα πρόσθετο πλεονέκτημα, ότι η πίεση στις δεξαμενές μένει σχετικά σταθερή κατά τη διάρκεια της φόρτισης και εκφόρτισης στο επίπεδο που προβλέπεται ανάλογα με το βάθος («ισοβαρής» λειτουργία). Αυτό επιτρέπει μια πιο αποτελεσματική λειτουργία των συμπιεστών και στροβίλων. Συμπερασματικά, υπάρχει σημαντική δυνατότητα βελτίωσης για τα συστήματα πεπιεσμένου αέρα αποθήκευσης. Ωστόσο, είναι ένας τύπος κατάλληλος για κεντρικά συστήματα αποθήκευσης, δηλ. πιο οικονομικός και αποδοτικός σε μεγάλη κλίμακα και δεν υπάρχει προς το παρόν καμία απόδειξη ότι η τεχνολογία μπορεί να λειτουργήσει ανταγωνιστικά στις μελλοντικές αγορές, Πίνακες Απόδοση 70-80% Σήμερα 2030 Ενεργειακή Πυκνότητα 2 Wh l -1 (στα 70 bar) έως 6Wh l -1 (στα 200 bar) Πυκνότητα Ισχύος Κύκλοι Ζωής Κανένας Περιορισμός Διάρκεια σε έτη >25 Βάθος Εκφόρτισης Αυτο-εκφόρτιση, θερμική αποθήκευση 35-50% (για αέρα σε σπήλαια) 0,5-1% /ημέρα Κόστος Εγκατάστασης Ισχύος 1000 kw kw -1 Κόστος Εγκατάστασης Ενέργειας, θερμική αποθήκευση Χρόνος Ανάπτυξης Απαιτήσεις τοποθεσίας kwh -1 περίπου 3-10 λεπτά Δυνατότητα κατασκευής θύλακα (πχ. θύλακας άλατος, υποβρύχια τοποθεσία) Βασικές Εφαρμογές Έλεγχος Συχνότητας, Έλεγχος Τάσης, Αποκοπή Αιχμής, Εξομάλυνση Φορτίου Πίνακας Παράμετροι για προχωρημένη αδιαβατική λειτουργία αποθήκευσης ενέργειας με Συμπιεσμένο Αέρα 21

22 Δυνατά σημεία Σχετικά μικρό κόστος αποθήκευσης ενέργειας Μικρό επιφανειακό αποτύπωμα εξαιτίας της υπόγειας αποθήκευσης Αδυναμίες Υπάρχουν κάποιοι γεωλογικοί περιορισμοί Υψηλό κόστος επένδυσης Μεγάλη διάρκεια ζωής της δεξαμενής αέρα Η θερμική αποθήκευση για την αδιαβατική αποθήκευση ενέργειας με Συμπιεσμένο Αέρα δεν έχει ακόμη επιδειχθεί πλήρως Χαμηλή αυτο-εκφόρτιση συμπιεσμένου αέρα Υψηλή αυτο-εκφόρτιση της θερμικής αποθήκευσης Χαμηλή απόδοση διαβατικού CAES (<55%) Πολύ αργή απόσβεση (>30 έτη) Μόνο τεράστιες μονάδες είναι οικονομικά συμφέρουσες να συνδεθούν στο δίκτυο μεταφοράς Ευκαιρίες Επιτυχής επίδειξη της τεχνολογίας θα μπορούσε να οδηγήσει σε μικρό χρονικό διάστημα στην εμπορική αξιοποίηση Kαλή περιφερειακή συσχέτιση μεταξύ σπηλαίων και περιοχών υψηλής αιολικής ενέργειας στη Γερμανία Κίνδυνοι περιορισμένο αριθμό κατάλληλων χώρων για θύλακες ανταγωνισμός στη χρήση των θυλάκων (πχ αποθήκευση φυσικού αερίου ή πετρελαίου) Aυξανόμενος ανταγωνισμός από αποκεντρωμένα συστήματα αποθήκευσης Περιορισμένος αριθμός τοποθεσιών Η υψηλή ισχύς απαιτεί σύνδεση με το δίκτυο μεταφοράς και ως εκ τούτου δε μπορεί να λύσει τα προβλήματα στο δίκτυο διανομής Πίνακας Ανάλυση SWOT αποθήκευσης ενέργειας με συμπιεσμένο αέρα 22

23 Σφόνδυλοι Ενώ τα συστήματα αποθήκευσης πεπιεσμένου αέρα και τα υδραντλητικά συστήματα αποθήκευσης μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε δυναμική και αντιστρόφως, οι σφόνδυλοι αποθηκεύουν την ενέργεια σε κινητική ενέργεια μέσω περιστρεφόμενων μαζών. Ένα περιστρεφόμενο σώμα επιταχύνεται και το ποσό της ενέργειας που αποθηκεύεται είναι ανάλογο της γωνιακής ταχύτητας ω. Κατά τη διαδικασία φόρτισης ένας κινητήρας χρησιμοποιείται για να επιταχύνει μια μεγάλη περιστρεφόμενη μάζα (σφόνδυλος). Η ενέργεια αποθηκεύεται ως περιστροφική κινητική ενέργεια του σφονδύλου, Σχήμα 1.5. Σχήμα 1.5. Σφόνδυλος Ο δίσκος πρέπει να παραμείνει στρεφόμενος μέχρι να ζητηθεί ενέργεια. Με τη χρήση κενού και μαγνητικών εδράνων οι απώλειες περιστροφής διατηρούνται όσο το δυνατόν μικρότερες. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης η ενέργεια παρέχεται από μια γεννήτρια η οποία οδηγείται από την αδράνεια του σφονδύλου με αποτέλεσμα την επιβράδυνση της περιστρεφόμενης μάζας. 23

24 Οι σφόνδυλοι έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής και πυκνότητα ισχύος, αλλά μάλλον μέτρια πυκνότητα ενέργειας και πολύ υψηλό ποσοστό αυτοεκφόρτισης. Έως και 50% της αποθηκευμένης ενέργειας μπορεί να χαθεί μέσα σε 5-10 h. Για την ελαχιστοποίηση των απωλειών ο σφόνδυλος τυπικά λειτουργεί στο κενό και για τα έδρανα χρησιμοποιούνται π.χ. υπεραγώγιμα υλικά. Ως εκ τούτου, οι σφόνδυλοι έχουν καλές επιδόσεις για εφαρμογές, οι οποίες απαιτούν πολύ υψηλή ισχύ για ένα μικρό χρονικό διάστημα, με υψηλό αριθμό κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης και μόνο σύντομες περιόδους αποθήκευσης (όπου δεν υπάρχει ούτε φόρτιση ούτε εκφόρτιση). Χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, για τη σταθεροποίηση του δικτύου των τραμ και του υπόγειου σιδηρόδρομου. Απορροφούν την ενέργεια κατά τη διάρκεια της αναγεννητικής πέδησης και επιστρέφουν ισχύ κατά τη διάρκεια της φάσης επιτάχυνσης. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς σταθεροποίησης σε ασθενή δίκτυα. Λόγω των υψηλών ποσοστών αυτοεκφόρτισης δεν είναι σε θέση να εξυπηρετούν εφαρμογές με μεγαλύτερους χρόνους αποθήκευσης. Η χρήση μαγνητικών εδράνων και θαλάμων υψηλού κενού μπορεί να μειώσει το ποσοστό αυτοεκφόρτισης των συστημάτων. Ωστόσο, τα μέτρα αυτά αυξάνουν επίσης το κόστος επένδυσης και λειτουργίας, για παράδειγμα, εξαιτίας της αναγκαίας ψύξης των υπεραγώγιμων μαγνητών για τα έδρανα. Επομένως η βασική τεχνική πρόκληση είναι να αναπτυχθούν οικονομικά και αποδοτικά εξαρτήματα με χαμηλή πρόσθετη ζήτηση ενέργειας. Οι περιστροφικές ταχύτητες ποικίλουν από περίπου rpm. Όσο υψηλότερη είναι η γωνιακή ταχύτητα, τόσο μικρότερη είναι η ακτίνα του περιστρεφόμενου σώματος. Τα υλικά πρέπει να αντέξουν τις φυγόκεντρες δυνάμεις. Ως εκ τούτου, για υψηλές ταχύτητες περιστροφής χρησιμοποιούνται ανισότροπα υλικά όπως ελάσματα από ανθρακονήματα ή πλαστικά ενισχυμένα με γυάλινες ίνες. Τα συστήματα χαμηλού κόστους συνήθως χρησιμοποιούν μέτριες γωνιακές ταχύτητες και φθηνά υλικά για να περιστρέψουν μάζες. Υπάρχουν δύο κύριες τάσεις της εν εξελίξει έρευνας. Η ανάπτυξη σφονδύλων υψηλής ταχύτητας έχει ενδιαφέρον λόγω των μικρότερων απωλειών και της υψηλότερης ειδικής ενέργειας. Υπάρχουν επίσης πρωτοβουλίες για την ανάπτυξη σφονδύλων χαμηλού κόστους και μεγάλης μάζας με μεγαλύτερη ονομαστική χωρητικότητα Πίνακες

25 Σήμερα 2030 Απόδοση 80-95% Δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα Ενεργειακή Πυκνότητα Wh l -1 Πυκνότητα Ισχύος 10 kw l -1 Κύκλοι Ζωής Διάρκεια ζωής Αρκετά εκατομμύρια 15 χρόνια Βάθος Εκφόρτισης 75 % Αυτο-εκφόρτιση 5-15 % h -1 Κόστος εγκατεστημένης Ισχύος Κόστος εγκατεστημένης Ενέργειας Χρόνος απόκρισης Απαιτήσεις τοποθεσίας Κύριες εφαρμογές 300 kw kwh -1 Περίπου 10 ms Καμία Ρύθμιση συχνότητας, έλεγχο τάσης, μείωση αιχμής, UPS -Οι αριθμοί είναι ενδεικτικοί και μπορεί να ποικίλουν σημαντικά ανάμεσα σε διαφορετικές εγκαταστάσεις. -Οι τιμές που δίνονται στον παραπάνω πίνακα είναι τυπικές και μπορεί να διαφέρουν στην πραγματικότητα. Πίνακας Παράμετροι σφονδύλων 25

26 Δυνατά σημεία Δυνατότητα γρήγορης φόρτισης Χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης Μεγάλη διάρκεια ζωής Υλικά καλύτερης ποιότητας επιτρέπουν υψηλότερες ταχύτητες περιστροφής και επομένως μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα Ευκαιρίες Αδυναμίες Μικρή ενεργειακή πυκνότητα Ανάγκη για θάλαμο κενού Μπορεί να δημιουργηθούν ρωγμές λόγω δυναμικών φορτίων, προκαλώντας βλάβες στα στηρίγματα Υψηλή αυτο-εκφόρτιση Κίνδυνοι Η πρώτη εμπορική μονάδα κατασκευάστηκε προσφάτως, το 2011, για μεγάλης κλίμακας αποθήκευση Υπάρχουν διαθέσιμες πιο φθηνές τεχνολογίες Ευρέως διαδεδομένα για συστήματα διασφάλισης ισχύος Δεν έχει επιτευχθεί η αύξηση της απόδοσης Χρησιμοποιούνται ήδη για ρύθμιση συχνότητας Πίνακας Ανάλυση SWOT για σφόνδυλους Για την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ευρώπη, οι σφόνδυλοι δεν έχουν ακόμα κάποια αξιοσημείωτη εφαρμογή, αλλά στον Καναδά και τις ΗΠΑ έχουν πραγματοποιηθεί πιλοτικές χρήσεις για παροχή ενεργειακών υπηρεσιών διάρκειας τουλάχιστον 15 λεπτών. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν τα συστήματα αυτά μπορούν να λειτουργούν οικονομικά σε σύγκριση, π.χ, με ένα συμβατικό σύστημα αποθήκευσης (μπαταρία). 26

27 1.3. Θερμοηλεκτρικά Μέσα Αποθήκευσης Ενέργειας Για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν συστήματα θερμοηλεκτρικής αποθήκευσης ενέργειας υψηλής θερμοκρασίας (Thermo-Electric Energy Storage, ΤΕΕS). Κατά τη διαδικασία φόρτισης, παράγεται θερμική ισχύς υψηλής θερμοκρασίας (περίπου 50 o C) από έναν ηλεκτρικό λέβητα. Εναλλακτικά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντλίες θερμότητας, γεγονός που καθιστά το σύστημα πιο πολύπλοκο. Η θερμότητα αποθηκεύεται σε μια θερμική αποθήκευση, όπως πυρίμαχα «τούβλα» οξειδίου του μαγνησίου ή τηγμένο άλας. Κατά τη διαδικασία της εκφόρτισης η θερμότητα εξάγεται από τη θερμική αποθήκευση και παράγεται ατμός, ο οποίος κινεί ένα στρόβιλο. Ο στρόβιλος τροφοδοτεί το δίκτυο με ηλεκτρική ενέργεια. Τα συστήματα TEES είναι συστήματα με μεσοπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας όπως τα υδραντλητικά συστήματα και τα συστήματα CAES. Επί του παρόντος βρίσκονται υπό έρευνα, αποτελούνται λίγο πολύ από τυποποιημένα μέρη και θα μπορούσαν να είναι ανταγωνιστικά σε 5 με 10 χρόνια. Μόνο οι μονάδες της τάξης των MW μπορούν να είναι οικονομικά αποδοτικές. Η κύρια προσπάθεια ανάπτυξης πρέπει να γίνει στον τομέα της ανάπτυξης συστημάτων αποθήκευσης λογικού κόστους με χρήση τυποποιημένων αντλιών θερμότητας. Επιπλέον, θα πρέπει να μελετηθεί η θερμο-οικονομική βελτιστοποίηση των συστημάτων TEES με προσαρμογή στις συνθήκες της αγοράς Ηλεκτροχημικά Μέσα Αποθήκευσης ενέργειας Μπαταρίες Οξέος- Μολύβδου Βασικές Τεχνολογίες. Τα θεμελιώδη στοιχεία της συγκεκριμένης μπαταρίας τέθηκαν πρώτη φορά σε εφαρμογή πριν από 150 χρόνια. Το 1859, ο Gaston Plante ήταν ο πρώτος που ανέφερε ότι ένα χρήσιμο ρεύμα εκφόρτισης θα μπορούσε να αντληθεί από ένα ζεύγος πλακών μολύβδου που ήταν βυθισμένες σε θειικό οξύ και είχαν προηγουμένως υποβληθεί σε ρεύμα φόρτιστης, Σχήμα 1.6. Αργότερα, ο Camille Faure πρότεινε την έννοια των εφαπτόμενων πλακών (pasted plates). Στα επόμενα περίπου 100 χρόνια, διάφορα σχέδια πλακών και διαμορφώσεων των στοιχείων έχουν προταθεί, αλλά οι βασικές αντιδράσεις για την αποθήκευση και παραλαβή της ηλεκτρικής ενέργειας δεν έχουν υποστεί ριζική αλλαγή. 27

28 Σχήμα 1.6. Η μπαταρία και τα στοιχεία του Gaston Plante Βασικές Αντιδράσεις Στοιχείων Η μπαταρία έχει υποστεί πολλές εξελίξεις από την εφεύρεσή της, αλλά αυτές αφορούσαν τροποποιήσεις στα υλικά ή το σχέδιο, και όχι την υποκείμενη χημεία. Σε όλες τις περιπτώσεις, το διοξείδιο μολύβδου (PbO 2 ) χρησιμεύει ως ηλεκτροθετικό υλικό, ο μόλυβδος (Pb) ως ηλεκτραρνητικό υλικό, και το θειικό οξύ (H 2 SO 4 ) ως ηλεκτρολύτης. Οι αντιδράσεις ηλεκτροδίου του στοιχείου δεν είναι συνήθεις από την άποψη ότι ο ηλεκτρολύτης (θειικό οξύ) είναι επίσης ένα από τα αντιδραστήρια, όπως φαίνεται στις παρακάτω εξισώσεις ( Εξισώσεις ) για την εκφόρτιση και φόρτιση. Εξίσωση 1.1. Στο Θετικό Ηλεκτρόδιο (Πλάκα) Εξίσωση 1.2. Στο Αρνητικό Ηλεκτρόδιο (Πλάκα) όπου Ε είναι η τυπική δυνατότητα ηλεκτροδίου για κάθε αντίδραση, δηλαδή, το ηλεκτρόδιο είναι σε μία τυπική κατάσταση. 28

29 Εξίσωση 1.3. Η συνολική αντίδραση των στοιχείων όπου V είναι η τυπική τάση των ηλεκτροδίων. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτή η τάση είναι η υψηλότερη για κάθε τύπο εμπορικής μπαταρίας που χρησιμοποιεί ένα υδατικό διάλυμα ηλεκτρολύτη. Κατά την διάρκεια της εκφόρτισης, τα ιόντα του HSO 4 μεταναστεύουν προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο και αντιδρούν με το μόλυβδο για την παραγωγή ιόντων H + και θειικού μολύβδου (PbSO 4 ). Ο τελευταίος είναι αξιοσημείωτα μη αγώγιμος. Η αντίδραση απελευθερώνει δύο ηλεκτρόνια και, ως εκ τούτου, δημιουργεί μία περίσσεια αρνητικού φορτίου επί του ηλεκτροδίου η οποία ελευθερώνεται από μία ροή ηλεκτρονίων μέσω του εξωτερικού κυκλώματος στο θετικό ηλεκτρόδιο. Κατά την τελευταία λειτουργία, ο μόλυβδος του PbO 2 μετατρέπεται επίσης σε PbSO 4 και την ίδια στιγμή, σχηματίζεται νερό. Έτσι, ο PbSO 4 συγκεντρώνεται προοδευτικά σε ίσες ποσότητες τόσο στο θετικό όσο και στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, με ταυτόχρονη αποδυνάμωση του ηλεκτρολύτη. Η μείωση της συγκέντρωσης των ηλεκτρολυτών (ή της σχετικής πυκνότητας) παρέχει ένα πρόσφορο μέσο για τον προσδιορισμό του βαθμού της εκφόρτισης που έχει πραγματοποιηθεί ή, αντίθετα, της κατάστασης φόρτισης state-of-charge (SoC) του στοιχείου. Από αυτή την άποψη, η μπαταρία αυτή είναι μοναδική. Οι παραπάνω διαδικασίες είναι αντίστροφες για τη φόρτιση. Καθώς το στοιχείο πλησιάζει την πλήρη φόρτιση, το μεγαλύτερο ποσοστό του PbSO 4 θα έχει μετατραπεί ξανά σε μόλυβδο ή PbO 2 και το νερό σε θειικό οξύ. Περαιτέρω πέρασμα του ρεύματος θα προκαλέσει αύξηση της μετατροπής υδρογόνου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και οξυγόνου στο θετικό. Τα αέρια απελευθερώνονται σε στοιχειομετρικές αναλογίες. Στους παραδοσιακούς τύπους στοιχείων (τις λεγόμενες «flooded-elecrtrolyte» μπαταρίες), οι δύο αντιδράσεις έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια του νερού από τον ηλεκτρολύτη. Σε ένα περιορισμένο χώρο, τα αέρια που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της φόρτισης ενός πλημμυρισμένου lead acid στοιχείου θα μπορούσαν να αποτελέσουν εκρηκτικό κίνδυνο. Έτσι, οι επιστήμονες και οι τεχνολόγοι προσπάθησαν να αναπτύξουν «σφραγισμένες» μπαταρίες. Αρχικά, οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν στον καταλυτικό ανασυνδυασμό των αερίων εντός της μπαταρίας. Αυτή η προσέγγιση αποδείχθηκε ωστόσο μη πρακτική. Η επιτυχία ήρθε, με την εφεύρεση της μπαταρίας μολύβδου οξέος ρυθμιζόμενης βαλβίδας (VRLA). Δύο εκδοχές της μπαταρίας εισήλθαν στην αγορά, δηλαδή ο τύπος GEL και η τεχνολογία AGM (απορροφητικό στρώμα γυαλιού). 29

30 Μερικά από τα πλεονεκτήματα των μπαταριών μολύβδου- οξέως είναι τα εξής: είναι διαθέσιμες σε μεγάλες ποσότητες και ποικίλα μεγέθη χωρητικότητας (που ξεκινούν από κάτω του 1 Ah και ξεπερνούν τα 10 kah), έχουν ικανότητα λειτουργίας σε υψηλά ρεύματα, και επομένως η μπαταρία αυτή είναι κατάλληλη για εκκίνηση μηχανών, έχουν αρκετά καλή απόδοση (70%) σε χαμηλές και υψηλές θερμοκρασίες, έχουν χαμηλό κόστος, είναι εύκολη η ανακύκλωση των ηλεκτροχημικών τους στοιχείων και επιδέχονται συντήρηση. Αντίθετα κάποια μειονεκτήματα τους είναι τα εξής: έχουν σχετικά λίγους κύκλους ζωής ( κύκλους), έχουν περιορισμένη ενεργειακή πυκνότητα, είναι δύσκολη η κατασκευή πολύ μικρών μεγεθών, υπάρχει κίνδυνος ανάφλεξης από την παραγωγή υδρογόνου Μπαταρίες Νικελίου- Καδμίου Όλα τα συστήματα αποθήκευσης νικελίου- καδμίου έχουν την ίδια χημική σύσταση. Η θετική πλάκα ηλεκτροδίου αποτελείται από οξυ-υδροξείδιο νικελίου και η αρνητική πλάκα από κάδμιο. Χωρίζονται από ένα λεπτό πορώδες μονωτικό φύλλο. Ο αλκαλικός ηλεκτρολύτης, o οποίος υφίσταται σημαντικές αλλαγές κατά τη λειτουργία, είναι υδροξείδιο του καλίου. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, το οξυ-υδροξείδιο του νικελίου συνδυάζεται με νερό και παράγει υδροξείδιο του νικελίου και ιόν υδροξειδίου. Στο αρνητικό ηλεκτρόδιο παράγεται υδροξείδιο του καδμίου. Κατά τη φόρτιση η διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί. Ωστόσο, κατά τη φόρτιση, στο θετικό ηλεκτρόδιο μπορεί να παραχθεί οξυγόνο και στο αρνητικό ηλεκτρόδιο μπορεί να παραχθεί υδρογόνο. Ως αποτέλεσμα, απαιτείται προσθήκη εξαερισμού και νερού. Ο ηλεκτρολύτης δεν μεταβάλλεται κατά τη διαδικασία με αποτέλεσμα να μην αποτελεί δείκτη της κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας, όπως συμβαίνει στις μπαταρίες μολύβδουοξέως. Υπάρχουν δύο τύποι της μπαταρίας νικελίου- καδμίου: οι σφραγισμένες ( Σχήμα 1.8 ) και αυτές με βαλβίδα εκτόνωσης ( Σχήμα 1.9 ). Σφραγισμένες μπαταρίες νικελίου- καδμίου είναι οι κοινές, καθημερινές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε ένα τηλεχειριστήριο, στις λάμπες κλπ. Από αυτές τις μπαταρίες δεν απελευθερώνονται αέρια, εκτός αν συμβεί κάποιο σφάλμα. Οι μπαταρίες NiCd με βαλβίδα εκτόνωσης έχουν τις ίδιες αρχές λειτουργίας όπως οι σφραγισμένες, αλλά το αέριο απελευθερώνεται σε περίπτωση υπερφόρτισης ή ταχείας εκφόρτιση. Το οξυγόνο και το υδρογόνο απελευθερώνονται μέσω μιας βαλβίδας απελευθέρωσης χαμηλής πίεσης, η οποία κάνει τη μπαταρία ασφαλέστερη, 30

31 ελαφρύτερη, πιο οικονομική και πιο ισχυρή από ό,τι οι σφραγισμένες μπαταρίες νικελίουκαδμίου. Σχήμα 1.8. Δομή ενός σφραγισμένου στοιχείου νικελίου - καδμίου. Σχήμα 1.9. Δομή ενός στοιχείου κελιού νικελίου - καδμίου με βαλβίδα εκτόνωσης. 31

32 Μερικά πλεονεκτήματα των μπαταριών νικελίου - καδμίου είναι τα εξής: δεν χρειάζονται καθόλου συντήρηση, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, έχουν καλή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες και γρήγορη επαναφόρτιση. Πιο συγκεκριμένα, οι σφραγισμένοι συσσωρευτές νικελίου- καδμίου μπορούν να επαναφορτίζονται μέσα σε διάστημα μιας ώρας κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες. Μερικοί μπορούν να επαναφορτιστούν μέσα σε 3-5 ώρες χωρίς ειδικές συνθήκες, ενώ όλοι φορτίζονται πλήρως σε 14 ώρες. Αντίθετα κάποια μειονεκτήματα των μπαταριών νικελίου- καδμίου είναι: η μείωση τάσης ή το φαινόμενο μνήμης σε συγκεκριμένες εφαρμογές, δηλ. απώλεια χωρητικότητας όταν η διαδικασία φόρτισης- εκφόρτισης δεν είναι πλήρης αλλά άτακτη, έχουν υψηλότερο κόστος συγκριτικά με τις μολύβδου - οξέος και χαμηλή διατήρηση φόρτισης, έχουν χαμηλή χωρητικότητα σε σύγκριση με άλλους τύπους μπαταριών, έχουν κακή απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες (για τις οποίες προτιμούνται οι κλειστού τύπου μολύβδου- οξέος), η χρήση του καδμίου προκαλεί περιβαλλοντικά προβλήματα. Οι συσσωρευτές νικελίου- καδμίου που προορίζονται για βιομηχανική χρήση περιέχουν περίπου 6% κάδμιο ενώ αυτοί που προορίζονται για οικιακή χρήση περίπου 18%. Επειδή το κάδμιο είναι τοξικό μέταλλο οι μπαταρίες νικελίου- καδμίου πρέπει να αποσύρονται με τον προβλεπόμενο τρόπο μετά το τέλος της ζωής τους. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση επιτρέπεται η χρήση τους μόνο για ιατρικούς σκοπούς, για συστήματα συναγερμών, για φωτισμό έκτακτης ανάγκης και για φορητές συσκευές ισχύος Μπαταρίες Λιθίου Οι μπαταρίες λιθίου χαρακτηρίζονται από το υλικό του ηλεκτροδίου της ανόδου που είναι το λίθιο (μέταλλο λιθίου με στοιχεία παρεμβολής, δηλ. προσμίξεις) και από το σύστημα του ηλεκτρολύτη που είναι υγρό και πολυμερές. Εξαιτίας του μικρού του βάρους, της καλής του αγωγιμότητας και του υψηλού ηλεκτροχημικού ισοδύναμου, το λίθιο έχει γίνει η κύρια πηγή ενέργειας για φορητές εφαρμογές. Οι μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά κατά τη δεκαετία του 1970 σε κάποιες στρατιωτικές εφαρμογές, παρόλα αυτά η χρήση τους ήταν περιορισμένη εξαιτίας προβλημάτων με την ασφάλεια και τη δομή των στοιχείων. Οι μπαταρίες λιθίου δεν πρέπει να συγχέονται με τις αντίστοιχες ιόντων λιθίου (που περιέχουν μεταλλικό λίθιο) η ανώτερη απόδοση των οποίων τις έχει καταστήσει κύρια πηγή ενέργειας για φορητές εφαρμογές [5]. 32

33 Τα στοιχεία που έχουν το λίθιο σαν υλικό για το ηλεκτρόδιο της ανόδου, έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές μπαταρίες μερικά από τα οποία είναι τα εξής: Υψηλή τάση. Οι μπαταρίες λιθίου έχουν υψηλή τάση έως 4V, ανάλογα με το υλικό της καθόδου σε αντίθεση με την τάση που δίνουν οι υπόλοιπες πρωτογενείς μπαταρίες (περίπου 1,5V). Υψηλή ειδική ενέργεια και ενεργειακή πυκνότητα. Η ενέργεια που φέρουν οι μπαταρίες λιθίου είναι 2 έως 4 φορές μεγαλύτερη σε σύγκριση πχ. με τις μπαταρίες που χρησιμοποιούν ψευδάργυρο για την άνοδο. Λειτουργία σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Οι περισσότερες μπαταρίες λιθίου μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες από 70 C έως -40 C, ενώ κάποιες μπορούν να λειτουργήσουν και σε υψηλότερες θερμοκρασίες μέχρι τους 150 C, και κάποιες άλλες σε χαμηλότερες μέχρι τους -80 C. Καλή πυκνότητα ισχύος. Οι περισσότερες μπαταρίες λιθίου είναι σχεδιασμένες ώστε αποδίδουν την ενέργειά τους σε υψηλά επίπεδα ισχύος. Επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης. Η σταθερή τάση και αντίσταση κατά τη διάρκεια του μεγαλύτερου μέρους της εκφόρτισης είναι ένα τυπικό χαρακτηριστικό των μπαταριών λιθίου. Υψηλότατος χρόνος αποθήκευσης. Οι μπαταρίες λιθίου ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες μπορούν να αποθηκευθούν για μεγάλες περιόδους. Έχει επιτευχθεί αποθήκευση σε θερμοκρασία δωματίου έως και 10 έτη, αλλά και αποθήκευση ενός έτους στους 70 C Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου Το πολυμερές του ηλεκτρολύτη και οι ενώσεις παρεμβολής των ηλεκτροδίων αναπτύχθηκαν για να αποφευχθεί η αντίδραση του λιθίου με το θειικό άλας. Η πρώτη μπαταρία λιθίουιόντων με βάση το γραφίτη / οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου (LiCoO 2, LCO) ήρθε στην αγορά από τη Sony το Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν αντιμετωπίζουν τα προβλήματα ασφάλειας των μπαταριών υψηλής δραστικότητας μετάλλου λιθίου. Τα ενεργά υλικά του αρνητικού και θετικού ηλεκτροδίου είναι ενώσεις λιθίου οι οποίες έχουν διαφορετικά ηλεκτροχημικά δυναμικά σε σχέση με το μέταλλο λιθίου. Τα περισσότερα εμπορικά στοιχεία χρησιμοποιούν ενώσεις παρεμβολής λιθίου διοξειδίου του άνθρακα για το αρνητικό ηλεκτρόδιο και ένα μεταλλικό οξείδιο λιθίου ως ενεργό υλικό του θετικού ηλεκτροδίου [2]. Τα σύνθετα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από σωματίδια ενεργού υλικού τα οποία συγκρατούνται μαζί με ένα συνδετικό υλικό και ένα αγώγιμο πληρωτικό μέσο όπως ο γραφίτης ή η αιθάλη Σχήμα

34 Σχήμα Μπαταρία Ιόντων - Λιθίου. Η απόδοση αυξάνεται χάρις στο μικρό σε μέγεθος σωματίδιο, στη μεγάλη επιφάνεια, και τις μικρές αποστάσεις διαδρομής για τα ιόντα λιθίου στο εσωτερικό των σωματιδίων και μεταξύ των ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόδια καλύπτονται από μία μεμβράνη επιφάνεια, τη λεγόμενη SEI. Από την εισαγωγή τους το 1991, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν γίνει οι κυρίαρχες μπαταρίες επαναφορτιζόμενης τεχνολογίας για φορητά προϊόντα και αρχίζουν να εισβάλουν στις μεταφορές και τις εφαρμογές σταθερής αποθήκευσης [6]. Η τεχνολογία μπαταριών ιόντων- λιθίου παρέχει την υψηλότερη δυνατή ενεργειακή πυκνότητα από κάθε άλλη μακράς διαρκείας κύκλου ζωής επαναφορτιζόμενη μπαταρία, γεγονός το οποίο ήταν ο πιο σημαντικός και καθοριστικός παράγοντας που οδήγησε στην ευρεία υιοθέτηση της. Πάνω από 4,5 δισεκατομμύρια στοιχεία ιόντων λιθίου (σχεδόν MWh), παρήχθησαν το 2011, το μεγαλύτερο μέρος των οποίων χρησιμοποιήθηκαν σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και εφαρμογές, όπως φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Ενώ η ζήτηση για τέτοια στοιχεία αυξάνεται σε ποσοστό 15% ανά έτος, οι αναδυόμενες εφαρμογές μπορεί να αυξήσουν σημαντικά την αγορά Li-ion. Αναμένεται ότι οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις τόσο στο χώρο των μεταφορών όσο και στα σταθερά (μη φορητά) αποθηκευτικά μέσα θα οδηγήσουν σε δραματική αύξηση του όγκου της παραγωγής Li-ion. Μια πρόσφατη εκτίμηση τοποθετεί τη ζήτηση Li-ion στην αυτοκινητοβιομηχανία το 2020 σε MWh, σε αντίθεση με MWh που προβλέπεται για φορητές εφαρμογές για το συγκεκριμένο έτος Σχήμα Οι παραπάνω εφαρμογές αναμένεται να χρησιμοποιούν μεγαλύτερης χωρητικότητας στοιχεία σε σχέση με τις εφαρμογές ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. 34

35 Σχήμα Διάγραμμα ζήτησης και κόστους μπαταριών ιόντων λιθίου ανά έτος Τα κύρια πλεονεκτήματα των μπαταριών ιόντων - λιθίου είναι τα εξής [5]: είναι κλειστού τύπου, και επομένως δεν απαιτείται συντήρηση, έχουν πολλούς κύκλους ζωής, λειτουργούν σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, έχουν μεγάλο χρόνο αποθήκευσης, έχουν χαμηλό ρυθμό αυτοεκφόρτισης, έχουν την ικανότητα γρήγορης φόρτισης. έχουν την ικανότητα εκφόρτισης σε μεγάλα ρεύματα και μεγάλη ισχύ, έχουν υψηλή απόδοση ενέργειας, έχουν υψηλή ειδική ενέργεια και ενεργειακή πυκνότητα, δεν παρουσιάζουν φαινόμενα μνήμης. Αντίθετα κάποια από τα μειονεκτήματα των εν λόγω μπαταριών είναι: το μέτριο αρχικό κόστος, η χημική αλλοίωση σε υψηλές θερμοκρασίες, το γεγονός ότι χρειάζονται κύκλωμα προστασίας, η απώλεια χωρητικότητας, η θερμική διαφυγή κατά την υπερφόρτιση και η διαφυγή αερίων. 35

36 Τέλος οι κυλινδρικού τύπου μπαταρίες συνήθως έχουν χαμηλότερη πυκνότητα ισχύος από τις νικελίου καδμίου ή υδριδίου νικελίου- μετάλλου. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αλλοιώνονται όταν εκφορτίζονται κάτω από τα 2V και παρουσιάζουν διαφυγή αερίων όταν υπερφορτίζονται, επειδή δεν έχουν κάποιο χημικό μηχανισμό για τον έλεγχο της υπερφόρτισης. Για προστασία από υπερφορτίσεις, υπερεκφορτίσεις και θερμοκρασιακές συνθήκες εκτός των ορίων λειτουργίας τους οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν κυκλώματα και μηχανικές διατάξεις αποσύνδεσης. Οι μπαταρίες αυτές επίσης χάνουν μόνιμα τη χωρητικότητά τους όταν εκτίθενται σε αυξημένες θερμοκρασίες (65 C), όπως οι μπαταρίες νικελίου- καδμίου και υδριδίου νικελίου-μετάλλου. όμως με μικρότερο ρυθμό. Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι οι περισσότερες προκλήσεις για την ευρύτερη χρήση των μπαταριών ιόντων λιθίου σχετίζονται είτε με τη σταθερότητά τους σε υψηλές θερμοκρασίες είτε με θέματα ασφαλείας. Παρότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν για περιορισμένο χρονικό διάστημα να εκτεθούν σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως στους 70 C, η αλλοίωση ξεκινά ήδη από τους 60 C περίπου. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ασφαλείς σε γενικές γραμμές. Διαφυγή αερίων μπορεί να συμβεί μόνο σε περίπτωση υπερφόρτισης ή σύνθλιψης. Ωστόσο πρέπει να επισημάνουμε ότι για να συμβεί διαφυγή αερίων εξαιτίας υπερφόρτισης, η μπαταρία πρέπει να φορτιστεί περισσότερο από το 200% της ονομαστικής χωρητικότητάς της. Όλα τα παραπάνω προβλήματα (υπερφόρτιση, υπερεκφόρτιση και όρια θερμοκρασιών) έχουν επιλυθεί σε μεγάλο βαθμό με την προσθήκη κυκλωμάτων προστασίας. Ένας πολύ διαδεδομένος τύπος μπαταρίας ιόντων- λιθίου είναι ο λιθίου- πολυμερούς ή πιο σωστά ιόντων λιθίου- πολυμερούς (polymer Li-ion). Η λιθίου - πολυμερούς διαφοροποιείται από τα συμβατικά συστήματα μπαταρίας από το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Η αρχική εκδοχή, που χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970, χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρολύτη από ξηρό στερεό πολυμερές. Ο ηλεκτρολύτης αυτός μοιάζει με πλαστική ταινία που δεν άγει ηλεκτρισμό, αλλά επιτρέπει την ανταλλαγή ιόντων (ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα ή ομάδες ατόμων). Το πολυμερές ηλεκτρολυτών αντικαθιστά το παραδοσιακό πορώδες διαχωριστικό, το οποίο είναι εμποτισμένο με ηλεκτρολύτη [7]. Ο σχεδιασμός ξηρού πολυμερούς προσφέρει απλουστεύσεις ως προς την κατασκευή, την τραχύτητα, την ασφάλεια και το λεπτό σχήμα. Με στοιχεία πάχους μόλις 1 mm (0,039 ίντσες), οι σχεδιαστές εξοπλισμού έχουν άπειρες δυνατότητες όσον αφορά το τελικό σχήμα και το μέγεθος του εκάστοτε προϊόντος. Δυστυχώς, το ξηρό στοιχείο λιθίου - πολυμερούς υποφέρει από κακή αγωγιμότητα. Η εσωτερική αντίσταση είναι πολύ μεγάλη και εμποδίζει τα ρεύματα εκκίνησης που απαιτούνται για να τροφοδοτήσουν τις σύγχρονες συσκευές επικοινωνίας και να επιταχύνουν τους σκληρούς δίσκους των φορητών συσκευών. Η θέρμανση των στοιχείων σε 60 C (140 F) και υψηλότερες, αυξάνει την αγωγιμότητα, κάτι που τις καθιστά ακατάλληλες για φορητές εφαρμογές. 36

37 Για να επέλθει ισορροπία, προστίθεται πηγμένος ηλεκτρολύτης. Τα εμπορικά στοιχεία χρησιμοποιούν ένα διαχωριστή (μεμβράνη ηλεκτρολύτη) που παρασκευάζεται από το ίδιο παραδοσιακό πορώδες πολυαιθυλένιο ή πολυπροπυλένιο διαχωριστικό, που περιέχει ένα πολυμερές, το οποίο πήζει όταν γεμίζει με τον υγρό ηλεκτρολύτη. Έτσι, τα εμπορικά στοιχεία λιθίου - πολυμερών είναι πολύ παρόμοια ως προς την χημεία και τα υλικά με τα αντίστοιχα υγρής μορφής. Τα στοιχεία λιθίου - πολυμερών δεν πέτυχαν εμπορικά τόσο γρήγορα όσο ανέμεναν κάποιοι αναλυτές. Η υπεροχή τους σε σχέση με τα άλλα συστήματα και το χαμηλό κόστος παραγωγής δεν έχουν γίνει ακόμη αντιληπτά. Δεν έχουν επιτευχθεί βελτιώσεις στην αύξηση της χωρητικότητας. Στην πραγματικότητα, η χωρητικότητα είναι ελαφρώς μικρότερη από εκείνη της κλασσικής μπαταρίας ιόντων - λιθίου. Τα στοιχεία λιθίου - πολυμερών στοχεύουν κυρίως στην αγορά πλακιδίων με πολύ λεπτής γεωμετρίας (wafer-thin geometry), όπως οι μπαταρίες για τις πιστωτικές κάρτες και άλλες τέτοιες εφαρμογές. Συνοψίζοντας λοιπόν τα πλεονεκτήματα αυτής της μπαταρίας έχουμε: Πολύ λεπτές - οι μπαταρίες αυτές έχουν το πάχος μιας πιστωτικής κάρτας. Ευέλικτη μορφή- κατασκευαστές που δεν δεσμεύονται από τυποποιημένες μορφές στοιχείων. Με μεγάλο όγκο, κάθε εύλογο μέγεθος μπορεί να παραχθεί οικονομικά. Ελαφρύ - πηγμένοι ηλεκτρολύτες επιτρέπουν απλουστευμένη συσκευασία, εξαλείφοντας το μεταλλικό περίβλημα. Βελτιωμένη ασφάλεια- πιο ανθεκτική στην υπερφόρτιση με λιγότερες πιθανότητες για διαρροή ηλεκτρολυτών. Αντίθετα τα σημαντικότερα μειονεκτήματα των μπαταριών αυτών είναι τα εξής: Χ αμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και μειωμένος αριθμός κύκλων σε σύγκριση με αυτές των ιόντων- λιθίου. Υψηλό αρχικό κόστος. Δεν υπάρχουν συγκεκριμένα μεγέθη. Τα περισσότερα στοιχεία που παράγονται, προορίζονται για τις προϊόντα μαζικής κατανάλωσης και επιπλέον έχουν υψηλότερο λόγο κόστους- ενέργειας από ό, τι οι αντίστοιχες ιόντων λιθίου. 37

38 1.5. Τεχνολογίες Αποθήκευσης που βρίσκονται στο Στάδιο του Σχεδιασμού Υπάρχουν πάρα πολλές ενδιαφέρουσες ιδέες στην τεχνολογία αποθήκευσης που αντιμετωπίζονται με σκεπτικισμό και θα αναφερθούν στη συνέχεια. Μερικές από αυτές έχουν το πρόβλημα ότι η αξιοπιστία και η λειτουργικότητά τους μπορεί να αποδειχθεί μόνο με πιλοτικές εφαρμογές πλήρους κλίμακας. Αυτό είναι σίγουρα ένα πολύ υψηλό ρίσκο για τους επενδυτές. Είναι επίσης σημαντικό να έχουμε κατά νου ότι είναι ήδη διαθέσιμες επαρκείς δυνατότητες αποθήκευσης, για όλους τους τύπους εφαρμογών και με βάση ποικίλες και καθιερωμένες τεχνολογίες. Ως εκ τούτου, οι νέες και πρόσθετες τεχνολογίες δικαιολογούνται μόνο εφόσον μπορούν να παρέχουν αποθηκευτικές υπηρεσίες σε χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής σε σύγκριση με τις υπάρχουσες. 38

39 Κεφάλαιο 2. Σύγκριση των Μέσων Αποθήκευσης Ενέργειας με βάση διάφορα κριτήρια 2.1. Σκοπιμότητα και προσαρμογή στην πηγή ενέργειας Για να είναι ιδιαίτερα αποδοτικό, το σύστημα αποθήκευσης πρέπει να προσαρμοστεί στη συγκεκριμένη εφαρμογή (πχ χαμηλής- μέσης ισχύος για μικρά αυτόνομα δίκτυα, σύνδεση με το δίκτυο, κλπ) και με το είδος της εγκατάστασης που καλείται να υποστηρίξει (σταθερή, φορητή, σχετική με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κλπ) Σχήμα 2.1. Επίσης, θα πρέπει να εναρμονιστεί με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 2.1. Προσαρμογή των μέσων αποθήκευσης σε διάφορες εφαρμογές. 39

40 2.2. Σύγκριση των διαφορετικών εφαρμογών αποθήκευσης Για να είμαστε σε θέση να συγκρίνουμε την απόδοση των διαφορετικών τεχνικών αποθήκευσης στις επιλεγμένες κατηγορίες, έχει προηγουμένως αναλυθεί μια σειρά κριτηρίων, όπως το κόστος, η ενεργειακή πυκνότητα, ειδική ισχύς, η ανακυκλωσιμότητα, η αντοχή, η ενεργειακή απόδοση, κλπ. Αυτά τα κριτήρια μαζί μας επιτρέπουν να ορίσουμε ένα δείκτη απόδοσης για τις τέσσερις κατηγορίες εφαρμογής: 1. Εφαρμογή χαμηλής ισχύος σε απομονωμένες περιοχές, ουσιαστικά για να τροφοδοτήσει ηλεκτρονικούς μετατροπείς και τερματικά έκτακτης ανάγκης. 2. Εφαρμογή μέσης ισχύος σε απομονωμένες περιοχές (από μεμονωμένες οικίες έως μικροί οικισμοί). 3. Διασύνδεση στο δίκτυο για αποκοπή αιχμής και εξομάλυνση καμπύλης φορτίου. 4. Εφαρμογές ελέγχου ποιότητας ισχύος. Για να συγκρίνουμε τα συστήματα αποθήκευσης, γενικά χρησιμοποιείται το διάγραμμα Ragone για να αναπαραστήσει την απόδοση όσον αφορά το λόγο βάρους με την ενέργεια και την ισχύ. Αυτό το είδος σύγκρισης είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον για τις φορητές μονάδες, για τις οποίες η μάζα είναι μια κρίσιμη πτυχή, όμως για μεγάλες σταθερές μονάδες, στην κλίμακα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, το προσδόκιμο ζωής και τα συνολικά κόστη (επένδυσης, ενεργειακών απωλειών και καταπόνησης) είναι τα πιο σημαντικά κριτήρια. Οι παράμετροι απόδοσης των συστημάτων αποθήκευσης εκφράζονται συχνά για μια ευρεία ποικιλία τύπων και εφαρμογών. Τα διαγράμματα που ακολουθούν παρουσιάζουν μια κατανοητή σύγκριση των διαφορετικών τεχνικών αποθήκευσης. Η σύγκριση βασίζεται στο δείκτη απόδοσης που ορίζεται ως η δυνατότητα εφαρμογής της τεχνικής αποθήκευσης στη συγκεκριμένη εφαρμογή λαμβάνοντας υπόψιν χαρακτηριστικά όπως διαθέσιμη ισχύς και ενέργεια, βάθος εκφόρτισης, αυτονομία, κόστος κ.α. Τα δεδομένα αντιπροσωπεύουν τα τυπικά συστήματα κάθε κατηγορίας, αλλά δεν μπορούν να καλύψουν όλα τα διαθέσιμα προϊόντα Σχήμα

41 Σχήμα 2.2. Δείκτης απόδοσης εννιά τεχνολογιών αποθήκευσης για για τις τέσσερις κατηγορίες εφαρμογής Σύγκριση ως προς το πεδίο εφαρμογής Οι μόνιμες εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας, μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κύριες λειτουργίες, Σχήμα 2.3 : 1) Εξασφάλιση Ποιότητας Ισχύος: Η αποθηκευμένη ενέργεια, σε αυτές τις εφαρμογές, χρησιμοποιείται μόνο για λίγα δευτερόλεπτα ή λιγότερο για να εξασφαλίσει την ποιότητα της ισχύος που παρέχεται. 2) Αποθήκευση Έκτακτης Ανάγκης: Η αποθηκευμένη ενέργεια, σε αυτές τις εφαρμογές, χρησιμοποιείται από δευτερόλεπτα μέχρι λεπτά για να εξασφαλιστεί η αδιάλειπτη παροχή κατά τη μετάβαση από μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μια άλλη. 3) Διαχείριση του δικτύου: τα συστήματα αποθήκευσης, σε αυτές τις εφαρμογές, χρησιμοποιούνται για να ξεπεράσουμε την συνεχή απαίτηση ισοζυγίου μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης. Μία τυπική εφαρμογή είναι η εξομάλυνση φορτίου (load levelling), πράγμα που συνεπάγεται την αποθήκευση ενέργειας κατά τις ώρες βάσης (χαμηλό κόστος ενέργειας), και η έγχυση της αποθηκευμένης ενέργειας κατά τις ώρες αιχμής (υψηλό ενεργειακό κόστος). 41

42 Σχήμα 2.3. Σύγκριση ως προς το πεδίο εφαρμογής Σύγκριση της ενεργειακής απόδοσης (ανά κύκλο) των συστημάτων αποθήκευσης Η ενεργειακή απόδοση και το προσδόκιμο ζωής (μέγιστος αριθμός κύκλων) είναι δύο σημαντικές παράμετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψιν, μεταξύ άλλων, πριν από την επιλογή της τεχνολογίας αποθήκευσης, δεδομένου ότι επηρεάζουν το συνολικό κόστος αποθήκευσης. Η χαμηλή απόδοση αυξάνει τα κρίσιμα ενεργειακά κόστη, αφού μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ένα κλάσμα της αποθηκευμένης ενέργειας. Μια σύντομη διάρκεια ζωής αυξάνει επίσης τις μακροπρόθεσμες δαπάνες αφού η μονάδα αποθήκευσης χρειάζεται συχνότερη αντικατάσταση. Στις πραγματικές δαπάνες πρέπει να περιλαμβάνονται λεπτομερώς όλα τα τέλη και τα ποικίλα λειτουργικά έξοδα, προκειμένου να έχουμε μια πλήρη εικόνα όλων των οικονομικών πτυχών μιας τεχνικής αποθήκευσης. Στο Σχήμα 2.4 απεικονίζεται η θέση των διαφόρων τεχνικών αποθήκευσης όσον αφορά την απόδοση και τη διάρκεια ζωής. 42

43 Σχήμα 2.4. Σύγκριση μέσων αποθήκευσης ενέργειας ως προς την απόδοση και τη διάρκεια ζωής Σύγκριση με βάση το αρχικό κόστος της επένδυσης Το κόστος της επένδυσης που συνδέεται με το είδος της αποθήκευσης είναι μία σημαντική οικονομική παράμετρος και επηρεάζει το συνολικό κόστος της παραγωγής ενέργειας. Έτσι, ορισμένα είδη συστημάτων αποθήκευσης μπορούν να γίνουν κερδοφόρα μόνο αν παρέχεται ένα ορισμένο ελάχιστο της ενέργειας. Έπειτα πρέπει να ληφθεί υπόψιν το συνολικό κόστος του συστήματος (συμπεριλαμβανομένης της ανθεκτικότητας του εξοπλισμού), προκειμένου να επιτευχθεί μια πλήρης ανάλυση κόστους. Για παράδειγμα, παρά το γεγονός ότι οι μπαταρίες μολύβδου - οξέος είναι σχετικά οικονομικές, δεν είναι απαραίτητα η λιγότερο δαπανηρή επιλογή για τη διαχείριση της ενέργειας, λόγω της σχετικά χαμηλής ανθεκτικότητάς τους. Το κόστος των μπαταριών όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.5 δεν συμπεριλαμβάνει το κόστος του συστήματος μετατροπής που συνήθως βασίζεται σε ηλεκτρονικά ισχύος. Το κόστος ανά μονάδα ενέργειας επίσης διαιρέθηκε με το βαθμό απόδοσης ώστε να ληφθεί το 43

44 κόστος ανά μονάδα χρήσιμης (αποδιδόμενης) ενέργειας. Τα κόστη εγκατάστασης επίσης ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο και το μέγεθος του συστήματος [8]. Τέλος, είναι προφανές ότι οι διάφορες λειτουργίες που απαιτούνται για το σχεδιασμό ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας πρέπει να ενταχθούν σε ένα συνεκτικό σύνολο, προσαρμοσμένο στις προδιαγραφές, για να μειωθεί το κόστος ολοκλήρωσης. Το κριτήριο αυτό είναι το σημαντικότερο ζήτημα που θα κρίνει τη διείσδυση του συστήματος στην αγορά αποθήκευσης ενέργειας. Σχήμα 2.5. Σύγκριση με βάση το αρχικό κόστος της επένδυσης Σύγκριση με βάση το κόστος επένδυσης ανά κύκλο φόρτισης - εκφόρτισης Το κόστος ανά κύκλο θα μπορούσε να είναι ο καλύτερος τρόπος για να αξιολογηθεί το κόστος ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας σχεδιασμένο για εφαρμογές συχνής φόρτισης- εκφόρτισης. Το Σχήμα 2.6 απεικονίζει την κύρια συνιστώσα του κόστους αυτού, λαμβάνοντας υπόψη την ανθεκτικότητα και την αποτελεσματικότητα. Για ένα πληρέστερο υπολογισμό κόστους ανά 44

45 κύκλο, τα έξοδα αντικατάστασης και διάφορες άλλες δαπάνες, που παραμένουν άγνωστα για τις αναδυόμενες τεχνολογίες, πρέπει να ληφθούν υπόψη. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το κόστος ανά κύκλο δεν αποτελεί κατάλληλο κριτήριο για τις εφαρμογές εξομάλυνσης φορτίου ή εξισορροπητικής κερδοσκοπίας, όπου η αποθήκευση είναι λιγότερο συχνή και το κόστος της ενέργειας είναι υψηλό και ασταθές [8]. Σχήμα 2.6 Σύγκριση με βάση το κόστος επένδυσης ανά κύκλο φόρτισης - εκφόρτισης Σύγκριση με βάση την μάζα ή την πυκνότητα Οι διαφορετικές τεχνικές αποθήκευσης μπορούν να ταξινομηθούν ως συνάρτηση της ονομαστικής ενέργειας και της μέγιστης ισχύος ανά λίτρο (πυκνότητα ως προς τον όγκο) ή ανά χιλιόγραμμο (πυκνότητα ως προς τη μάζα). Αυτή η σύγκριση είναι ιδιαίτερα σημαντική για τις εφαρμογές στο χώρο των μεταφορών και τις απομονωμένες περιοχές, καθώς και για τις φορητές συσκευές Σχήμα

46 Η μάζα είναι μια σημαντική παράμετρος για μόνιμες εφαρμογές από την άποψη του κόστους υλικών. Κάποιος θα μπορούσε επομένως να επιλέξει, για μια ηλεκτρική εγκατάσταση, ένα υλικό με χαμηλή πυκνότητα ενέργειας, αλλά σε ένα χαμηλό κόστος μονάδας που μειώνει το συνολικό κόστος του συστήματος αποθήκευσης. Σε αυτή την περίπτωση, είναι η τιμή ανά kwh που είναι σημαντική, και όχι τα κιλά ανά kwh. Ο όγκος ενός συστήματος αποθήκευσης μπορεί να είναι σημαντικός, ιδιαίτερα αν πρέπει να εγκατασταθεί σε μία περιορισμένη ή δαπανηρή περιοχή, για παράδειγμα σε αστικές περιοχές. Μια άλλη πτυχή του όγκου είναι η επίπτωσή του στα μέσα και στο κόστος που απαιτούνται για τη διατήρηση κενού (σε σφόνδυλους για παράδειγμα) ή την ψύξη του υλικού ή τα συστήματα θερμομόνωσης. Με την αύξηση του όγκου, χρειάζεται περισσότερα υλικά και μια μεγαλύτερη κατασκευή, αυξάνοντας έτσι το συνολικό κόστος του συστήματος. Σχήμα 2.7. Κατανομή των τεχνικών αποθήκευσης ως συνάρτηση της μάζας και της πυκνότητας του όγκου τους της αποθηκευμένης ενέργειας. 46

47 Συνολική σύγκριση Όσο για τις μόνιμες εφαρμογές χαμηλής ισχύος, το βασικό στοιχείο είναι η χαμηλότερη δυνατή αυτοεκφόρτιση. Με βάση τα τεχνικά κριτήρια και μόνο, η μπαταρία ιόντων λιθίου είναι ο καλύτερος υποψήφιος. Όσο για τα μικρά συστήματα (μερικές kwh) σε απομονωμένες περιοχές τα οποία στηρίζονται σε συνεχώς μεταβαλλόμενη ανανεώσιμη ενέργεια, το βασικό στοιχείο είναι η αυτονομία. Η μπαταρία μολύβδου παραμένει ο καλύτερος συνδυασμός απόδοσης και κόστους. Η ιόντων- λιθίου έχει την καλύτερη απόδοση, αλλά εξακολουθεί να είναι πάρα πολύ ακριβή. Για μεγαλύτερα συστήματα (λίγες εκατοντάδες kwh), προτιμάται ακόμα η μολύβδου, σε προτεραιότητα από τη λιθίου, και οι εναλλακτικές λύσεις είναι είτε λιγότερο αποδοτικές ή πάρα πολύ ακριβές: πεπιεσμένου αέρα (προβλήματα αυτοεκφόρτισης), κυψέλες καυσίμου (ακριβές και με χαμηλή ενεργειακή απόδοση), και μπαταρίες ροής (υψηλά έξοδα συντήρησης). Στην τρίτη κατηγορία, σχετικά με την εξομάλυνση φορτίου ωρών αιχμής που απαιτούν αποθήκευση υψηλής ενέργειας (πολλών MWh), οι καλύτερες επιλογές είναι ο πεπιεσμένος αέρας και οι μπαταρίες ροής, με τις πρώτες να έχουν σαφές πλεονέκτημα όσον αφορά στο κόστος. Αυτές οι τεχνολογίες ωστόσο δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί στην πράξη. Για την επόμενη κατηγορία, που αφορά τον έλεγχο της ποιότητα ισχύος, τα βασικά κριτήρια είναι η αποδιδόμενη ενέργεια (όχι απλώς η ονομαστική χωρητικότητα) και ο μέγιστος αριθμός κύκλων στη διάρκεια ζωής. Εδώ, οι σφόνδυλοι και οι υπερ-πυκνωτές είναι καταλληλότεροι από τις μπαταρίες ιόντων-λιθίου. Ανάμεσα στις επιλογές, οι μπαταρίες μολύβδου ικανοποιούν τα τεχνικά κριτήρια όλων των κατηγοριών, αλλά έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής και είναι αναξιόπιστες. Οι μπαταρίες νικελίου και μετάλλου- αέρα δεν πληρούν κανένα από τα επιλεγμένα κριτήρια (χαμηλές επιδόσεις, υψηλό κόστος). Οι κυψέλες καυσίμου είναι ακόμη μία νέα τεχνολογία. Τέλος, ορισμένες τεχνολογίες είναι σε θέση να εκπληρώσουν τις ανάγκες αποθήκευσης για διακοπτόμενη παροχή ενέργειας: προτείνονται η υδραυλική και θερμική αποθήκευση για συστήματα μεγάλης κλίμακας και τα υπεραγώγιμα μέσα για μικρές εφαρμογές. Για να ανταποκριθούμε στις μελλοντικές ανάγκες της απομακρυσμένης παραγωγής, η αποθήκευση ενέργειας θα πρέπει να βελτιωθεί τεχνολογικά βραχυπρόθεσμα έως μεσοπρόθεσμα. Οι μπαταρίες ιόντων- λιθίου είναι πολύ αποδοτικές, αλλά είναι πάρα πολύ ακριβές για εφαρμογή σε συστήματα σε απομακρυσμένες περιοχές. Η ανακύκλωση και η διαχείριση των αποβλήτων των μπαταριών αυτών εξακολουθεί να τελεί υπό έρευνα. Οι μπαταρίες μολύβδου εξακολουθούν να είναι ο καλύτερος συνδυασμός κόστους- απόδοσης, αλλά είναι το πιο αδύναμο σημείο σε ένα απομονωμένο σύστημα. Το προσδόκιμο ζωής τους θα πρέπει να βελτιωθεί αν είναι να ανταποκριθούν καλύτερα στις ανάγκες αυτές. 47

48 Για δικτυακές εφαρμογές, οι μεσοπρόθεσμες ανάγκες συνεχώς αυξάνονται: οι πιο κατάλληλες τεχνολογίες (μπαταρίες ροής, πεπιεσμένου αέρα, υπερ-πυκνωτές, και σφόνδυλοι) είναι ώριμες τεχνολογίες και θα μπορούσαν να γίνουν πιο αποδοτικές, πιο αξιόπιστες και πιο αποτελεσματικές. 48

49 Κεφάλαιο 3. Χρήση Μέσων Αποθήκευσης σε Ενεργειακές Υπηρεσίες Η ανάγκη για αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας υφίσταται από τα πρώτα τοπικά απομονωμένα δίκτυα πριν από περίπου ένα αιώνα μέχρι τα σημερινά διασυνδεδεμένα δίκτυα. Η ανάγκη αυτή είναι αποτέλεσμα της μεταβαλλόμενης ζήτησης από τη μεριά του καταναλωτή στο ηλεκτρικό δίκτυο και ιδίως σήμερα της αυξανόμενης ένταξης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Τα συστήματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας προσφέρουν αξιόπιστες υπηρεσίες σε διάφορες εφαρμογές που απαιτούν ευελιξία των πόρων του συστήματος [9]. Η ηλεκτρική ενέργεια δεν μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλη κλίμακα καθώς τα ηλεκτρικά δίκτυα, σε αντίθεση με τα δίκτυα αερίου ή τα δίκτυα τηλεθέρμανσης, έχουν περιορισμένη ικανότητα αποθήκευσης. Επομένως η παραγωγή ενέργειας πρέπει να προσαρμόζεται στο φορτίο των καταναλωτών το ταχύτερο δυνατόν. Κατά την κανονική λειτουργία, η ισορροπία μεταξύ παραγωγής και ζήτησης ενέργειας (συμπεριλαμβανομένων και των ηλεκτρικών απωλειών) διαταράσσεται συνεχώς λόγω της εισαγωγής μερικώς απρόβλεπτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και της μεταβαλλόμενης συμπεριφοράς των καταναλωτών. Επίσης, έκτακτα συμβάντα όπως, για παράδειγμα, βλάβες σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας διαταράσσουν την ισορροπία του συστήματος [2]. Τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να παίξουν σημαντικό ρόλο στην διασφάλιση της σωστής λειτουργίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και στην ομαλή ένταξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε αυτό. Η αρχική ιδέα πάνω στα μέσα αποθήκευσης ενέργειας, αναφέρεται στη διαδικασία που επιτρέπει την παραγωγή πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους χαμηλής ζήτησης, χαμηλού κόστους παραγωγής ή από διακοπτόμενες πηγές ενέργειας (όπως η αιολική και η ηλιακή) και τη διάθεση της ενέργειας αυτής σε περιόδους υψηλής ζήτησης, υψηλού κόστους παραγωγής ή όταν δεν υπάρχουν διαθέσιμες μονάδες [4] ( Σχήμα 3.1). 49

50 Σχήμα 3.1. Θεμελιώδης ιδέα της αποθήκευσης ενέργειας [10]. Η ενσωμάτωση των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στο σύστημα παραγωγής και μεταφοράς ενέργειας αναπαρίσταται αντιπροσωπευτικά στο Σχήμα 3.2. Παρατηρούμε ότι οι πιθανές εφαρμογές των μέσων αποθήκευσης ενέργειας είναι πολλές και ποικίλες και μπορούν να καλύψουν από μεγάλης κλίμακας, συστήματα παραγωγής και μεταφοράς ενέργειας, μέχρι πιο απλές εφαρμογές που αφορούν το σύστημα διανομής και την πλευρά του καταναλωτή. 50

51 Σχήμα 3.2. Εφαρμογές των μέσων αποθήκευσης ενέργειας Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας το μη ελεγχόμενο φορτίο των καταναλωτών (βιομηχανικών, εμπορικών και οικιακών) καλύπτεται από τις μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε πραγματικό χρόνο μέσω του συστήματος μεταφοράς και διανομής. Το συνολικό φορτίο παρουσιάζει ημερήσια και εβδομαδιαία περιοδικότητα, αλλά και εποχιακή συμπεριφορά. Οι βιομηχανίες λειτουργούν με βάση τον προγραμματισμό τους, ενώ η συμπεριφορά των οικιακών καταναλωτών εξαρτάται πολύ από τις καιρικές συνθήκες. Σε μεγάλο βαθμό οι διακυμάνσεις του φορτίου είναι προβλέψιμες. Οι μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάζουν περιορισμούς στη μέγιστη ισχύ, στο ρυθμό μεταβολής φορτίου (ramp-rate), στους χρόνους εκκίνησης και παύσης και στην ελάχιστη ισχύς λειτουργίας. Με την συνεχώς αυξανόμενη είσοδο των ΑΠΕ, με την απρόβλεπτη και μεταβαλλόμενη συμπεριφορά τους, ένα μεγάλο μέρος της παραγωγής έχει γίνει μη ελεγχόμενο. Αυτές οι αλλαγές στην παραγωγή έχουν αυξήσει την ένταση και το εύρος των απαιτούμενων υπηρεσιών του δικτύου. Για παράδειγμα, το φορτίο μπορεί να αυξάνεται κατά τη δύση του ηλίου, ενώ η παραγόμενη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά μειώνεται. Έτσι η καμπύλη του 51

52 καθαρού φορτίου, δηλαδή του φορτίου που καλύπτεται από τις προγραμματιζόμενες μονάδες αποκτά μια νέα μορφή με πολύ απότομες μεταβολές. Πολλοί ερευνητές επισημαίνουν την ανάγκη για την ανάπτυξη μιας τεχνολογίας που να υποβοηθά την ενσωμάτωση ΑΠΕ. Η αποθήκευσης της ενέργειας θεωρείται η βέλτιστη και η πιο βιώσιμη λύση [3]. Στον τομέα της παραγωγής, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας χρησιμοποιούνται: - Ως μονάδες ταχείας εφεδρείας για την άμεση εξυπηρέτηση του φορτίου σύμφωνα με τη ζήτηση σε περίπτωση που μια μονάδα παραγωγής βγει εκτός. - Ως μονάδες ελέγχου και ρύθμισης της συχνότητας σε κανονικές συνθήκες αλλά και σε περιπτώσεις σφαλμάτων. Κάθε μικρή ή μεγάλη ανισορροπία παραγωγής και κατανάλωσης θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ώστε η συχνότητα του συστήματος να διατηρείται στα 50Hz. Απότομες μεταβολές στην τάση και συχνότητα μπορούν να προκαλέσουν ζημιές στον ηλεκτρικό εξοπλισμό των καταναλωτών. - Για τη χρονική μετατόπιση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από περιόδους υψηλής ζήτησης σε περιόδους χαμηλής ζήτησης. Αυτό επιτρέπει την εξισορρόπηση των τιμών παραγωγής ανάμεσα στις δύο περιόδους και τη δημιουργία μιας πιο ομαλής καμπύλης φορτίου, η οποία είναι επιθυμητή για όλα τα μέρη, τους παραγωγούς, το σύστημα μεταφοράς και διανομής. - Για την παροχή ενέργειας κατά την επανεκκίνηση συμβατικών μονάδων μετά από διακοπή της λειτουργίας τους (black start), π.χ. λόγω σφάλματος Σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Το σύστημα μεταφοράς περιλαμβάνει τις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας από τα κέντρα παραγωγής στα αστικά και βιομηχανικά κέντρα κατανάλωσης. Το σύστημα μεταφοράς λειτουργεί στην υπερυψηλή και υψηλή τάση για τη μείωση των απωλειών κατά τη μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Τα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας έχουν υψηλές απαιτήσεις στην ασφάλεια της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενεργείας. Κατά συνέπεια, για την ασφαλή λειτουργία του συστήματος πρέπει να ισχύουν ορισμένοι τεχνικοί περιορισμοί ακόμα και υπό συνθήκες σφάλματος. Σύμφωνα με το (n-1) κριτήριο, καμιά βλάβη στοιχείου δεν μπορεί να οδηγήσει σε παραβίαση των τεχνικών περιορισμών στο σύστημα μεταφοράς [2]. 52

53 Νέες προκλήσεις συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας Οι νέες προκλήσεις ενός συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας οφείλονται κυρίως στην ένταξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ένα σύνηθες πρόβλημα είναι ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως για παράδειγμα η ηλιακή και η αιολική, δεν συμβαδίζουν με την ζήτηση φορτίου. Ακόμα μεγαλύτερο πρόβλημα υπάρχει όταν οι μονάδες Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) βρίσκονται σε αραιοκατοικημένες περιοχές προκαλώντας με την ευμετάβλητη λειτουργία τους τοπικά προβλήματα ασφάλειας και ποιότητας ισχύος. Για παράδειγμα στην Κίνα, οι βόρειες και βορειοδυτικές περιοχές είναι οι ιδανικότερες για εκμετάλλευση αιολικής ενέργειας, ενώ η κατανάλωση της Κίνας είναι συγκεντρωμένη στις κεντρικές και ανατολικές περιοχές χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά. Αυτές οι χρονικές και χωρικές δυσαναλογίες (ανισότητες, ανισορροπίες) μεταξύ της παραγωγής και της κατανάλωσης μπορούν να οδηγήσουν σε παραβίαση των τεχνικών περιορισμών (πχ. θερμικά όρια των γραμμών μεταφοράς) καθώς δεν είχαν ληφθεί υπόψη κατά τον αρχικό σχεδιασμό του συστήματος μεταφοράς [2] Συνεισφορά των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στις προκλήσεις του συστήματος μεταφοράς Μέσα αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας μπορούν να συνεισφέρουν στην επίλυση μελλοντικών προκλήσεων στο σύστημα μεταφοράς. Για παράδειγμα, με την κατάλληλη διασύνδεση ενός μέσου αποθήκευσης ενέργειας κοντά σε μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας τα θερμικά φορτία και οι αποκλίσεις τάσης στο σύστημα μεταφοράς, μπορούν να μειωθούν με τη λειτουργία του μέσου αποθήκευσης. Επιπλέον, η ευελιξία των μέσων αποθήκευσης μεγάλης κλίμακας επιτρέπει τη συμμετοχή τους σε αγορές ενεργειακών επικουρικών υπηρεσιών, πχ. σχετικές με αντιμετώπιση κορεσμού γραμμών μεταφοράς. Η συνεισφορά των μέσων αποθήκευσης στο σχεδιασμό και τη λειτουργία ενός συστήματος μεταφοράς, εξαρτάται άμεσα από την τοποθεσία τους στο δίκτυο Σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας Αποτελεί τη συνέχεια του συστήματος μεταφοράς προς την κατεύθυνση της κατανάλωσης. Λειτουργεί στη μέση και χαμηλή τάση και περιλαμβάνει ένα σύνολο εναέριων γραμμών και υπόγειων καλωδίων, καθώς και υποσταθμών υποβιβασμού της τάσης. 53

54 Η λειτουργία και σχεδίαση του συστήματος διανομής πρέπει να διασφαλίζει την ασφάλεια της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπόψιν τεχνικούς περιορισμούς όπως θερμικά όρια στα στοιχεία του συστήματος (γραμμές, μετασχηματιστές κλπ), αποκλίσεις τάσης, περιορισμούς στην ισχύ βραχυκύκλωσης Προκλήσεις συστήματος διανομής ηλεκτρικής ενέργειας Η πλειοψηφία των των μονάδων ΑΠΕ συνδέονται στην πλευρά του συστήματος διανομής. Τα Φ/Β συστήματα είναι αρθρωτή τεχνολογία, άρα είναι συνήθως μικρές ή μεσαίες μονάδες που συνδέονται στη χαμηλή και μέση τάση. Σε αντίθεση με την ηλιακή ακτινοβολία, το αιολικό δυναμικό έχει πολύ έντονα τοπικά χαρακτηριστικά. Έτσι έχουμε μεγάλα Αιολικά Πάρκα ενίοτε σε απομονωμένες περιοχές συνδεδεμένα στη μέση και υψηλή τάση. Η εγκατεστημένη ισχύς των ΑΠΕ (κυρίως Φ/Β) είναι ιδιαίτερα υψηλή στις αγροτικές περιοχές λόγω του διαθέσιμου χώρου. Αυτό μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα, η παραγωγή στο σύστημα διανομής να υπερβεί την κατανάλωση, αλλάζοντας έτσι τη ροή του φορτίου από το σύστημα διανομής ΠΡΟΣ το σύστημα μεταφοράς. Αλλάζει έτσι και ο χαρακτήρας του συστήματος διανομής από παθητικό (όπως ήταν ο αρχικός σχεδιασμός του) σε ενεργό δίκτυο. Επειδή εμφανίζονται πιθανά προβλήματα υπέρβασης θερμικών ορίων και ορίων τάσης, ανακύπτει η ανάγκη τοπικού ελέγχου και διαχείρισης φορτίων και παραγωγής Συνεισφορά των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στις προκλήσεις του συστήματος διανομής Μικρής κλίμακας μέσα αποθήκευσης μπορούν να συνεισφέρουν με την ελεγξιμότητα (contolability) και την ευελιξία της λειτουργίας τους, στον έλεγχο των επιπέδων της τάσης με τη ρύθμιση της άεργου και ενεργής ισχύος κατά τη λειτουργία του συστήματος διανομής. Ο τρόπος συνεισφοράς των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στην επίλυση των προκλήσεων στο σύστημα διανομής, εξαρτάται από την τοποθεσία τους, το καθεστώς ιδιοκτησίας τους και την αρχή λειτουργίας τους Καταναλωτές Εκτός από τη χρήση των μέσων αποθήκευσης στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, η ελαστικότητα της ζήτησης αποτελεί έναν νέο, όλο και πιο υποσχόμενο παράγοντα στο σύστημα. Η λεγόμενη απόκριση φορτίου (demand-side management) περιγράφει την συνήθως προαιρετική μεταβολή ενός φορτίου μειώνοντας (peak clipping), αυξάνοντας (valley filling) ή μετατοπίζοντας χρονικά την κατανάλωση (time shifting) ( Σχήμα 3.3 ). Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται διάφοροι στόχοι, όπως για παράδειγμα εξομάλυνση της καμπύλης φορτίου και κατά συνέπεια βελτιστοποίηση της χρήσης των μονάδων παραγωγής 54

55 και τελικώς μείωση του κόστους παραγωγής. Επιπλέον, η μετατόπιση του φορτίου μπορεί να εφαρμοστεί ώστε η κατανάλωση να μετατοπιστεί σε ώρες με χαμηλότερες τιμές αγοράς, μειώνοντας έτσι την οριακή τιμή αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 3.3. Τρόποι απόκρισης φορτίου. Η απόκριση φορτίου μπορεί να εφαρμοστεί σε όλους τους τύπους των καταναλωτών, κατά προτίμηση σε βιομηχανικές διεργασίες (πχ. πολτοποίηση και παραγωγή χαρτιού, τσιμεντοβιομηχανία), αλλά επίσης και σε εφαρμογές στον επαγγελματικό τομέα (πχ. ψύξη, εξαερισμός), στην παροχή υπηρεσιών και στα νοικοκυριά (πχ. λειτουργία λευκών συσκευών). Οι προοπτικές της διαχείρισης της ζήτησης ενέργειας δεν μπορούν να καθοριστούν εύκολα, καθώς εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ατομική συμπεριφορά του κάθε καταναλωτή στην εκάστοτε περιοχή. Δηλ. η απόκριση φορτίου μπορεί να εξαρτάται από παράγοντες όπως ο χρονικός ορίζοντας, το είδος του παραγόμενου προϊόντος, η ισχύς που πρέπει να μετατοπιστεί, εποχιακοί και ημερήσιοι παράγοντες. Για παράδειγμα, η διαθέσιμη προς αξιοποίηση ισχύς ψύξης και κλιματισμού είναι μειωμένη το χειμώνα σε σύγκριση με το καλοκαίρι Εφαρμογές των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στη διαχείριση της ζήτησης -Διαχείριση της παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ, με πρωταρχικό στόχο την κατά το δυνατόν παρακολούθηση του προφίλ ζήτησης (stand-alone). -Στη σταδιακή υποβάθμιση του μέγιστου εμφανιζόμενου φορτίου κατανάλωσης με απώτερο σκοπό την αντιμετώπιση της αντίστοιχης χρέωσης στα τιμολόγια των παραγωγών (peak shaving). -Στη βελτίωση της ποιότητας του παρεχόμενου ηλεκτρικού ρεύματος αντιμετωπίζοντας απότομες και έντονες αυξομειώσεις της ηλεκτρικής τάσης καθώς και στην ενίσχυση της αξιοπιστίας παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. -Παροχή αδιάλειπτης ενέργειας (πχ. για τη διατήρηση ευαίσθητου εξοπλισμού, φωτισμός) σε περίπτωση γενικής διακοπής ενέργειας. 55

56 3.5. Ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η ανάπτυξη και χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει σημειώσει ραγδαία αύξηση τα τελευταία χρόνια. Σύμφωνα με τις προβλέψεις, τα επόμενα χρόνια όλα τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας θα βασίζονται στο μεγαλύτερο μέρος στη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και σε περιστασιακή χρήση στις συμβατικές πηγές. Η παραγωγή βασισμένη στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας υπόσχεται παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές με λιγότερους περιβαλλοντικούς κινδύνους. Ωστόσο, η απρόβλεπτη και μεταβαλλόμενη συμπεριφορά των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας απαιτεί τη δημιουργία κανονισμών και προδιαγραφών για την ασφαλή διασύνδεση τους στο δίκτυο και την αξιόπιστη τροφοδοσία και λειτουργία του συστήματος. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρουσιάζουν δύο προβλήματα. Πρώτον, πολλές εγκαταστάσεις ΑΠΕ βρίσκονται μακριά από τους καταναλωτές. Παρ' όλο που οι εγκαταστάσεις ΑΠΕ μπορούν να κατασκευαστούν σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενίοτε απαιτείται επέκταση ή αναβάθμιση του συστήματος μεταφοράς η οποία μπορεί να είναι μια χρονοβόρα διαδικασία. Το δεύτερο πρόβλημα είναι ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν συμβαδίζουν πάντα με τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Αποθηκεύοντας την ενέργεια από τις ΑΠΕ σε περιόδους χαμηλής ζήτησης και διανέμοντας της σε περιόδους υψηλής ζήτησης, μετατρέπουμε αυτή τη χαμηλής αξίας, μη προγραμματιζόμενη ενέργεια σε ένα προϊόν υψηλής αξίας Αποτελέσματα χρήσης μέσων αποθήκευσης -Στρεφόμενη εφεδρεία (Spinning Reserve). Διατηρείται ένα μέρος της παραγωγής ισχύος από τις μονάδες, με σκοπό τη διάθεσή της σε έκτακτες χρονικές στιγμές, π.χ. λόγω βλάβης κάποιας μεγάλης μονάδας. Έτσι, διασφαλίζεται η αδιάλειπτη παροχή ενέργειας στους καταναλωτές. Σε δίκτυα με μεγάλο ποσοστό διείσδυσης αιολικής ενέργειας, οι απότομες μεταβολές του ανέμου οδηγούν σε ανατροπή του ισοζυγίου φορτίου και τελικά σε ανεπίτρεπτες αυξομειώσεις της συχνότητας του δικτύου. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ενεργοποιείται η στρεφόμενη εφεδρεία σε επίπεδο συστήματος, αλλά τα μέσα αποθήκευσης θα μπορούσαν να ανταποκριθούν άμεσα και να επιλύσουν το ίδιο πρόβλημα με μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. - Αποφυγή της απόρριψης φορτίου ΑΠΕ. Οι μονάδες ΑΠΕ βρίσκονται συχνά σε απομακρυσμένες περιοχές, στις οποίες το σύστημα μεταφοράς και διανομής δεν είναι πολύ αναπτυγμένο. Σαν αποτέλεσμα, σε κάποιες περιπτώσεις, λόγω κορεσμού κάποιας γραμμής μεταφοράς, οι μονάδες ΑΠΕ καλούνται να μειώσουν την παραγωγή τους ή αποκόπτονται από το δίκτυο. Έτσι χάνεται διαθέσιμη ενέργεια. Εναλλακτικά, ο διαχειριστής του συστήματος θα μπορούσε να επενδύσει χρήματα στην αναβάθμιση των γραμμών και των δυνατοτήτων μεταφοράς ενέργειας. Με την διασύνδεση μιας μονάδας αποθήκευσης ενέργειας κοντά στη 56

57 μονάδα ΑΠΕ, γίνεται εφικτή η αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας και η παροχή της στο δίκτυο σε περιόδους μη κορεσμού του δικτύου. - Χρονική μετατόπιση. Με τη χρήση μονάδων αποθήκευσης ενέργειας μπορούμε να αποθηκεύσουμε την ενέργεια που παράγεται σε περιόδους χαμηλής ζήτησης και να τη διαθέσουμε σε περιόδους υψηλής ζήτησης. Μία τέτοια περίπτωση παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.4, με βάση το πραγματικό ηλεκτρικό φορτίο και την αιολική ισχύ (η οποία όμως παρουσιάζεται εξαπλασιασμένη) για το Σύστημα της Ιρλανδίας στις 17 Απριλίου Κατά τη διάρκεια της νύχτας η παραγόμενη αιολική ενέργεια ξεπέρασε τη ζήτηση και για το λόγο αυτό διοχετεύθηκε στα μέσα αποθήκευσης. Όταν εμφανίστηκε έλλειψη διαθέσιμης ενέργειας γύρω στις 07:00 πμ. το μέσο αποθήκευσης εκφορτίστηκε για να καλυφθεί η ζήτηση. -Απόσβεση Διακυμάνσεων (Fluctuation Suppresion). Η παραγόμενη ισχύς σταθεροποιείται αποσβένοντας τις διακυμάνσεις. Δηλαδή, πραγματοποιείται απορρόφηση ή εκφόρτιση ενέργειας σε σύντομες χρονικές περιόδους όταν η ισχύς εξόδου έχει έντονες μεταβολές. Με τη βοήθεια των παραπάνω λειτουργιών μπορεί εκτός των άλλων να επιτευχθεί: Σημαντική ενίσχυση του βαθμού διείσδυσης και ενσωμάτωσης των μονάδων ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή Συμβολή στην αντιμετώπιση πιθανών προβλημάτων συνεργασίας των ΑΠΕ με τα άλλα ενεργά στοιχεία του δικτύου. Σχήμα 3.4. Ενσωμάτωση της Αιολικής Ισχύος (x6) για κάλυψη του φορτίου με χρήση μέσων αποθήκευσης για το Ηλεκτρικό Σύστημα της Ιρλανδίας. 57

58 3.6. Υπηρεσίες στο ηλεκτρικό δίκτυο Οι υπηρεσίες ενός ηλεκτρικού δικτύου μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση χαρακτηριστικά όπως η διάρκεια, η συχνότητα χρήσης (cycling occurrence), η ισχύς και η αξία της. Οι υπηρεσίες αυτές παρουσιάζουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά, ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό δίκτυο και την παραγωγή, τη μεταφορά, τη διανομή και το φορτίο. Αυτά τα κοινά χαρακτηριστικά είναι: Διάρκεια (Duration): το χρονικό διάστημα στο οποίο παρέχεται μια υπηρεσία. Η διάρκεια καθορίζεται από φυσικές χρονικές σταθερές όπως οι μεταβολές του φορτίου, περίοδος εκκίνησης μια γεννήτριας και διαθεσιμότητα ΑΠΕ. Συχνότητα χρήσης (Cycling occurance): πόσες φορές μια υπηρεσία εφαρμόζεται μέσα σε μια ορισμένη χρονική περίοδο, πχ. ένας χρόνος. Πρέπει να σημειωθεί ότι μια υπηρεσία μπορεί να είναι συνεχώς διαθέσιμη, αλλά να καλείται να εφαρμοστεί σπάνια. Σε κάθε ηλεκτρικό σύστημα, εμφανίζονται τοπικές εκδοχές αυτών των υπηρεσιών προσαρμοσμένες στις ιδιομορφίες και τις ανάγκες του συστήματος (δηλ. το μέγεθος του φορτίου, το ενεργειακό μείγμα, τα χαρακτηριστικά των μονάδων παραγωγής, του συστήματος μεταφοράς κλπ). Τα χαρακτηριστικά των υπηρεσιών που διαφέρουν σε εθνικό ή περιφερειακό επίπεδο είναι τα παρακάτω: Ισχύς: Η απαιτούμενη ισχύς κάθε υπηρεσίας εξαρτάται από το μέγεθος, τα χαρακτηριστικά και τη διασύνδεση του δικτύου. Η παροχή υπηρεσιών από μέσα αποθήκευσης προϋποθέτει την αμφίδρομη ροή ισχύος από και προς το ηλεκτρικό δίκτυο. Αξία: το αντίτιμο που καταβάλλεται για την παροχή μιας υπηρεσίας σε ορισμένο τόπο και χρόνο με βάση τις ανάγκες του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Εκτός των παραπάνω χαρακτηριστικών, οι υπηρεσίες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν και ανάλογα με το πού εφαρμόζονται μέσα στο δίκτυο (στην πλευρά της παραγωγής, στην πλευρά της μεταφοράς & διανομής, στον τελικό καταναλωτή, για τη διασύνδεση ΑΠΕ). Στο Σχήμα 3.5 παρουσιάζεται το εύρος λειτουργίας ορισμένων υπηρεσιών με βάση τη διάρκεια και τη συχνότητα εμφάνισης τους. Εμφανίζονται κυρίως υπηρεσίες που εφαρμόζονται στην παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας. Η λεπτή διακεκομμένη ευθεία δείχνει τον μέγιστο δυνατό αριθμό κύκλων, μέσα σε ένα έτος, για μια υπηρεσία με δεδομένη τη διάρκειά της. Λαμβάνεται υπόψιν ότι η αποθήκευση ενέργειας υπαγορεύει μια περίοδο φόρτισης έπειτα από μια περίοδο εκφόρτισης. Άρα μια υπηρεσία με 58

59 διάρκεια 1 ώρα, σημαίνει 4380 κύκλοι λειτουργίας ανά έτος και όχι Επομένως, κάθε λειτουργία που εκτείνεται δεξιά της διακεκομμένης γραμμής, πρέπει να είναι ασυμμετρική όσον αφορά τους χρόνους φόρτισης και εκφόρτισης (πχ. μια υπηρεσία αργής εκφόρτισης που παρουσιάζει όμως δυνατότητα ταχείας επαναφόρτισης). Σχήμα 3.5. Όρια λειτουργίας διαφόρων υπηρεσιών (στην παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας), σύμφωνα με τη διάρκεια και την περιοδικότητα εμφάνισής τους Τεχνικές απαιτήσεις των υπηρεσιών ενός ηλεκτρικού δικτύου Οι τεχνικές απαιτήσεις των υπηρεσιών ενός ηλεκτρικού δικτύου καθορίζονται από τη διάρκεια, τη συχνότητα χρήσης και την ισχύ των υπηρεσιών. Παραδοσιακά πολλές από αυτές τις υπηρεσίες παρέχονταν από γεννήτριες που λειτουργούσαν στο 50% της ισχύος εξόδου, και μπορούσαν έτσι να αυξήσουν ή να μειώσουν την παρεχόμενη ισχύ με βάση τις απαιτήσεις του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Η ενσωμάτωση μέσων αποθήκευσης, εισάγει περιορισμούς στην ποσότητα της παρεχόμενης ενέργειας (μέσω της εκφόρτισης) πριν από την επακόλουθη φόρτιση, καθώς τα μέσα αποθήκευσης έχουν συγκεκριμένη χωρητικότητα. 59

60 Στο Σχήμα 3.6. μελετάται η απαιτούμενη αποθήκευση ενέργειας συναρτήσει της διάρκειας και της παρεχόμενης ισχύος της υπηρεσίας. Αυτή η αποθηκευμένη ενέργεια είναι η ελάχιστη απαιτούμενη για την παροχή μιας υπηρεσίας, και είναι πιθανόν να διαφοροποιείται σημαντικά από την ονομαστική χωρητικότητα ενός συγκεκριμένου μέσου αποθήκευσης και συστήματος. Σχήμα 3.6. Ελάχιστη παρεχόμενη αποθηκευμένη ενέργεια που απαιτείται για την υποστήριξη μια υπηρεσίας σε συγκεκριμένη ισχύ και διάρκεια Τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας σε ενεργειακές υπηρεσίες Όπως αναλύθηκε προηγουμένως, υπάρχει ένα μεγάλο εύρος τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας που επιτρέπουν την αμφίδρομη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας σε αποθηκευμένη ενέργεια. Κάθε τεχνολογία έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, αλλά όλες έχουν κοινή λειτουργία με την έννοια ότι ανταλλάσσουν ενέργεια με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας σε ρυθμούς και διάρκεια που καθορίζονται από την κάθε υπηρεσία. Στην παρούσα ενότητα, μελετάται ο βαθμός απόδοσης και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε τεχνολογίας και στη συνέχεια η καταλληλότητα και οικονομική βιωσιμότητά της στο πλαίσιο μιας συγκεκριμένης ενεργειακής υπηρεσίας. 60

61 Οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας αλληλεπιδρούν με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας παρέχοντας την απαραίτητη ενέργεια και ισχύ που απαιτείται από μια υπηρεσία του δικτύου. Η σχέση μεταξύ απαιτούμενης ενέργειας και ισχύος υπαγορεύεται από τη διάρκεια κάθε υπηρεσίας. Επίσης, ορισμένες τεχνολογίες, όπως οι μπαταρίες, μπορεί να έχουν μια εκ της κατασκευής τους συγκεκριμένη σχέση ενέργειας- ισχύος (C-rate, E/P ratio). Οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας παρουσιάζουν κάποιο βαθμό απόδοσης μικρότερο του 100% (Round trip efficiency), δηλ. αποδίδουν ενέργεια κατάτι μικρότερη από αυτή που απορρόφησαν, άρα συμπεριφέρονται ως καταναλωτές ενέργειας (net consumers). Αυτός ο βαθμός απόδοσης έχει άμεσο αντίκτυπο στο ηλεκτρικό δίκτυο, γιατί επηρεάζει την απαιτούμενη παραγωγή. Το πρόβλημα εντείνεται σε περιπτώσεις που η απόδοση είναι μικρότερη από 50%, το οποίο σημαίνει ότι η ενέργεια που παραλαμβάνεται και αποθηκεύεται θα πρέπει να είναι διπλάσια αυτής που αποδίδεται πίσω στο δίκτυο από τα μέσα αποθήκευσης. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα διπλάσιο κόστος για τον τελικό καταναλωτή χωρίς καν να λάβουμε υπόψη το λειτουργικό κόστος της μονάδας αποθήκευσης. Η ισχύς, η ενέργεια και οι απόδοση είναι οι βασικές παράμετροι που καθορίζουν την αλληλεπίδραση των μέσων αποθήκευσης με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, υπάρχουν και πολλές άλλες παράμετροι που επηρεάζουν την τεχνική και οικονομική τους βιωσιμότητα. Τέτοιες παράμετροι είναι η διαθεσιμότητα για παροχή υπηρεσιών, το βάθος εκφόρτισης, η διάρκεια ζωής τους, το κόστος (κυρίως το κόστος κεφαλαίου αλλά και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης). Ανάλογα με τους βασικούς περιορισμούς κάθε τεχνολογίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά διαφορετικά είδη μέσων αποθήκευσης τα οποία να καλύπτουν τις απαιτήσεις της εκάστοτε υπηρεσίας σε ισχύ και ενέργεια. Ενδεικτικά μέσα αποθήκευσης, είναι οι μπαταρίες, οι σφόνδυλοι, οι υπερπυκνωτές, οι υδραντλητικοί σταθμοί, τα συστήματα συμπιεσμένου αέρα κα. Κάθε μέσο αποθήκευσης έχει διακριτά χαρακτηριστικά, όπως παρουσιάστηκαν αναλυτικότερα σε προηγούμενες ενότητες. Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά των μέσων αποθήκευσης είναι το βάθος εκφόρτισης. Η τιμή του εξαρτάται από τη μορφή της τεχνολογίας (πχ. πρισματική ή κυλινδρική μπαταρία), την εφαρμογή της και τις κλιματικές συνθήκες (πχ. θερμοκρασία, βροχόπτωση). Κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι περιορισμοί του βάθους εκφόρτισης και να κατανοηθεί η σημασία του στη δυνατότητα μιας τεχνολογίας να παρέχει μια υπηρεσία. Στο Σχήμα 3.7 αναπαρίσταται η σχέση μεταξύ της ονομαστικής αποθηκευμένης ενέργειας και της παρεχόμενης ενέργειας, σε διάφορες τιμές (20%, 50%, 80%) του βάθους εκφόρτισης. Γίνεται αντιληπτό, ότι σε μέσα αποθήκευσης που η τιμή τους καθορίζεται από τη χωρητικότητα, το βάθος εκφόρτισης μπορεί να έχει μεγάλο αντίκτυπο στη συνολική τιμολόγηση. 61

62 Σχήμα 3.7. Παρεχόμενη ενέργεια μιας υπηρεσίας ως συνάρτηση της ονομαστικής αποθηκευμένης ενέργειας, για διάφορα βάθη εκφόρτισης (cycling window) Το βάθος εκφόρτισης των περισσότερων τεχνολογιών αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι κοντά στο 100%, δηλ. η ονομαστική τους χωρητικότητα είναι και η πραγματικά αξιοποιήσιμη. Ωστόσο, κατά τη χρήση μπαταριών, συχνά περιορίζεται το βάθος εκφόρτισης με στόχο την παράταση της διάρκειας ζωής τους, και κατά συνέπεια αύξηση της περιόδου λειτουργίας. Στο Σχήμα 3.8 αναπαρίστανται οι κύκλοι ζωής (συνεχείς γραμμές) διαφόρων μπαταριών για διάφορα βάθη εκφόρτισης. Στο σχήμα αναπαριστάται οι ισοδύναμοι πλήρεις κύκλοι ζωής (διακεκομμένες γραμμές). Το σημείο στο οποίο μεγιστοποιείται η διακεκομμένη γραμμή μας δείχνει το ιδανικό βάθος εκφόρτισης για το οποίο η συγκεκριμένη μπαταρία θα έχει τη μέγιστη ανταλλαγή ενέργειας στη διάρκεια ζωής της (δηλ. μέγιστο αριθμό ισοδύναμων πλήρων κύκλων ζωής). 62

63 Σχήμα 3.8. Κύκλοι ζωής και ισοδύναμοι πλήρεις κύκλοι διαφόρων μπαταριών για διάφορα βάθη εκφόρτισης. 63

64 Όπως βλέπουμε στο γράφημα, ορισμένοι τύποι μπαταριών παρουσιάζουν μέγιστη απόδοση ενέργειας για μειωμένο βάθος εκφόρτισης. Ωστόσο, η πλειοψηφία των καμπυλών υποδηλώνει το αντίθετο. Δεδομένης της χρονικής αξίας του χρήματος, θα ήταν πιο συνετό κατά το σχεδιασμό να μεγιστοποιείται το βάθος εκφόρτισης. Επιπλέον, είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη η ημερολογιακή διάρκεια ζωής της μπαταρίας (η οποία είναι ανεξάρτητη των κύκλων λειτουργίας), και να επιλέγεται το κατάλληλο βάθος εκφόρτισης και η συχνότητα χρήσης ώστε οι συνολικοί κύκλοι ζωής να ολοκληρώνονται πριν την ημερομηνία λήξης της μπαταρίας [3]. 64

65 Κεφάλαιο 4. Χρήση μπαταριών Ιόντων Λιθίου για ρύθμιση συχνότητας (frequency regulation) στο σύστημα του PJM Για τη συμμετοχή μιας μονάδας αποθήκευσης ενέργειας στην αγορά ρύθμισης συχνότητας, πρέπει να πληρούνται τα ακόλουθα κριτήρια σύμφωνα με την PJΜ [11]: - Μέγιστη ισχύς τουλάχιστον 100 kw. - Ο λόγος της ισχύος προς την ενέργεια (power-to-energy ratio) της μονάδας αποθήκευσης ενέργειας να είναι μεγαλύτερος ή ίσος του 1. - Μέγιστος χρόνος απόκρισης στα αιτήματα του συστήματος, 2 sec Χαρακτηριστικά μπαταρίας Επιλέχθηκε μπαταρία Ιόντων Λιθίου, της εταιρείας KOKAM μέγιστης ισχύος 32 MW και χωρητικότητας 8 MWh. Η μπαταρία λειτουργεί με μέγιστο βάθος εκφόρτισης 80%. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της μπαταρίας φαίνονται στον Πίνακα 4.1. Σειρά προϊόντος Τύπος μπαταρίας KCE Li-Ion Ονομαστική Ενέργεια (MWh) 8 Μέγιστη Ισχύς (MW) 32 Απόδοση Μπαταρίας 95% Τάση Λειτουργίας (V) Πίνακας 4.1. Τεχνικά χαρακτηριστικά μπαταρίας για ρύθμιση συχνότητας. Η μονάδα αποτελείται από συστοιχία μπαταριών τοποθετημένες σε ερμάρια (racks) και περικλείεται σε ένα κιβώτιο κοντέινερ, Σχήμα 4.1. Ο έλεγχος και η λειτουργία της μονάδας γίνεται από μια κεντρική μονάδα ελέγχου, η οποία διαχειρίζεται και εμφανίζει σε πραγματικό χρόνο πληροφορίες για τα επίπεδα διαθέσιμης ενέργειας, ισχύος, τάση και ρεύμα λειτουργίας καθώς και το επίπεδο της στάθμης φόρτισης (SoC, State of Charge). Επιπλέον, ενημερώνει για τυχόν σφάλματα στο σύστημα και προσφέρει δυνατότητα μιας γρήγορης διάγνωσης. 65

66 Σχήμα 4.1. Μπαταρία Ιόντων - Λιθίου για ρύθμιση συχνότητας 4.2. Ανάλυση σήματος Για την προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκε πραγματικό σήμα ρύθμισης από το PJM για το διάστημα από 1/8/2015 ως 31/7/2016. Το σήμα που λαμβάνουμε είναι το λεγόμενο Δυναμικό Σήμα (Dynamic Regulation Signal - RegD), αλλάζει τιμή κάθε 2 δευτερόλεπτα και παίρνει τιμές από -1 ως 1. Θετικές τιμές σημαίνουν ροή ισχύος από τη μπαταρία μας προς το δίκτυο (εκφόρτιση), ενώ οι αρνητικές ροή από το δίκτυο προς τη μπαταρία (φόρτιση). Στις παρακάτω γραφικές παραστάσεις γίνεται μια πρώτη ανάλυση της μορφής του σήματος. Παρουσιάζεται το μέσο ημερήσιο προφίλ του σήματος για τον μήνα Ιανουάριο, Σχήμα 4.2. Η καμπύλη παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον από την άποψη ότι έχει σημαντικές αποκλίσεις από το 0, δηλ. παρατηρούμε ότι υπάρχουν χρονικές στιγμές στις οποίες το σήμα παρουσιάζει όμοια συμπεριφορά για όλες τις μέρες του μήνα. 66

67 Σχήμα 4.2. Μέσο Ημερήσιο Προφίλ Σήματος για τον Ιανουάριο του

68 Από το παρακάτω γράφημα, Σχήμα 4.3, προκύπτει ότι η κατανομή των τιμών του σήματος παρουσιάζει κανονική κατανομή πέριξ του 0, ωστόσο υπάρχουν πολλές τιμές -1 και +1 με τις πρώτες σαφώς να υπερισχύουν. Αυτό σημαίνει ότι μια μπαταρία που συμμετέχει στο πρόγραμμα ρύθμισης συχνότητας θα καλείται συχνότερα να φορτίζεται και μάλιστα με τη μέγιστη ισχύ φόρτισης. Σχήμα 4.3. Κατανομή τιμών δυναμικού σήματος - Ιανουάριος 2016 Στο Σχήμα 4.4. αναλύεται η μέση τιμή του σήματος ανά ημέρα για το μήνα Ιανουάριο. Επαληθεύεται η μορφή της κατανομής. Δηλαδή το σήμα μας εμφανίζει περισσότερες αρνητικές τιμές και άρα το δίκτυο ζητάει συχνότερα από την μπαταρία να φορτίζει. 68

69 Σχήμα 4.4. Μέση τιμή του σήματος ανά μέση ανά ημέρα για το μήνα Ιανουάριο Επίσης όπως φαίνεται από τα Σχήματα που δείχνουν τυπικά μικρά διαστήματα του σήματος, διάρκειας 10 λεπτών το καθένα, το σήμα ρύθμισης παρουσιάζει μεγάλη αδράνεια, πράγμα που σημαίνει ότι η μπαταρία θα καλείται πιθανότατα είτε να φορτίζει ή να εκφορτίζει συνεχώς για μεγάλα διαστήματα. Σχήμα 4.5. Δυναμικό σήμα 10 λεπτών. 69

70 Σχήμα 4.6. Δυναμικό σήμα 10 λεπτών. Σχήμα 4.7. Δυναμικό σήμα 10 λεπτών. 70

71 Στο Σχήμα 4.8. παρουσιάζεται η αυτοσυσχέτιση του σήματος, για χρονική υστέρηση από 2 έως 480 sec (8 λεπτά). Σχήμα 4.8. Καμπύλη Αυτοσυσχέτισης του Σήματος για συνολικό χρονικό διάστημα 8 min. Παρατηρείται ότι έχουμε πολύ αργή πτώση της αυτοσυσχέτισης, το οποίο σημαίνει ότι δεν έχουμε γρήγορη μεταβολή τιμών και έτσι η μπαταρία μας έχει χρόνο να ανταποκριθεί στα αιτήματα του συστήματος. Επαναλάβαμε την ίδια ανάλυση και για τους υπόλοιπους μήνες του έτους και παρατηρήσαμε ότι το σήμα παρουσιάζει ανάλογη συμπεριφορά καθ όλη τη διάρκεια του έτους Ανάλυση τιμών του συστήματος PJM Η αποζημίωση για τη διαθεσιμότητα και τη συμμετοχή της μπαταρίας στην υπηρεσία ρύθμισης συχνότητας προκύπτει απ τον παρακάτω μαθηματικό τύπο Regulation Clearing Price = Assigned Regulation x Actual Performance Score x (RMCCP + Mileage Ratio x RMPCP) 71

72 όπου: Assigned Regulation (MW) η δηλωμένη ισχύς της μπαταρίας Actual Performance Score η επίδοση της μπαταρίας, δηλαδή η συνολική απόκρισή της στο σήμα κατά τη διάρκεια μιας ώρας. RMCCP (Regulation Market Capability Clearing Price - Τιμή Εκκαθάρισης της Αγοράς Ρύθμισης που σχετίζεται με τη δηλωμένη ισχύ). Η ημερήσια καμπύλη της RMCCP φαίνεται στο Σχήμα 4.9. Παρατηρούνται αρκετές μέγιστες τιμές στη διάρκεια της μέρας. Γενικά η RMCCP κυμαίνεται γύρω από μια μέση τιμή 16,5 $/ΜW-h. RMPCP (Regulation Market Performance Clearing Price - Τιμή Εκκαθάρισης της Αγοράς Ρύθμισης που σχετίζεται με βάση την επίδοση). Όπως παρατηρείται από την ημερήσια καμπύλη, Σχήμα 4.9, έχει σχεδόν σταθερή τιμή με μέση τιμή 2,2 $/MW-h. Μileage είναι η αθροιστική μεταβολή του σήματος ρύθμισης εντός μιας ώρας και αναπαριστά το άθροισμα των απόλυτων τιμών των μεταβολών ανά 2 sec του σήματος. Mileage Ratio είναι ο λόγος μεταξύ του mileage του δυναμικού σήματος D.RCS προς αυτό του παραδοσιακού σήματος Τ.RCS. Δεδομένου ότι το T.RCS είναι αργά μεταβαλλόμενο σήμα, ο λόγος αυτό είναι πάντα μεγαλύτερος της μονάδας. Δηλαδή Η μέση τιμή του Mileage ratio ισούται με 2,7. 72

73 Σχήμα 4.9. Μέση ημερήσια καμπύλη διαφόρων μεγεθών της Αγοράς Ρύθμισης του PJM. Με βάση τον τύπο αποζημίωσης για τη διαθεσιμότητα, συμπεραίνουμε ότι μεγαλύτερη επιρροή στην τιμή έχει η RMCCP Αποτελέσματα Μετά την ανάλυση και την προσομοίωση λειτουργίας για διάστημα ενός έτους, καταλήγουμε σε κάποια συμπεράσματα. Από το Σχήμα 4.10 της κατανομής στάθμης της μπαταρίας παρατηρούμε ότι η μπαταρία στη διάρκεια του ενός χρόνου που μελετήθηκε, για μεγάλα διαστήματα παρέμεινε πλήρως φορτισμένη. Αυτό είναι απόρροια της ανάλυσης που προηγήθηκε για την κατανομή τιμών του σήματος, στην οποία καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η μπαταρία θα καλείται συχνότερα να φορτίζεται και μάλιστα με τη μέγιστη ισχύ φόρτισης. 73

74 Σχήμα Κατανομή Τιμών της Στάθμης Μπαταρίας σε διάστημα ενός έτους. Η μορφή της κατανομής στάθμης της μπαταρίας επιβεβαιώνεται και σε ένα τυχαίο διάστημα 10 ημερών όπως παρουσιάζεται παρακάτω, Σχήμα Σχήμα Δείγμα στάθμης μπαταρίας για διάστημα 10 ημερών. 74

75 Αυτός είναι και ο λόγος που ενίοτε η μπαταρία δεν μπορεί να ανταποκριθεί στο σήμα φόρτισης καθώς έχει φορτίσει πλήρως. Αυτό φαίνεται στις τιμές της επίδοσης (performance score) η οποία υπολογίζεται ανά ώρα και η κατανομή της οποίας παρουσιάζεται στο Σχήμα Υπό κανονικές συνθήκες η επίδοση είναι 100% ή έστω πάνω από 97%. Ωστόσο, εμφανίζονται και χαμηλότερες τιμές στις οποίες η μπαταρία δεν μπόρεσε να ανταποκριθεί στο αντίστοιχο αίτημα το συστήματος. Σχήμα Κατανομή Τιμών του Performance Score σε διάστημα ενός έτους Οικονομικά αποτελέσματα Απ τον τύπο για τη διαθεσιμότητα και τη συμμετοχή της μπαταρίας στην υπηρεσία ρύθμισης συχνότητας, για το έτος που μελετήθηκε, προκύπτουν συνολικά κέρδη $ Εκτός από τη διαθεσιμότητα υπάρχει και μια τιμή για τις ανταλλαγές ενέργειας. Γενικά η συνολική ανταλλάξιμη ενέργεια στο τέλος κάθε ώρας είναι περίπου μηδενική. Ωστόσο, όταν στο τέλος της ώρας έχουμε ένα μικρό έλλειμμα ενέργειας τότε πληρώνουμε (αν έχουμε πάρει ενέργεια) ή πληρωνόμαστε (αν έχουμε δώσει ενέργεια) σε τιμή που καθορίζεται με βάση το real time market. Φυσικά αυτές οι ανταλλαγές είναι ασήμαντες από οικονομικής απόψεως. Τα συνολικά έξοδα από την ανταλλαγή ενέργεια στο τέλος του έτους μελέτης, ανέρχονται στα 235,7 $. 75

76 Από το γράφημα της κατανομής ωριαίου εσόδου για τη διαθεσιμότητα, Σχήμα 4.13, παρατηρούμε ότι η αποζημίωσή μας καλύπτει ένα μεγάλο εύρος τιμών. Οι επικρατέστερες τιμές είναι $/h όμως υπάρχουν και ακραίες περιπτώσεις στις οποίες η τιμή μπορεί να ξεπεράσει τα 2500$/h. Τέλος στο σημείο του γραφήματος που έχουμε συγκεντρωμένες μηδενικές ή χαμηλές τιμές, αυτό συμβαίνει διότι η μπαταρία βρισκόταν είτε σε πλήρη φόρτιση είτε σε πλήρη εκφόρτιση και δε μπορούσε να ανταποκριθεί στο σήμα του συστήματος. Σχήμα Κατανομή Τιμών ωριαίου εσόδου διαθεσιμότητας σε $/h Πλάνο απόσβεσης Το κόστος της μπαταρίας, που χρησιμοποιήθηκε κατά την περίοδο μελέτης για τη ρύθμιση συχνότητας, καθώς και του συστήματος Ελέγχου και Διαχείρισης, παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.2. Αρχικός κόστος μπαταρίας 300 $/kwh $ Κόστος Συστήματος Ελέγχου & Διαχείρισης 235 $/kw $ Συνολικό Κόστος Επένδυσης $ Πίνακας 4.2. Αρχικά κόστη επένδυσης. 76

77 Το ετήσιο κόστος λειτουργίας και συντήρησης, προκύπτει από τα επιμέρους σταθερά και μεταβλητά κόστη, Πίνακας 4.3. Σταθερά Κόστη 7,5 $/kw $ Μεταβλητά Κόστη 2,3 $/kwh $ Ετήσιο Κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης $ Πίνακας 4.3. Ετήσιο κόστος Λειτουργίας & Συντήρησης. Με βάση τα κέρδη και τα ετήσια κόστη, όπως παρουσιάστηκαν παραπάνω, μπορεί να γίνει μια αρχική εκτίμηση του πλάνου απόσβεσης. Εκτιμούμε, ότι μπορεί να γίνει απόσβεση του αρχικού κόστους της επένδυσης σε 2-3 χρόνια. Ωστόσο, καθώς δεν γνωρίζουμε πως θα κυμαίνονται οι τιμές του συστήματος τα επόμενα χρόνια, το τελικό χρονικό διάστημα απόσβεσης μπορεί τελικά να διαφέρει από την αρχική εκτίμηση. Σημαντικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψιν κατά τη διάρκεια παροχής της υπηρεσίας ρύθμισης συχνότητας, είναι ο χρόνος ζωής της μπαταρίας. Σύμφωνα με τον κατασκευαστή η μπαταρία έχει διάρκεια ζωής 10 έτη, μετά το πέρας των οποίων πρέπει να γίνει αντικατάστασή της. Κατά το έτος μελέτης του παραπάνω σεναρίου υπολογίστηκε ότι η μπαταρία κάνει 320 πλήρεις κύκλους. 77

78 Κεφάλαιο 5. Χρήση μπαταριών Ιόντων Λιθίου για τη μείωση της αιχμής φορτίου καταναλωτή στην Καλιφόρνια Στο 2ο σενάριο της παρούσας διπλωματικής μελετήθηκε η χρήση μπαταρίας για μείωση φορτίου ενός καταναλωτή σε ημερήσια βάση στην Καλιφόρνια. Για τη συγκεκριμένη μελέτη, επιλέχθηκε ως φορέας ένας μεγάλος εμπορικός καταναλωτής. Το τιμολόγιο του καταναλωτή είναι παρόμοιο με τα ελληνικά τιμολόγια βιομηχανικής χρήση. Η διαμόρφωση της τελικής τιμή προκύπτει από το άθροισμα της τιμής για την κατανάλωση ενέργειας ($/kwh) και της τιμής για τη μηνιαία ισχύ ($/kw). Οι παραπάνω τιμές μπορεί να διαφέρουν ανά ώρα της ημέρας για την κατανάλωση ενέργειας και ανά μήνα του έτους για τη μηνιαία ισχύ. Ο καταναλωτής χρησιμοποιεί μια μπαταρία για τη μείωση των αιχμών και ταυτόχρονα τη μετατόπιση φορτίων από ώρες αιχμής σε ώρες βάσης. Σύμφωνα με το διαχειριστή του συστήματος της Καλιφόρνια, για να χρησιμοποιηθεί μια μπαταρία για μείωση των αιχμών ενός φορτίου πρέπει, η μέγιστη ισχύς της να ισούται τουλάχιστον με το 25% της μηνιαίας αιχμής του φορτίου, δηλαδή να μπορεί να μειώσει κατά τόσο την αιχμή (peak) του. Εφόσον ικανοποιείται το παραπάνω κριτήριο η μπαταρία επιδοτείται από την Πολιτεία με ποσό 1460$/kW. Η επιδότηση ωστόσο, δεν μπορεί να ξεπεράσει το 75% του αρχικού κόστους της μπαταρίας. Η περίοδος μελέτης και αυτής της υπηρεσίας ισούται με ένα ημερολογιακό έτος Χαρακτηριστικά μπαταρίας Για τη μείωση των αιχμών του φορτίου, επιλέχθηκε μπαταρία Ιόντων-Λιθίου, της εταιρείας KOKAM μέγιστης ισχύος 100 kw και ονομαστικής ενέργειας 270 kwh. Η μπαταρία λειτουργεί με μέγιστο βάθος εκφόρτισης 80%. Η μπαταρία αποτελείται από συστοιχίες μπαταριών, τοποθετημένες σε ερμάρια (racks). Ο έλεγχος και η λειτουργία του συστήματος γίνεται από την κεντρική μονάδα ελέγχου (Κ.Μ.Ε). η οποία διαχειρίζεται και εμφανίζει σε πραγματικό χρόνο πληροφορίες για τα επίπεδα διαθέσιμης ενέργειας, ισχύος, τάση και ρεύμα λειτουργίας καθώς και το επίπεδο της στάθμης φόρτισης (SoC). Επιπλέον, ενημερώνει για τυχόν σφάλματα στο σύστημα και προσφέρει δυνατότητα μιας γρήγορης διάγνωσης. 78

79 Τα τεχνικά χαρακτηριστικά της μπαταρίας φαίνονται στον Πίνακα 5.1. Σειρά προϊόντος Τύπος μπαταρίας KROS Li-Ion Ονομαστική Ενέργεια (kwh) 270 Μέγιστη Ισχύς (kw) 100 Απόδοση Μπαταρίας 97% Τάση Λειτουργίας (V) Απόδοση Συστήματος (Κ.Μ.Ε. + Μπαταρία) 90% Πίνακας 5.1. Τεχνικά χαρακτηριστικά της μπαταρίας Αξίζει να σημειωθεί ότι σε αντίθεση με την μπαταρία του σεναρίου 1, η συγκεκριμένη μπαταρία έχει μικρότερες ονομαστικές τιμές, είναι μικρότερου μεγέθους και ο λόγος της ισχύος προς την ενέργεια (Power-to-Energy ratio) είναι μικρότερος και φορτίζει ή εκφορτίζει πλήρως μέσα σε 3 ώρες. Σχήμα 5.1. Μπαταρία Ιόντων-Λιθίου για μείωση αιχμής 79

80 5.2. Ανάλυση φορτίου Το φορτίο που επιλέχθηκε για τη μείωση της αιχμής, είναι ένας μεγάλος εμπορικός καταναλωτής με καθαρά αιχμιακά χαρακτηριστικά. Στο Σχήμα 5.2. παρουσιάζεται το εβδομαδιαίο προφίλ του καταναλωτή. Σχήμα 5.2. Μέση εβδομαδιαία καμπύλη φορτίου του καταναλωτή μας (από Δευτέρα ως Κυριακή) Παρατηρούμε ότι τις καθημερινές μέρες η καμπύλη εμφανίζει παρόμοια μορφή, ενώ τα Σαββατοκύριακα λόγω διαφοροποίησης των ωραρίων εργασίας, εμφανίζουν διαφορετική μορφή. Ένα πλεονέκτημα του συγκεκριμένου καταναλωτή, είναι ότι εμφανίζει αρκετές αιχμές όλες τις μέρες της βδομάδας. Αυτό τον καθιστά ιδανικό για τη μελέτη της μείωσης αιχμών φορτίου με τη χρήση μπαταρίας. Αντιθέτως, οι περισσότεροι βιομηχανικοί καταναλωτές εμφανίζουν πιο επίπεδες καμπύλες, επομένως δεν είναι πάντα κατάλληλοι για μείωση των αιχμών του φορτίου. Ωστόσο, ένα μειονέκτημα του προς μελέτη καταναλωτή είναι ότι εμφανίζει αιχμές φορτίου κυρίως μεταξύ των ωρών 19:00 και 23:00, οι οποίες συμπίπτουν κατά ένα μεγάλο μέρος με τις ώρες βάσης. 80

81 5.3. Ανάλυση τιμών Οι τελική τιμή του τιμολογίου του καταναλωτή διαμορφώνεται από την τιμή κατανάλωσης ενέργειας και την τιμή της μηνιαίας αιχμής. Στην πολιτεία της Καλιφόρνια, υπάρχουν αρκετοί πάροχοι ηλεκτρικής ενέργειας και οι τιμές διαφοροποιούνται ανάλογα τον πάροχο. Οι τιμές του παρόχου που επιλέχθηκε για την παρούσα μελέτη, παρουσιάζονται Πίνακες και στο Σχήμα 5.3. Κατανάλωσης ενέργειας Τιμή για ώρες αιχμής ($/kwh) On-peak price 0,20 00:00-5:00 & 10:00-15:00 20:00-23:00 Τιμή για ώρες βάσης ($/kwh) Off-peak price 0,05 6:00-9:00 & 16:00-19:00 Πίνακας 5.2. Τιμές Παρόχου για την κατανάλωση ενέργειας ανάλογα με την ώρα της ημέρας ($/kwh). Σχήμα 5.3. Τιμές για κατανάλωση ενέργειας ($/kwh) ανάλογα με την ώρα της ημέρας. 81

82 Μηνιαία αιχμή Καλοκαίρι ($/kw) 35 Απρίλιος - Οκτώβριος Χειμώνας ($/kw) 15 Νοέμβριος - Μάρτιος Πίνακας 5.3. Τιμές Παρόχου για τη μηνιαία αιχμή ανάλογα με την εποχή. Ο συγκεκριμένος πάροχος που επιλέχθηκε, παρουσιάζει μεγάλη διαφοροποίηση μεταξύ των τιμών αιχμής και βάσης καθώς και μεταξύ των τιμών για το καλοκαίρι και το χειμώνα Αποτελέσματα Από τη χρήση μπαταρίας για τη μείωση της αιχμής του φορτίου του καταναλωτή, προέκυψαν ορισμένα τεχνικά και οικονομικά αποτελέσματα. Από το συγκριτικό διάγραμμα της μέσης εβδομαδιαίας καμπύλης του φορτίου πριν και μετά τη χρήση της μπαταρίας, Σχήμα 5.4 παρατηρούμε ότι η μπαταρία κατάφερε επιτυχώς να αποκόψει τις αιχμές του φορτίου καθ όλη τη διάρκεια της εβδομάδας και να μεταφέρει την ενέργεια που απορρόφησε σε ώρες που η καμπύλη ήταν χαμηλή. Σχήμα 5.4. Μέση εβδομαδιαία καμπύλη φορτίου πριν και μετά τη χρήση μπαταρίας. 82