Διπλωματική Εργασία. Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Παναγιώτη Α. Μπακή. Με Αριθμό Μητρώου του Τμήματος:

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Παναγιώτη Α. Μπακή Με Αριθμό Μητρώου του Τμήματος: 6577 Θέμα: «Έλεγχος Αιολικού Συστήματος Μεταβλητών Στροφών με Πολυπολική Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη Συνδεδεμένη στο Δίκτυο μέσω ac/dc/ac Μετατροπέα Ισχύος» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2012 Πάτρα, Ιανουάριος 2012.

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με Θέμα: «Έλεγχος Αιολικού Συστήματος Μεταβλητών Στροφών με Πολυπολική Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη Συνδεδεμένη στο Δίκτυο μέσω ac/dc/ac Μετατροπέα Ισχύος» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Παναγιώτη Α. Μπακή Με Αριθμό Μητρώου του Τμήματος: 6577 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις: / /20. Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Στην οικογένεια μου.

6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ I ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω εγκάρδια όλους όσους βοήθησαν για την ολοκλήρωση της παρούσης εργασίας και συνέδραμαν με κάθε τρόπο στην προσπάθεια αυτή. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου τον κ. Α. Θ. Αλεξανδρίδη για την βοήθεια και την καθοδήγηση που μου παρείχε. Τέλος, θα ήθελα να δώσω θερμές ευχαριστίες στον διδακτορικό φοιτητή του Τμήματος κ. Μ. Μπουρδούλη για την πολύ υπομονή του, την εγκάρδια βοήθεια του και την πολύτιμη υποστήριξη του στα δύσκολα σημεία της παρούσης εργασίας.

8

9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ III ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι σύγχρονες αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις καθώς και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος είναι οι κύριοι λόγοι που κάνουν τα αιολικά συστήματα να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο στη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά συστήματα αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ανάλογα με την τεχνολογία που εφαρμόζουν χωρίζονται σε επιμέρους κατηγορίες. Στη παρούσα εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη (ΣΜΜΜ). Η απήχηση της ΣΜΜΜ στα αιολικά συστήματα διαρκώς αυξάνει. Αυτό οφείλεται κυρίως στην απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, δακτυλιοφόρου δρομέα και εξωτερικής διεγέρσεως, που προσφέρουν οι μηχανές αυτές. Πράγμα που σημαίνει αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση. Στην εργασία αυτή θα μοντελοποιήσουμε και θα προσομοιώσουμε, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, το αιολικό σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Στο σύστημα αυτό θα εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου που μεγιστοποιεί την παραγόμενη ενέργεια ρυθμίζοντας κατάλληλα τις στροφές της μηχανής. Τέλος, θα παραθέσουμε τα αποτελέσματα μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και θα εξάγουμε ορισμένα συμπεράσματα. ABSTRACT Today s increased energy needs and the increasing environmental pollution are the main reasons which make wind systems more usable in electric energy production. Wind systems use the kinetic energy of the wind. Depending on the technology they apply, they are divided into certain categories. In the present project we will study a varying speed wind system which uses a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). The popularity of the PMSG in wind systems is continuously increasing. This is mainly due to the absence of gear box, wound rotor and external excitation which offer such machines. This means increased reliability and efficiency. In this project we will model and simulate, in Matlab/Simulink environment, the wind system described above. In this system we will apply a control strategy which maximizes the produced energy by regulating appropriately the speed of the machine. Finally, we will demonstrate the results among with a brief comment and we will extract some conclusions.

10

11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ V ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στη παρούσα διπλωματική εργασία θα ασχοληθούμε με ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη. Θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική, ώστε να ελέγξουμε τις στροφές του συστήματος, για να επιτύχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος από το σύστημα. Τέλος, θα υλοποιήσουμε το παραπάνω σύστημα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα το προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές στην ταχύτητα του ανέμου. Ούτως ώστε να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με το ενεργειακό πρόβλημα που απασχολεί ολοένα και περισσότερο την επικαιρότητα. Θα αναλύσουμε τους περιβαλλοντολογικούς παράγοντες που συντελούν στην αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας πιο φιλικών προς το περιβάλλον και τη φύση, σ αυτές που ονομάζουμε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Στη συνέχεια, θα κάνουμε μια αναφορά σε όλες τις ΑΠΕ που χρησιμοποιούνται σήμερα και θα κλείσουμε το Κεφάλαιο αυτό με την ποιοτική παρουσίαση της αιολικής ενέργειας και τους λόγους (οικονομικούς, τεχνικούς, περιβαλλοντολογικούς) που μας ωθούν στην αξιοποίηση της. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή της αιολικής ενέργειας και τα βασικά χαρακτηριστικά ενός αιολικού συστήματος. Στη συνέχεια, θα παραθέσουμε τους διάφορους τύπους ανεμογεννητριών που χρησιμοποιούνται στα αιολικά συστήματα σήμερα και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που ο καθένας παρουσιάζει. Τέλος, θα κλείσουμε αυτό το Κεφάλαιο με μια σύντομη, αλλά περιεκτική περιγραφή στις μεθόδους ελέγχου που χρησιμοποιούνται σήμερα στις ανεμογεννήτριες. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε την σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη μαζί με το πλήρες μαθηματικό της μοντέλο. Στη συνέχεια, θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d q δύο καθέτων αξόνων, μέσω του μετασχηματισμού Park, που μας προσφέρει απλούστευση των εξισώσεων και ευκολία στον έλεγχο. Κατόπιν, θα αναλύσουμε μαθηματικά μια από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στον έλεγχο της ΣΜΜΜ και στηρίζονται σε γραμμικό PI έλεγχο. Για τη μέθοδο αυτή θα εξάγουμε αναλυτικές σχέσεις για τον καθορισμό των κερδών των ελεγκτών. Τέλος, θα τελειώσουμε το Κεφάλαιο αυτό με μια συνοπτική ανασκόπηση όλων των εξισώσεων που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του μοντέλου της ΣΜΜΜ στο περιβάλλον Matlab/Simulink. Στο τέταρτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση,

12 VI ΕΙΣΑΓΩΓΗ καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών, όπως αυτά προέκυψαν από τις σχέσεις που εξήχθησαν στο προηγούμενο Κεφάλαιο και τα δεδομένα του συγκριμένου συστήματος. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και μερικά συμπεράσματα.

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ VII ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα Τα Αίτια Το Φαινόμενο Του Θερμοκηπίου Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Τα Είδη Τα Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Η Αιολική Ενέργεια ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 2.1 Η Περιγραφή του Ανέμου Το Βήμα του Πτερυγίου Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Τύποι Ανεμογεννητριών Οι Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Οι Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Χαρακτηριστικά Μεγέθη Ανεμογεννητριών Η Διασύνδεση των Αιολικών Πάρκων Ο Έλεγχος στις Ανεμογεννήτριες Ο Μηχανικός Έλεγχος Ο Ηλεκτρονικός Έλεγχος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Η ΣΜΜΜ ΚΑΙ Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ 3.1 Οι Εξισώσεις της ΣΜΜΜ Εισαγωγή στη ΣΜΜΜ Ο Μετασχηματισμός Park Οι Εξισώσεις της ΣΜΜΜ στο a b c και στο d q Σύστημα Οι Εξισώσεις του RL Φίλτρου στο a b c και στο d q Σύστημα Ο Έλεγχος της ΣΜΜΜ Η Ρύθμιση των Ελεγκτών Ρεύματος στη Πλευρά της Μηχανής Η Ρύθμιση του Ελεγκτή Ταχύτητας Ο Έλεγχος στη Πλευρά του Δικτύο Η Ρύθμιση των Ελεγκτών Ρεύματος στη Πλευρά του Δικτύου Το Σύστημα της Προσομοίωσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΑΙ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΗ ΣΜΜΜ 4.1 Τα Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Συστήματος Τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

14

15 Εικόνα 1 Αιολικό πάρκο με ανεμογεννήτριες τύπου Enercon E 126.

16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ενέργεια και ΑΠΕ 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα Τα Αίτια Η αλόγιστη σπατάλη των ενεργειακών πόρων κατά τη διάρκεια των τεσσάρων τελευταίων δεκαετιών οδήγησε στα σημερινά οικονομικά και ενεργειακά αδιέξοδα. Η σπατάλη αυτή οφείλεται κυρίως στη τεράστια παγκόσμια βιομηχανία των ανεπτυγμένων χωρών και στη ραγδαία εξελισσόμενη των αναπτυσσομένων οικονομιών καθώς και στην υπερκαταναλωτική νοοτροπία της σύγχρονης κοινωνίας. Ο κόσμος σήμερα έχει ανάγκη από ενέργεια εν προκειμένω ηλεκτρική, που είναι μια μορφή καθαρής ενέργειας φιλικής προς το περιβάλλον, σε επαρκείς ποσότητες. Επίσης, απαραίτητη είναι η καλή ποιότητα της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, μιας και τα σύγχρονα δίκτυα είναι φορτωμένα με μια πληθώρα ηλεκτρονικών συσκευών. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, που σχετίζεται άμεσα με την ποιότητα ζωής και το βιοτικό επίπεδο των ανθρώπων, έχει αυξηθεί τρομακτικά τα τελευταία χρόνια. Συγκεκριμένα, το ⅓ της παγκόσμιας παραγόμενης ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική και από εκεί αξιοποιείται ανάλογα για φωτισμό, κίνηση και θέρμανση. Εάν και για την τελευταία δραστηριότητα προτιμούμε άλλες μορφές πιο κατάλληλες, που δεν απαιτούν την ενδιάμεση μετατροπή σε ηλεκτρική μορφή, όπως το φυσικό αέριο. Η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση εικοσαπλασιάστηκε τα τελευταία 100 χρόνια. Κυρίαρχο ρόλο στην παγκόσμια καταναλισκόμενη ενέργεια έχουν οι Η.Π.Α. με ένα ποσοστό 23%, πράγμα που συμφωνεί με το γεγονός ότι υψηλό

18 2 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ βιοτικό επίπεδο συνεπάγεται και υψηλή κατανάλωση σε ενέργεια. Το 2008 η παγκόσμια καταναλισκόμενη ενέργεια αντιστοιχούσε σε 474 EJ (=132,000 TWh), όπου E= Σύμφωνα με στοιχεία του IEA (International Energy Agency), η μέση κατανάλωση ενέργειας ανά άτομο αυξήθηκε κατά την περίοδο κατά 10%. Ενώ, η αντίστοιχη αύξηση του πληθυσμού της Γης, την ίδια περίοδο, ήταν 27%. Προέλευση αυτής της καταναλισκόμενης ενεργείας σε παγκόσμιο επίπεδο είναι το πετρέλαιο με ποσοστό 35%, ακολουθεί ο άνθρακας και το φυσικό αέριο με ποσοστό 22% και 21% αντίστοιχα και στη συνέχεια έχουμε ένα 16% από τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Όμως, αυτό το 16% προέρχεται κυρίως από βιομάζα (10%) και έτσι απομένει μόνο ένα μικρό ποσοστό (περί το 6%) για τις κατεξοχήν ΑΠΕ. Όμως, και από τις κατεξοχήν ΑΠΕ το μεγαλύτερο μέρος προέρχεται από υδροηλεκτρικά (3.4%) και έτσι αφήνει ένα πολύ μικρό ποσοστό (2.8%) για αιολικά και φωτοβολταϊκά και άλλες σύγχρονες ΑΠΕ. Το υπόλοιπο 6% της παγκόσμιας ενέργειας συμπληρώνεται από την πυρηνική ενέργεια. Τα ίδια στοιχεία για την παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δείχνουν πως οι ανανεώσιμες πηγές συνεισφέρουν κατά 19%, εκ του οποίου το 16% προέρχεται από υδροηλεκτρικά και μόνο το 3% από άλλες ανανεώσιμες. Στο σχήμα 1.1 βλέπουμε την προέλευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη. Από το σχήμα αυτό παρατηρούμε ότι ενώ το 1971 το 49% της ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρώπης παραγόταν από άνθρακα, το 2008 μόνο το 28% της ηλεκτρικής ενέργειας παραγόταν από την πηγή αυτή. Επίσης, οι ΑΠΕ ενώ το 1971 αποτελούσαν το 17% περίπου της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και απαρτίζονταν μόνο από υδροηλεκτρικά έργα, το 2008 αποτελούσαν και πάλι το 17%, αλλά αυτή τη φορά έχουμε την συμμετοχή και της γεωθερμικής, της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας καθώς και της βιομάζας. Όπως αντιλαμβανόμαστε υπάρχει αρκετό περιθώριο για την ανάπτυξη σύγχρονων υποδομών σε φωτοβολταϊκά και εν προκειμένω σε αιολικά συστήματα.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 3 Σχήμα 1.1 Η προέλευση ηλεκτρικής ενέργειας για την Ε.Ε. κατά τα έτη 1971 και 2008 (Ε.Ε. των 27). (Πηγή EWEA) Η άποψη πως θα πρέπει να κινηθούμε προς αυτήν την κατεύθυνση ενισχύεται και από τις πάμπολλες κοινωνικές αντιδράσεις που έχει εγείρει η χρήση της πυρηνικής ενέργειας λόγω του κινδύνου πυρηνικών ατυχημάτων που ενέχει η λειτουργιά ενός πυρηνικού εργοστασίου. Παρά τις σύγχρονες μεθόδους ελέγχου που διαθέτουμε για την ασφαλή λειτουργία τέτοιων εργοστασίων δεν έχουμε παντελώς εξαλείψει τον κίνδυνο ενός πυρηνικού ατυχήματος. Μερικά θλιβερά τέτοια γεγονότα είναι το παλαιότερο ατύχημα του Chernobyl και το πρόσφατο ατύχημα στην Fukushima. Οι συνέπειες μόλυνσης του περιβάλλοντος από ένα τέτοιο ατύχημα είναι ανυπολόγιστες, τρομακτικές και χρόνιες. Οι κάτοικοι των γύρω περιοχών κινδυνεύουν από ανίατες παθήσεις. Για τον λόγο αυτό δεν θα πρέπει να επενδύουμε στην εξάπλωση της πυρηνικής ενέργειας, αλλά μάλλον στον περιορισμό της. Από την άλλη πλευρά, οι συνέπειες μόλυνσης του περιβάλλοντος από την καύση του πετρελαίου, του άνθρακα, του λιγνίτη και άλλων ορυκτών καυσίμων δεν μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες μιας και παράγουν τεράστιες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, που όπως θα εξηγηθεί παρακάτω έχει καταστροφικές περιβαλλοντολογικές συνέπειες. Μερικά στατιστικά στοιχεία πάνω στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στη χώρα μας δεικνύουν πως μια σύγχρονη λιγνιτική ηλεκτροπαραγωγική μονάδα εκπέμπει περίπου 1 τόνο διοξειδίου του άνθρακα ανά MWh παραγόμενης ενέργειας. Αυτό το στοιχειό σε συνδυασμό με το γεγονός ότι σύμφωνα με τους κανόνες που έχει θέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση θα αναγκαζόμαστε να πληρώνουμε δικαιώματα μόλυνσης δημιουργεί σοβαρά προβλήματα. Με σημερινά δεδομένα τα δικαιώματα μόλυνσης κυμαίνονται γύρω στα 25 ανά εκπεμπόμενο τόνο διοξειδίου του άνθρακα, Το κόστος μόλυνσης μεταφράζεται σε ένα ποσό ύψους 1.4 δισ. το χρόνο. Κόστος που θα

20 4 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ αναγκάζεται να καταβάλει η Δ.Ε.Η.. Το Ελληνικό ηλεκτρικό σύστημα είναι δομημένο ως εξής: έχουμε 12.7 GW εγκατεστημένη ισχύ και μια παραγωγή της τάξης των 60,000 GWh ανά έτος. Συγκριτικά, η αντίστοιχη παγκόσμια παραγωγή σε ηλεκτρική ενέργεια ανά έτος ανέρχεται σε 23 τρισ. GWh. Από τα παραπάνω, μπορούμε να συμπεράνουμε πόσο μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα εκπέμπονται κάθε χρόνο στην ατμόσφαιρα ανά το κόσμο. Τα παραπάνω στοιχεία σε συνδυασμό με την ανάλυση του προβλήματος που δημιουργεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου, που ακολουθεί παρακάτω, συντελούν στο να συμπεράνουμε πως ούτε περιβαλλοντολογικά επιτρεπτό είναι να εκπέμπουμε με αυτούς τους ρυθμούς διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους για την κάλυψη των ενεργειακών μας αναγκών, ούτε οικονομικά αποδεκτό να ξοδεύουμε τέτοια ποσά για εξαγορά ρύπων και αποκατάστασης του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας. Αλλά, μας ωθούν στο να στραφούμε προς μια άλλη φιλική προς το περιβάλλον μορφή ενέργειας που θα απαιτήσει ναι μεν κάποιο αρχικό κόστος υποδομών, θα εξασφαλίσει όμως την βιωσιμότητα του πλανήτη Το Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Το φαινόμενο του θερμοκηπίου οφείλεται σε ορισμένα αέρια τα οποία περιβάλλουν την ατμόσφαιρα της Γης. Τα αέρια αυτά απορροφούν μέρος της επανεκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας από την Γη προς το διάστημα με αποτέλεσμα να θερμαίνουν την επιφάνεια της Γης και τα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Μ αυτόν τον τρόπο, δεν επιτρέπουν τη θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης να φτάσει σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, όπως αυτές που επικρατούν στη μεσόσφαιρα ένα από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας που βρίσκεται σε απόσταση km από την επιφάνεια της Γης. Οι θερμοκρασίες που επικρατούν στη μεσόσφαιρα είναι οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που απαντώνται στη Γη και κυμαίνονται από 85 έως 100. Επομένως, το φαινόμενο του θερμοκηπίου δεν έχει από μόνο του αρνητική σημασία, αλλά θετική. Όμως, η παρέμβαση του ανθρωπίνου στοιχείου τις τελευταίες δεκαετίες οδήγησε στην υπερβολική αύξηση κάποιων αερίων του θερμοκηπίου και κυρίως του διοξειδίου του άνθρακα, με συνέπεια την αφύσικη αύξηση της θερμοκρασίας. Τα αέρια του θερμοκηπίου είναι οι υδρατμοί (H20) που δημιουργούν το 36 70% του φαινομένου, το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) που δημιουργεί το 9 26%, το μεθάνιο (CH4) που δημιουργεί το 4 9%, τα οξείδια του αζώτου, οι χλωροφθοράνθρακες (CFCs) και το όζων (O3) που δημιουργεί το 3 7%. Η κατάχρηση γεωργικών φαρμάκων και λιπασμάτων καθώς και η καύση πετρελαίου, άνθρακα, λιγνίτη και άλλων ορυκτών καυσίμων για ενεργειακούς

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 5 σκοπούς αύξησαν τις συγκεντρώσεις των αερίων αυτών στην ατμόσφαιρα. Συγκεκριμένα, το διοξείδιο του άνθρακα έχει αυξηθεί κατά 36% από το 1750 και το μεθάνιο κατά 148%, με αποτέλεσμα να αυξάνεται διαρκώς η θερμοκρασία της Γης. Η καύση ορυκτών καυσίμων τα τελευταία 20 χρόνια οφείλεται για τα ¾ της αύξησης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, ενώ για το υπόλοιπο ¼ ευθύνεται η καταστροφή των δασών. Εκτιμάται πως η θερμοκρασία της Γης έχει αυξηθεί κατά 0.8 τα τελευταία 100 χρόνια, με τα ⅔ της αλλαγής να συμβαίνουν μόλις τις τρεις τελευταίες δεκαετίες. Στο σχήμα 1.2 βλέπουμε την παγκόσμια μέση θερμοκρασιακή μεταβολή από το 1880 έως το 2010, σε σχέση με τη μέση θερμοκρασία της περιόδου Η μαύρη γραμμή είναι η μέση ετήσια θερμοκρασία, ενώ η κόκκινη είναι η μέση τιμή της πενταετίας. Οι πράσινες γραμμές είναι ανακρίβειες στις μετρήσεις. Σχήμα 1.2 Η παγκόσμια μέση θερμοκρασιακή μεταβολή από το 1880 έως σήμερα. (Πηγή NASA GISS) Οι προβλέψεις όμως για τη θερμοκρασιακή μεταβολή τα επόμενα 100 χρόνια κάνουν λόγο για αυξήσεις της τάξης των για τις ελάχιστες εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα (σενάριο καλύτερης περίπτωσης) και των για τις μέγιστες (σενάριο χειρότερης περίπτωσης). Στο σχήμα 1.3 φαίνεται μια εκτίμηση για την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της περιόδου σε σχέση με την μέση θερμοκρασία της περιόδου , όπως αυτή προκύπτει από το κλιματικό μοντέλο HadCM3.

22 6 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Σχήμα 1.3 Η πρόβλεψη της επιφανειακής αύξησης της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια του 21 ου αιώνα σύμφωνα με το κλιματικό μοντέλο HadCM3. Η μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας θα έχει σαν αποτέλεσμα το λιώσιμο των πάγων στις πολικές περιοχές και πιθανή αύξηση των υποτροπικών ερήμων. Ήδη τεράστια παγόβουνα αποκόβονται και κατευθύνονται σε νοτιότερα πλάτη όπου και λιώνουν αυξάνοντας την στάθμη της θάλασσας και απειλώντας το ζωικό βασίλειο της περιοχής. Εκτιμάται ότι η στάθμη της θάλασσας έχει ανέβει cm τα τελευταία 100 χρόνια και σύμφωνα με τον IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) θα αυξηθεί cm στα επόμενα 100 χρόνια. Στο σχήμα 1.4 βλέπουμε την μέση μεταβολή του πάχους των παγετώνων στις πολικές περιοχές (σε εκατοστά ανά έτος) και τη συνολική μεταβολή του πάχους τους (σε μέτρα) από το 1950 και έπειτα. Σύμφωνα με δορυφορικές μετρήσεις εκτιμάται ότι οι παγετώνες στην Αρκτική Θάλασσα μειώνονται με ρυθμό 11.5% ανά δεκαετία, σε σχέση με το μέσο όρο της περιόδου Ακόμα, πολλά είδη του ζωικού βασιλείου απειλούνται με εξαφάνιση λόγω της συντελούμενης κλιματικής αλλαγής. Επιπλέον, πρόσθετη κλιματική αλλαγή θα επηρεάσει ορισμένα οικοσυστήματα όπως η τούνδρα και οι κοραλλιογενείς ύφαλοι.

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 7 Σχήμα 1.4 Η μέση μεταβολή ανά έτος και η συνολική μέση μεταβολή του πάχους των παγετώνων από το Οι κλιματικές αλλαγές στον πλανήτη είναι πλέον εμφανείς (θερμότερα καλοκαίρια, ψυχρότεροι χειμώνες, ερημοποίηση μεγάλων περιοχών του πλανήτη, το φαινόμενο El Niño κ.α.). Επιπλέον, τα ακραία καιρικά φαινόμενα συνεχώς αυξάνουν (ορμητικές καταιγίδες, σφοδρές υδατοπτώσεις, πλημμύρες ποταμών, καταστροφικοί τυφώνες, φονικά τσουνάμι κ.τ.λ.). Όλα αυτά είναι αποτέλεσμα της κακής διαχείρισης που έκανε τόσα χρόνια ο άνθρωπος. Οι ενεργειακοί πόροι κατασπαταλήθηκαν και το περιβάλλον δεν λογαριάστηκε καθόλου. Τα δάση κατακάηκαν χωρίς να ληφθεί ειδική μέριμνα για την προστασία και την διαφύλαξη τους. Ακόμα και σήμερα κάθε καλοκαίρι καίγονται χιλιάδες στρέμματα δασικής έκτασης. Αυτή τη στιγμή επομένως βιώνουμε τις δραματικές συνέπιες των λάθος επιλογών και πολιτικών που ακολουθήσαμε τις τελευταίες δεκαετίες Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Τα Είδη Με τον όρο Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) εννοούμε εκείνες τις πηγές ενεργείας οι οποίες παραμένουν αναλλοίωτες χρονικά ως προς τα αποθέματα τους. Είναι πρακτικά ανεξάντλητες και επηρεάζονται μόνο από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Τις διακρίνουμε στα παρακάτω είδη: Ηλιακή Ενέργεια: Είναι η κατεξοχήν Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειας μιας και όλες οι άλλες πηγές ενέργειας σ αυτήν οφείλουν την ύπαρξη τους.

24 8 1.2 ΟΙ ΑΠΕ Εξαίρεση αποτελούν η γεωθερμική, η πυρηνική και η παλιρροιακή. Εκτιμάται, ότι η ισχύς που φτάνει στην επιφάνεια της Γης από τον Ήλιο είναι 174 PW (P=10 15 ). Η ηλιακή ενέργεια δυστυχώς είναι λίγο προβληματική στην εκμετάλλευση της μέχρι σήμερα αν και τον τελευταίο καιρό γίνονται αξιόλογες προσπάθειες με την φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Η εκμετάλλευση της γίνεται με δύο κυρίως τρόπους: (α.) με φωτοβολταϊκά συστήματα, που μετατρέπουν άμεσα την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική και (β.) με ηλιακά θερμικά συστήματα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμική μέσω συγκεντρωτικών κατόπτρων ή κάποιας άλλης μεθόδου και από εκεί μετατρέπεται σε άλλες μορφές. Το κόστος εγκατάστασης της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας παραμένει αρκετά υψηλό και ανέρχεται σε 5000 /kwp περίπου. Η παγκόσμια εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ισχύς ξεπερνά τα 40 GWp. Οι ρυθμοί αύξησης της φωτοβολταϊκής ισχύος είναι 60% ετησίως για τα πέντε τελευταία χρόνια. Το μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό πάρκο στο κόσμο βρίσκεται στον Καναδά και είναι ισχύος 95 MWp, ενώ σχεδιάζεται φωτοβολταϊκό πάρκο ισχύος 500 MWp στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ. Αιολική Ενέργεια: Είναι η κινητική ενέργεια των ανέμων. Δημιουργείται από τη διαφορά θερμοκρασίας και πιέσεως των αερίων μαζών, οι οποίες αναγκάζονται να κινηθούν. Είναι ανεξάντλητη και σχετικά οικονομική στην εκμετάλλευση της με ένα κόστος εγκατάστασης περίπου 2 εκατ. /MW (στις ΗΠΑ το κόστος εγκατάστασης ήταν 2120 $/kw το 2009 και σημείωσε μια αύξηση 9% σε σχέση με το 2008). Επίσης, η αιολική ενέργεια παράγει μηδενικές εκπομπές σε αέρια του θερμοκηπίου. Το συνολικά διαθέσιμο αιολικό δυναμικό του πλανήτη εκτιμάται πως είναι πέντε φορές μεγαλύτερο από τη σημερινή παγκόσμια παραγωγή ενέργειας ή 40 φορές μεγαλύτερο από τη σημερινή ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά πάρκα διακρίνονται σε χερσαία και σε υπεράκτια. Οι άνεμοι που πνέουν στα υπεράκτια πάρκα είναι έως και 90% ισχυρότεροι απ αυτούς που πνέουν στα χερσαία. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα όμως των χερσαίων αιολικών πάρκων είναι πως δεν κάνουν πλήρη κάλυψη της έκτασης που χρησιμοποιούν, αλλά μόνο ένα μικρό ποσοστό αυτής, αφήνοντας την υπόλοιπη επιφάνεια ελεύθερη για καλλιέργεια και βοσκή. Στις ΗΠΑ οι κάτοικοι νοικιάζουν τις καλλιεργήσιμες εκτάσεις για εγκατάσταση αιολικών συστημάτων και πληρώνονται $ για κάθε ανεμογεννήτρια που φιλοξενούν στην έκταση τους. Ένα χερσαίο αιολικό πάρκο μπορεί να απαριθμεί μερικές εκατοντάδες ανεμογεννήτριες και να καταλαμβάνει έκταση εκατοντάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων.

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 9 Το μεγαλύτερο χερσαίο αιολικό πάρκο στο κόσμο εγκατεστημένης ισχύος MW είναι το Roscoe Wind Farm και βρίσκεται στις ΗΠΑ, ενώ το μεγαλύτερο υπεράκτιο πάρκο έχει εγκατεστημένη ισχύς 340 MW και είναι το Thanet Offshore Wind Project το οποίο βρίσκεται στο Ηνωμένο Βασίλειο. Υπό κατασκευή βρίσκεται το London Array που θα έχει εγκατεστημένη ισχύ 1 GW και φιλοδοξεί να γίνει το μεγαλύτερο υπεράκτιο αιολικό πάρκο στο κόσμο. Η πρώτη ανεμογεννήτρια εγκαταστάθηκε το Μάρτιο του 2011 και η ολοκλήρωση της πρώτης φάσης του έργου εκτιμάται ότι θα έχει επιτευχθεί μέχρι το τέλος του Το πάρκο θα περιλαμβάνει 341 ανεμογεννήτριες των 3.6 MW της εταιρίας Siemens και οι κατασκευαστές υποστηρίζουν ότι θα είναι ικανό να τροφοδοτεί το ¼ του Λονδίνου με ισχύ όταν θα λειτουργεί με τις χαμηλότερες ταχύτητες ανέμου. Βιομάζα: Αποτελεί τη πηγή για το 10% της συνολικής παγκόσμιας ενέργειας. Η βιομάζα προέρχεται κυρίως από ξύλα, αλλά και από επεξεργασμένα ζαχαρότευτλα με τα οποία παράγονται βιοκαύσιμα, όπως βιοαιθανόλη, που είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτούσια ως καύσιμο για τα αυτοκίνητα, αλλά χρησιμοποιείται συνήθως ως προσθετικό της βενζίνης για τη βελτίωση της απόδοσής της. Το 2010 το 2.7% των καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν στις μεταφορές παγκοσμίως ήταν βιοαιθανόλη, ενώ το ίδιο έτος η παραγωγή της βιοαιθανόλης έφτασε τα 86 δισ. λίτρα. Το 2009 παρήχθησαν συνολικά 93 δισ. λίτρα βιοκαυσίμων που ισοδυναμούν με 68 δισ. λίτρα βενζίνης, δηλαδή το 5% της ετήσιας παραγωγής της βενζίνης. Σύμφωνα με τον IEA το 2050 πάνω από το ¼ της παγκόσμιας ζήτησης καυσίμων θα καλύπτεται από βιοκαύσιμα. Σήμερα, σχεδόν όλη η βενζίνη που πωλήται στις ΗΠΑ είναι αναμειγμένη με 10% βιοαιθανόλη ένα μείγμα γνωστό ως E10. Τέλος, όλοι οι κατασκευαστές αυτοκινήτων σήμερα στις ΗΠΑ σχεδιάζουν αυτοκίνητα για δυνατότητα λειτουργίας με πρόσμιξη σε βιοαιθανόλη σε ποσοστό μέχρι και 85% (E85). Γεωθερμική Ενέργεια: Εκμεταλλεύεται κοιτάσματα θερμού αέρα ή ύδατος που αναβλύζουν από την Γη. Δεν είναι ανεξάντλητη, διότι τα αποθέματα αυτά είναι περιορισμένα. Απαντάται κυρίως σε ηφαιστιογενής περιοχές και χρησιμοποιείται κυρίως σε ατμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής, όπου αντικαθιστά την πρωτογενή πηγή ενεργείας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού. Η γεωθερμική ενέργεια λαμβάνεται αξιοποιώντας την θερμότητα της ίδιας της Γης, είτε από βάθος χιλιομέτρων στο φλοιό της Γης σε περιοχές με ενεργή ηφαιστιογενή δραστηριότητα, είτε από ρηχά βάθη όπως οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, που βρίσκονται στα περισσότερα μέρη του πλανήτη. Το κόστος εγκατάστασης ενός τέτοιου εργοστασίου είναι

26 ΟΙ ΑΠΕ αρκετά υψηλό όμως το κόστος λειτουργίας του πολύ χαμηλό, οδηγώντας σε χαμηλό κόστος παραγόμενης kwh. Υπάρχουν τρείς τύποι γεωθερμικών εργοστασίων: ξηρού ατμού, πίδακα ύδατος και δυικά. Στην πρώτη κατηγορία, ο εξερχόμενος από το έδαφος ξηρός ατμός χρησιμοποιείται για να οδηγήσει απευθείας μια τουρμπίνα η οποία είναι συνδεδεμένη με μια γεννήτρια. Στην κατηγορία των γεωθερμικών εργοστασίων τύπου πίδακα ύδατος, νερό θερμοκρασίας μεγαλύτερης των 200 εξέρχεται από τη Γη. Καθώς το νερό ανεβαίνει προς την επιφάνεια βράζει. Στη συνέχεια, διαχωρίζεται η αέρια φάση σε διαχωριστές ατμού ύδατος και με τον ατμό οδηγείται η τουρμπίνα. Στα δυικά γεωθερμικά εργοστάσια, το θερμό νερό περνά διαμέσου ενός εναλλάκτη θερμότητας ο οποίος βράζει ένα οργανικό διάλυμα με το οποίο οδηγείται τελικά η τουρμπίνα. Ο συμπυκνωμένος ατμός και το εναπομείναν διάλυμα και στις τρείς κατηγορίες εργοστασίων οδηγούνται πίσω στο θερμό βράχο για να απορροφήσουν περισσότερη θερμότητα. Το μεγαλύτερό γεωθερμικό εργοστάσιο στον κόσμο (750 MW) βρίσκεται στη California των ΗΠΑ. Η συνολική παγκόσμια εγκατεστημένη γεωθερμική ισχύ υπολογίζεται σε 8 GW. Υδροηλεκτρική Ενέργεια: Αποτελεί το 3.4% της συνολικής παραγόμενης ενέργειας το 2010 και είχε συνολική παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύ 1010 GW. Αυτά αντιστοιχούν στο 16% της παγκόσμιας παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ή στο 76% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας παραγόμενης αποκλειστικά από ΑΠΕ. Επειδή, το νερό είναι 800 φορές πυκνότερο από τον αέρα μπορεί ακόμα και με μικρές ταχύτητες να αποδώσει σημαντικά ποσά ενέργειας. Στο σχήμα 1.5 βλέπουμε το μερίδιο που είχε η κάθε μορφή ΑΠΕ (παγκοσμίως) στο τέλος του Απ αυτό παρατηρούμε την υδροηλεκτρική ενέργεια να καταλαμβάνει ποσοστό μεγαλύτερο του 50%. Επίσης, στο ίδιο σχήμα βλέπουμε και το μερίδιο που είχε η κάθε μορφή ενέργειας γενικά στην συνολική ενεργειακή πίτα.

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 11 Σχήμα 1.5 Το μερίδιο της κάθε μορφής ΑΠΕ στο τέλος του Η μεγαλύτερη υδροηλεκτρική μονάδα στον κόσμο είναι το Three Gorges Dam, βρίσκεται στην Κίνα και έχει εγκατεστημένη ισχύ 22.5 GW. Ακολουθεί το Itaipu Dam που βρίσκεται στην Βραζιλία και έχει εγκατεστημένη ισχύ 14 GW. Η μεγαλύτερη ηλεκτροπαραγωγική μονάδα στις ΗΠΑ, που είναι η τρίτη μεγαλύτερη υδροηλεκτρική μονάδα στο κόσμο, είναι το Grand Coulee Dam και έχει εγκατεστημένη ισχύ 6.8 GW. Πλεονέκτημα αυτής της μορφής ενέργειας είναι το μηδαμινό κόστος λειτουργίας καθώς και η αναισθησία του κόστους της παραγόμενης kwh από την τιμή του πετρελαίου. Μειονεκτήματα αποτελούν κυρίως η καταστροφή του φυσικού περιβάλλοντος κατά την κατασκευή του φράγματος ενός μεγάλου υδροηλεκτρικού έργου. Στο σχήμα 1.6 βλέπουμε την εγκάρσια τομή ενός υδροστροβίλου και δίπλα το μέγεθος ενός ανθρώπου για σύγκριση.

28 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.6 Η εγκάρσια τομή ενός υδροστροβίλου. Η μορφολογία του περιβάλλοντος μπορεί πολλές φορές να αλλοιωθεί τελείως κατά τη διάρκεια κατασκευής ενός υδροηλεκτρικού εργοστασίου, μιας και ολόκληρα ποτάμια εκτρέπονται από την πορεία τους για να οδηγηθούν σε πιο πρόσφορα μέρη για την κατασκευή του φράγματος. Τα ποτάμια αφήνουν πίσω τους άνυδρα τα εδάφη απ όπου περνούσαν. Επίσης, πολλοί υδροβιότοποι εξαφανίζονται μετά την κατασκευή του φράγματος. Επιπροσθέτως, υπολογίζεται ότι εκατ. κάτοικοι παγκοσμίως έχουν εκδιωχθεί από τα σπίτια τους για την κατασκευή φραγμάτων στις περιοχές όπου διέμεναν. Η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει επίσης κατηγορηθεί για την δημιουργία μεθανίου στις τροπικές ζώνες, το οποίο είναι ένα από τα αέρια του θερμοκηπίου. Το μεθάνιο δημιουργείται από αναερόβιες διεργασίες οι οποίες οφείλονται σε αποσύνθεση κυρίως δέντρων που πέφτουν μέσα στα φράγματα. Εκτιμάται, πως η ποσότητα του μεθανίου που παράγεται από μεγάλα φράγματα, που δεν έχουν καθαριστεί πρόσφατα, είναι συγκρίσιμη με την ποσότητα που θα παραγόταν από ένα αντίστοιχο πετρελαϊκό ηλεκτροπαραγωγικό σταθμό. Η κατασκευή ενός μεγάλου φράγματος είναι ιδιαίτερα δαπανηρή και απαιτεί συλλογή κλιματολογικών δεδομένων της περιοχής για τουλάχιστον 50 χρόνια. Τα δεδομένα αυτά είναι απαραίτητα για την σωστή επιλογή της τοποθεσίας του φράγματος. Στο σχήμα 1.7 βλέπουμε την εγκάρσια τομή ενός υδροηλεκτρικού σταθμού.

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 13 Σχήμα 1.7 Η τομή ενός υδροηλεκτρικού φράγματος. Ενέργεια των Θαλάσσιων Κυμάτων: Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των θαλάσσιων κυμάτων. Στο σχήμα 1.8 βλέπουμε την ελλειπτική τροχιά ενός αντικειμένου που κινείται μέσα στη θάλασσα. Για μεγάλα βάθη (Α) το πλάτος της τροχιάς του αντικειμένου φθίνει γρήγορα όσο αυξάνει το βάθος, ενώ για μικρά βάθη (Β) η τροχιά του αντικειμένου γίνεται πιο ελλειπτική με την αύξηση του βάθους. Στη δεύτερη περίπτωση ο πυθμένας βρίσκεται στη θέση Β. Συνεπώς, στην επιφάνεια βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του κύματος. Γι αυτό το λόγο, οι σταθμοί παραγωγής είναι επιφανειακοί και βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με μεγάλα βάθη, μερικά χιλιόμετρα μακριά από την ακτή. Το δυναμικό αυτής της πηγής είναι αρκετά ελκυστικό. Υπολογίζεται ότι η διαθέσιμη ισχύς παγκοσμίως ανέρχεται σε 2.7 TW εκ των οποίων με την παρούσα τεχνολογία μόνο το 0.5 TW είναι εκμεταλλεύσιμο. Το πρώτο θαλάσσιο πάρκο που κατασκευάστηκε το 2008 βρισκόταν στην Πορτογαλία και είχε εγκατεστημένη ισχύ 2.25 MW. Το πάρκο έκλεισε δύο μήνες μετά την έναρξη της λειτουργίας του, λόγω της παγκόσμιας οικονομικής κρίσης. Το 2007 χρηματοδοτήθηκε ένα θαλάσσιο πάρκο ισχύος 3 MW στη Σκωτία. Το πρώτο από τα 66 μηχανήματα που θα διαθέτει το πάρκο ξεκίνησε να λειτουργεί το Επίσης, χρηματοδοτήθηκε ένα θαλάσσιο πάρκο στην Κορνουάλλη της Αγγλίας, ισχύος 20 MW τα οποία μπορεί να επεκταθούν σε 40 MW. Ένα θαλάσσιο πάρκο λειτουργεί επίσης, στην δυτική ακτή της Αυστραλίας και αναμένεται να επεκταθεί περαιτέρω.

30 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.8 Η ελλειπτική τροχιά ενός αντικειμένου σ ένα θαλάσσιο κύμα. Παλιρροιακή Ενέργεια: Η παλιρροιακή ενέργεια είναι η μηχανική ενέργεια των παλιρροιών και χρησιμοποιείται για την παραγωγή άλλων πιο εύχρηστων μορφών ενέργειας. Συνήθως, μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η παλιρροιακή ενέργεια είναι η μόνη πηγή ενέργειας, με εξαίρεση την γεωθερμική και την πυρηνική η οποία δεν εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια, αλλά την μηχανική ενέργεια του συστήματος Γης Σελήνης και λιγότερο αυτή του συστήματος Ηλίου Γης. Η παλιρροιακή ενέργεια είναι αρκετά προβλέψιμη σε αντίθεση με άλλες μορφές, όπως η αιολική και η ηλιακή. Μειονέκτημα της είναι το σχετικά υψηλό κόστος εγκατάστασης και οι περιορισμένες τοποθεσίες με επαρκώς υψηλά εύρη παλιρροιών και ταχυτήτων ροής. Εκτιμάται, ότι η παλιρροιακή ροή δημιουργεί σταδιακά απώλειες στην μηχανική ενέργεια του συστήματος Γης Σελήνης με αποτέλεσμα, όπως υποστηρίζουν οι επιστήμονες, την τελική επιβράδυνση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής της Γης. Ο πρώτος παλιρροιακός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, κατασκευάστηκε το στη περιοχή La Rance της Γαλλία και έχει εγκατεστημένη ισχύ 240 MW. Το 2011 αποπερατώθηκε το μεγαλύτερο παλιρροιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο το οποίο βρίσκεται στην Νότια Κορέα και έχει εγκατεστημένη ισχύ 254 MW. Υπό κατασκευή βρίσκεται ένα παλιρροιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Κορέα το οποίο θα έχει εγκατεστημένη ισχύ 840 MW και εκτιμάται πως θα έχει αποπερατωθεί μέχρι το Υπάρχουν τρείς τρόποι εκμετάλλευσης της παλιρροιακής ενέργειας. Ο πρώτος, είναι οι γεννήτριες παλιρροιακής ροής (tidal stream generators) οι οποίες εκμεταλλεύονται απευθείας την κινητική ενέργεια του νερού, όπως οι ανεμογεννήτριες την κινητική ενέργεια του ανέμου. Ο δεύτερος, είναι ο παλιρροιακός φράκτης (tidal barrage), ο οποίος αξιοποιεί την δυναμική ενέργεια που υπάρχει στην διαφορά του ύψους μεταξύ

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 15 χαμηλών και υψηλών παλιρροιών. Σ αυτή τη κατηγορία, χρησιμοποιούνται οπωσδήποτε φράγματα κατά μήκος ολόκληρης της έκτασης που καταλαμβάνει η παλίρροια. Ο τρίτος τρόπος, είναι αυτός της δυναμικής παλιρροιακής ισχύος (dynamic tidal power). Αυτή είναι μια θεωρητική ακόμα τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, η οποία θα αξιοποιεί την αλληλεπίδραση μεταξύ κινητικής και δυναμικής ενέργειας κατά τη διάρκεια της παλίρροιας. Προτείνει, να κατασκευαστούν πολύ μεγάλα φράγματα (μήκους km) από την ακτή κατ ευθείαν προς την ανοιχτή θάλασσα ή τον ωκεανό, χωρίς αυτά να περικλείουν καμία περιοχή. Οι διαφορές των φάσεων της παλίρροιας θα εφαρμόζονται κατά μήκος του φράγματος οδηγώντας σε μια σημαντική διαφορά της στάθμης του νερού στις ρηχές παράκτιες περιοχές. Αυτό, θα έχει σαν αποτέλεσμα, ισχυρά ταλαντευτικά παλιρροιακά ρεύματα, παράλληλα προς την ακτή. Τέτοια ρεύματα απαντώνται στο Ηνωμένο Βασίλειο, την Κίνα και την Κορέα. Στο σχήμα 1.9 βλέπουμε την κάτοψη ενός δυναμικού παλιρροιακού φράγματος. Το μπλε χρώμα συμβολίζει την χαμηλή και το κόκκινο την υψηλή στάθμη της παλίρροιας, αντίστοιχα. Σχήμα 1.9 Η κάτοψη ενός δυναμικού παλιρροιακού φράγματος. Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύ σε ΑΠΕ κάθε είδους ήταν για το ,320 GW. Ενώ, σύμφωνα με τον IEA μέχρι το 2060 η φωτοβολταϊκή και η ηλιακή θερμική ισχύς θα επαρκούν για σχεδόν όλες τις ηλεκτρικές ενεργειακές και για τις μισές συνολικές ενεργειακές ανάγκες του πλανήτη. Για τις υπόλοιπες μισές θα επαρκούν η αιολική, η υδροηλεκτρική και η βιομάζα. Στο σχήμα 1.10 φαίνεται η αύξηση της παγκόσμιας εγκατεστημένης ισχύος (σε GW) σε ΑΠΕ κάθε είδους την περίοδο

32 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.10 Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς των διαφόρων μορφών ΑΠΕ από τo Τα Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Τα βασικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ συνοψίζονται παρακάτω: Είναι ανεξάντλητες. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Προσφέρουν στο κράτος ενεργειακή αυτάρκεια. Συμβάλουν στην οικονομική ανάπτυξη του κράτους. Έχουν χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Είναι διεσπαρμένες σε ευρεία γεωγραφική έκταση. Είναι αξιόπιστες. Από τα παραπάνω σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θέσει στόχο μέχρι το 2020 το 20% της ενέργειας να παράγεται από ΑΠΕ και οι εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα να μειωθούν κατά 20% γίνεται σαφές πως θα πρέπει να στρέψουμε το ενδιαφέρον μας στις ΑΠΕ. Με την προοπτική να πραγματοποιηθούν οι κατάλληλες επενδύσεις για την επίτευξη αυτού του στόχου. Επίσης, ένας άλλος λόγος που συγκλίνει προς αυτή την κατεύθυνση είναι το πρωτόκολλο του Kyoto. Το πρωτόκολλο του Kyoto δεσμεύει τα αναπτυγμένα κράτη του κόσμου να μειώσουν τις εκπομπές τους σε αέρια του θερμοκηπίου κατά 5.2% σε σχέση με τις αντίστοιχες το 1990 κατά την περίοδο Το πρωτόκολλο δεν έχουν υπογράψει οι ΗΠΑ και το Αφγανιστάν, ενώ τον Οκτώβριο του 2011 αρκετές άλλες χώρες αρνήθηκαν να συνεχίσουν την περαιτέρω μείωση των εκπομπών τους μετά το Παρόλα αυτά, η συμφωνία

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 17 της Cancun που υπογράφτηκε το 2010 λέει πως τα κράτη που έχουν λάβει μέρος στο πρωτόκολλο του Kyoto δεσμεύονται για την διατήρηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας σε επίπεδα μέχρι και 2 μεγαλύτερη αυτής της προβιομηχανικής περιόδου. Παρόμοιες αποφάσεις έχει λάβει και η Ευρωπαϊκή Ένωση όπως αυτή του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου του 2009 που συμφωνεί με τον στόχο των 2. Επιπρόσθετα, προτρέπει σε παγκόσμια μείωση των εκπομπών κατά 50%, ενώ για τις ανεπτυγμένες χώρες προβλέπει μείωση τους τουλάχιστον κατά 80 95% μέχρι το 2050, σε σχέση με τα επίπεδα του Αυτό για την Ευρώπη σημαίνει πως για την επίτευξη αυτού του στόχου, ιδανικά δεν θα πρέπει να κατασκευάζονται άλλα εργοστάσια ισχύος που εκπέμπουν διοξείδιο του άνθρακα πέρα του 2015, λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους. Ευρέως αποδεκτή είναι η άποψη πως ο τομέας της ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να κινηθεί στην κατεύθυνση των μηδενικών εκπομπών σε διοξείδιο του άνθρακα μέχρι το Ποια θα είναι η γραμμή που θα ακολουθηθεί μετά το 2020 είναι λίγο δύσκολο να πούμε. Θα ακολουθηθεί μια πορεία μηδενικής εκπομπής με αποκλειστική χρήση ανανεώσιμων ή θα συνδυαστεί με κατασκευή νέων πυρηνικών εργοστασίων και εργοστασίων δέσμευσης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα (CCS); Πάντως ένα σύστημα ισχύος 100% από ανανεώσιμες μέχρι το 2050 είναι μια τεχνολογικά επιτρεπτή και οικονομικά αποδεκτή λύση. Μειονέκτημα των ΑΠΕ θεωρείται ο σχετικά χαμηλός βαθμός απόδοσης τους που οφείλεται κυρίως σε ενδογενείς παράγοντες (ανώτατο όριο 44% για τα φωτοβολταϊκά και 59% για τα αιολικά), αλλά και σε τεχνολογικές δυσκολίες που δημιουργούν περαιτέρω μείωση του. Οι τελευταίες, ενδεχομένως να βελτιωθούν στο μέλλον με την συμβολή και των σύγχρονων μεθόδων ελέγχου. Επίσης, σχετικά υψηλό παραμένει και το κόστος της παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ. Ωστόσο, σύμφωνα με στοιχεία του AWEA (American Wind Energy Association) για το 2011 το κόστος της αιολικής ενέργειας στις ΗΠΑ ανέρχεται σε 5 6 cents ($)/kwh και είναι 2 cents ($) φτηνότερο από το αντίστοιχο της παραγόμενης ενέργειας από άνθρακα. Επίσης, το κόστος της αιολικής kwh το 2004 είχε μειωθεί στο ⅕ του κόστους που είχε το Ακόμα, το 2006 εκτιμήθηκε και συγκρίθηκε το κόστος της αιολικής ενέργειας στις ΗΠΑ με εκείνο του άνθρακα και του φυσικού αερίου και τα αποτελέσματα από τότε δεν ήταν καθόλου αποθαρρυντικά. Για την αιολική ενέργεια προέκυψε κόστος παραγωγής 55.8 $/MWh, για τον άνθρακα 53.1 $/MWh, ενώ για το φυσικό αέριο 52.5 $/MWh.

34 ΟΙ ΑΠΕ Ένα επιπλέον μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας θεωρείται η θνησιμότητα που προκαλούν οι ανεμογεννήτριες σε διερχόμενα πουλιά. Κάτι τέτοιο όμως δεν είναι απόλυτα αληθές μιας και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες προκαλούν πολύ μεγαλύτερη θνησιμότητα στα πουλιά. Στο σχήμα 1.11 βλέπουμε την θνησιμότητα που προκαλούν στα πουλιά διαφορές ανθρώπινες δραστηριότητες. Από το σχήμα αυτό παρατηρούμε πως οι ανεμογεννήτριες δεν βρίσκονται στις πρώτες θέσεις του πίνακα αλλά στη προτελευταία. Ακόμα, ΜΚΟ προστασίας πουλιών αναγνωρίζουν ότι η κλιματική αλλαγή είναι η κύρια απειλή για την εξαφάνιση πολλών ειδών πουλιών και ότι η αιολική ενέργεια είναι μια παράμετρος κλειδί για την αποτροπή της κλιματικής αλλαγής. Εκτεταμένες προσπάθειες γίνονται, ώστε να αποφεύγεται η εγκατάσταση αιολικών πάρκων σε περιοχές που ενδεχομένως να προσελκύουν μεγάλο αριθμό πουλιών, όπως είναι οι δρόμοι μετανάστευσης των αποδημητικών πουλιών. Σχήμα 1.11 Η εκτιμώμενη θνησιμότητα πουλιών ανά έτος. (Πηγή EWEA) Σημαντική επίσης είναι και η αποδοχή της αιολικής ενέργειας από τον κόσμο. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του 2007 η αιολική ενέργεια υποστηρίζεται από το 71% των Ευρωπαίων. Η αποδοχή των υπολοίπων πηγών ενέργειας σύμφωνα με τα ίδια στοιχεία είναι η εξής: το 42% αποδέχεται το φυσικό αέριο, το 26% λέει ναι στον άνθρακα και μόλις το 20% συμφωνεί με την πυρηνική ενέργεια. Αυτό, ενισχύει την άποψη που εκφράσαμε προηγουμένως περί αλλαγής της πολιτικής στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όσον αφορά το θόρυβο που προκαλείται από τις ανεμογεννήτριες, αυτός σπάνια ακούγεται σε απόσταση μεγαλύτερη των 300 m. Στο σχήμα 1.12 βλέπουμε τα επίπεδα θορύβου που δημιουργούνται από διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες. Όπως φαίνεται και από το σχήμα αυτό ο θόρυβος ενός

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 19 αιολικού πάρκου που λειτουργεί σε απόσταση 350 m, είναι ισοδύναμος με το θόρυβο ενός πολύβουου αυτοκινητόδρομου που βρίσκεται σε απόσταση 5 km. Τέλος, η Γαλλική Ομοσπονδία Υγειονομικής Ασφάλειας, Περιβάλλοντος και Εργασίας (AFSSET) σε μια έκθεση της καταλήγει: «ο θόρυβος που προκαλείται από τις ανεμογεννήτριες δεν έχει καμία άμεση επίπτωση στην ανθρώπινη υγεία.». Σχήμα 1.12 Συγκριτικός πίνακας του θορύβου κοινότυπων δραστηριοτήτων. (Πηγή CIEMAT) Μέριμνα πρέπει επίσης να ληφθεί και για το ενεργειακό δίκτυο το οποίο στην Ευρώπη έχει αρχίσει να γερνά και απαιτείται αντικατάσταση του. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι μέχρι το 2020, εγκατεστημένη ισχύς ίση με το 42% της σημερινής εγκατεστημένης ισχύος της Ευρώπης θα πρέπει να έχει προστεθεί για να αντικαταστήσει παλιές μονάδες και να καλύψει την εκτιμώμενη αύξηση της ζήτησης, θα πρέπει να μας στρέψει προς μια νέα γενιά δικτύων. Σύμφωνα με τον EWEA (European Wind Energy Association), θα πρέπει να πάψουμε να σκεφτόμαστε τα ηλεκτρικά δίκτυα σαν εθνικές υποδομές και να αρχίσουμε να τα αναπτύσσουμε ώστε να γίνουν Ευρωπαϊκές λεωφόροι του εμπορίου ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα νέο, Πανευρωπαϊκό δίκτυο, το οποίο θα συνδέει χερσαία και υπεράκτια αιολικά πάρκα με του καταναλωτές είναι απαραίτητο, ώστε η Ευρώπη να ανταπεξέλθει με την ολοένα αυξανόμενη ποσότητα αιολικής ενέργειας που θα πρέπει να χειρίζεται. Μ αυτό τον τρόπο θα μπορέσει να μειώσει το κόστος παραγωγής της αιολικής ενέργειας. Ένα τέτοιο δίκτυο θα βοηθήσει την Ευρώπη να αυξήσει την ανταγωνιστικότητα της και την ενεργειακή της ασφάλεια.

36 ΟΙ ΑΠΕ Η Αιολική Ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι εκείνη η μορφή ενεργείας που δημιουργείται από την κίνηση αερίων μαζών λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς από περιοχή σε περιοχή. Η διαφορά αυτή δημιουργεί ένα σύστημα υψηλών χαμηλών πιέσεων το οποίο θέτει σε κίνηση τις αέριες μάζες. Αέριες μάζες κινούνται από την περιοχή των χαμηλών βαρομετρικών στην περιοχή των υψηλών βαρομετρικών για να καλύψουν την θέση τους. Το αιολικό δυναμικό της Γης σε χερσαίες και παράκτιες περιοχές εκτιμήθηκε το 2005 ότι ανέρχεται σε 72 TW ή ισοδύναμα, σε 54,000 εκατ. τόνους πετρελαίου το χρόνο. Ιστορικά η αιολική ενέργεια αξιοποιήθηκε αρχικά από λαούς της Μεσοποταμίας, όπως τους Πέρσες οι οποίοι χρησιμοποιούσαν ανεμόμυλους κατακόρυφου άξονα ήδη από το 200π.Χ.. Ο ανεμοτροχός του Ήρωνος του Αλεξανδρινού σηματοδοτεί μια από τις πρώτες γνωστές στιγμές στην ιστορία μιας ανεμοκίνητης μηχανής. Στην αρχαιότητα, οι ανεμόμυλοι γενικά χρησιμοποιήθηκαν για το άλεσμα δημητριακών και την άντληση νερού. Στη συνέχεια ακολουθούν οι σημαντικότεροι χρονολογικοί σταθμοί στην ιστορία της εξέλιξης των ανεμογεννητριών: Τον 7 ο αιώνα οι πρώτοι ευρέως χρησιμοποιούμενοι ανεμόμυλοι κάνουν την εμφάνιση τους στο Σίσταν, μια περιοχή κοντά στο σημερινό Αφγανιστάν. Η χρήση τους ήταν για άλεσμα σιτηρών και άντληση ύδατος. Στην Ευρώπη κάνουν την εμφάνιση τους γύρω στο 11 ο με 12 ο αιώνα στο άλεσμα των δημητριακών. Στην Αμερική το 1850 εμφανίζεται ένα νέος είδος ανεμόμυλου με πολλά πτερύγια για άντληση ύδατος και κατακλύζει όλη την ύπαιθρο. Το 1887 ο Σκωτσέζος James Blyth έκανε πειράματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού από την αιολική ενέργεια. Η πρώτη ανεμογεννήτρια ήταν μια συσκευή φόρτισης μπαταριών με την οποία τροφοδότησε την εξοχική κατοικία του. Το 1888 ο Αμερικάνος Charles Brush παρήγαγε ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας μια αιολική μηχανή ύψους 18 m που τροφοδοτούσε μια γεννήτρια 12 kw. Μέσα στη δεκαετία του 1890 ο Δανός Poul la Cour κατασκευάζει ανεμογεννήτριες και παράγει ηλεκτρισμό. Αυτές είναι οι πρώτες ανεμογεννήτριες που μοιάζουν με τις σημερινές. Στη δεκαετία του 1970 μεγάλες βιομηχανίες των ΗΠΑ συνεργάζονται με την NASA σε ένα ερευνητικό πρόγραμμα το οποίο σχεδίασε και δοκίμασε πολλά από τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων ανεμογεννητριών. Το 1979 ξεκινά η σύγχρονη αιολική βιομηχανία.

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 21 Το 1985 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 15 m και ισχύος 500 kw. Το 2002 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 112 m και ισχύος 4.5 MW. Το 2005 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 126 m και ισχύος 5 MW. Από το 2007 μέχρι σήμερα ο Enercon E 126 είναι η μεγαλύτερης ισχύος ανεμογεννήτρια σε λειτουργία στο κόσμο με ονομαστική ισχύς 7.54 MW, ύψος 198 m και διάμετρο πτερυγίων 126 m. Το 2011 η εταιρία Vestas δημιουργεί ανεμογεννήτριες ισχύος 7 MW για υπεράκτια αιολικά πάρκα με διάμετρο πτερυγίων 164 m και μια επιφάνεια σάρωσης 21,000 m 2. Στο σχήμα 1.13 που ακολουθεί φαίνεται η εξέλιξη των ανεμογεννητριών από το 1985 έως σήμερα. Σχήμα 1.13 Η εξέλιξη των ανεμογεννητριών με το πέρασμα του χρόνου. (Πηγή EWEA) Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς σε αιολικά συστήματα το 2010 ανήλθε σε 198 GW, σημειώνοντας μια αύξηση 22.5% σε σχέση με το Η εγκατεστημένη αυτή ισχύς μπορεί να παράγει σε μία κανονική αιολική χρονιά 430 TWh ενέργειας, δηλαδή περίπου το 2.5% της παγκόσμιας ζήτησης

38 ΟΙ ΑΠΕ ηλεκτρικής ενέργειας. Στην Κίνα βρίσκονται εγκατεστημένα 44.7 GW, ενώ 40.1 GW βρίσκονται στις ΗΠΑ. Έτσι, η Κίνα τώρα έχει την μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ σε αιολικά συστήματα στο κόσμο. Στο σχήμα 1.14 φαίνεται η αύξηση της παγκόσμιας εγκατεστημένης αιολικής ισχύος από το 1996 έως το Σχήμα 1.14 Η παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύς σε (GW) κατά τα έτη Τα πρωτεία στην εγκατεστημένη αιολική ισχύ είχαν οι ΗΠΑ τις περιόδους και και η Γερμανία την περίοδο Σύμφωνα με στοιχεία του GWEC (Global Wind Energy Council), οι επενδύσεις σε αιολικά συστήματα παγκοσμίως άγγιξαν τα 25 δισ. το έτος 2007, ενώ ο ρυθμός ανάπτυξης την ίδια χρονιά ήταν 37%, ακλουθώντας το 32% του Ο μέσος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας παγκοσμίως τα προηγούμενα πέντε χρόνια ήταν 27.6%. Οι εκτιμήσεις για το 2013 λένε πως οι ρυθμοί αυτοί θα πέσουν στο 15.6%, λόγω της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης. Επίσης, προβλέπονται ότι περισσότερα από 200 GW νέας εγκατεστημένης ισχύος θα έχουν συνδεθεί με το δίκτυο μέχρι το τέλος του Σήμερα, 5,600 MW εγκατεστημένης ισχύος βρίσκονται υπό κατασκευή στις ΗΠΑ (διπλάσια από όσα κατασκευάζονταν τον ίδιο καιρό πέρυσι). Ακόμα, το 35% όλων των νέων ενεργειακών εγκαταστάσεων στις ΗΠΑ από το 2005 και μετά είναι αιολικές και είναι περισσότερες από τις αντίστοιχες νέες εγκαταστάσεις άνθρακα και φυσικού αερίου μαζί. Στην Ευρώπη βρίσκονται εγκατεστημένα 84,324 MW και εμφανίζουν ένα μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 23% τα τελευταία 10 χρόνια. Μόνον η Ευρώπη είχε το 2009, το 48% της παγκόσμιας εγκατεστημένης

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 23 αιολικής ισχύος. Σήμερα, το 21% της ηλεκτρικής ενέργειας της Δανίας, το 18% της Πορτογαλίας, το 16% της Ισπανίας και το 9% της Γερμανίας παράγεται από αιολική ενέργεια. Οι επενδύσεις που έγιναν σε χερσαία αιολικά πάρκα στην Ευρώπη το 2009 άγγιξαν τα δισ., ενώ σε υπεράκτια αιολικά πάρκα άγγιξαν τα 1.75 δισ.. Το 2010 οι επενδύσεις σε χερσαία αιολικά πάρκα ήταν δισ., ενώ σε υπεράκτια ήταν 2.65 δισ.. Οι προβλέψεις για τις επενδύσεις το 2020 μιλούν για δισ. σε χερσαία και δισ. σε υπεράκτια αιολικά πάρκα. Όλα τα παραπάνω ποσά αναφέρονται σε παρούσες αξίες ( 2010). Στο σχήμα 1.15 βλέπουμε την εγκατεστημένη αιολική ισχύ των κρατών μελών της Ε.Ε. τα έτη 2009 και 2010 καθώς και την συνολική εγκατεστημένη ισχύ της Ε.Ε. στο τέλος του Σχήμα 1.15 Συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ε.Ε. το (Πηγή EWEA) Στον Ευρωπαϊκό αιολικό χάρτη εξέχοντα ρόλο έχει η Γερμανία (27,214 MW) και η Ισπανία (20,676 MW), ενώ ακολουθούν η Ιταλία (5797 MW), η Γαλλία (5660 MW) και το Ηνωμένο Βασίλειο (5204 MW). Στο σχήμα 1.16 βλέπουμε τον αιολικό χάρτη της Ευρώπης για το 2010.

40 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.16 Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς ανά κράτος στην Ε.Ε. το (Πηγή EWEA) Στόχοι της Ε.Ε. για την αιολική ενέργεια μέχρι το 2020, σύμφωνα με τον EWEA αποτελούν: 230 GW εγκατεστημένης ισχύος εκ των οποίων 190 GW χερσαία και 40 GW υπεράκτια. Κάλυψη του % της Ευρωπαϊκής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Ετήσιες εγκαταστάσεις 24.8 GW και ετήσιες επενδύσεις της τάξης των 26.6 δισ.. Το 22.9% της ολικής ηλεκτρικής εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη να προέρχεται από αιολική ενέργεια. Παραγωγή 581 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, ισοδύναμη με κατανάλωση 131 εκατ. μέσων Ευρωπαϊκών νοικοκυριών. Αποφυγή Mt CO2 ετησίως. Εξοικονόμηση κόστους καυσίμου 23.9 δισ. (υποθέτοντας κόστος πετρελαίου, όπως το προβλέπει ο IEA, ίσο με 97.4 $ το βαρέλι).

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 25 Εξοικονόμηση 8.5 δισ. ετησίως, κόστος μόλυνσης σε CO2 (υποθέτοντας κόστος 25 /t εκπεμπόμενου CO2). Στο σχήμα 1.17 φαίνεται το ποσοστό συμμετοχής της κάθε μορφής ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, στην Ε.Ε. του Σχήμα 1.17 Το ποσοστό συμμετοχής των διαφόρων ΑΠΕ στον ενεργειακό χάρτη της Ε.Ε. για το (Πηγή EWEA) Στο σχήμα 1.18 φαίνεται ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ε.Ε., όπως αυτός προβλέπεται να διαμορφωθεί μέχρι το 2020.

42 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.18 Ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ευρώπης το (Πηγή EWEA) Συνεχίζουμε την πορεία της αιολικής ενέργειας προς το Στο σχήμα 1.19 που ακολουθεί βλέπουμε τον Ευρωπαϊκό ενεργειακό χάρτη ΑΠΕ όπως εκτιμάται ότι θα έχει διαμορφωθεί μέχρι το έτος Εδώ το δίκτυο είναι ικανό να λειτουργεί 100% με ΑΠΕ, έχοντας εγκατεστημένες τις αναγκαίες διασυνδέσεις και πλήρη ολοκλήρωση της αγοράς ενεργείας. Η αιολική ενέργεια προβλέπεται να καλύπτει το 50% της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρώπης. Κυρίαρχο ρόλο στην αιολική ενέργεια θα έχει η Βόρεια Θάλασσα, η Βαλτική Θάλασσα, η Ιβηρική Χερσόνησος, η Νότια Γαλλία και η Κεντρική Ιταλία. Οι μεταβαλλόμενες ΑΠΕ θα αντισταθμίζονται από παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας στην Σκανδιναβία, στις Άλπεις και στην Ιβηρική Χερσόνησο. Τα φωτοβολταϊκά και η ηλιακή θερμική ενέργεια θα έχουν ένα καθοριστικό ρόλο στην αγορά ενέργειας της Νότιας Ευρώπης. Ενώ, η βιομάζα θα έχει καθοριστικό ρόλο στις αγορές ενέργειας της Κεντρικής και της Ανατολικής Ευρώπης.

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 27 Σχήμα 1.19 Ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ευρώπης το έτος (Πηγή EWEA) Συμπερασματικά, καταλήγουμε ότι παρά τα όποια προβλήματα υπάρχουν, όπως το σχετικά υψηλό κόστος εγκατάστασης, την σχετικά ακριβή τιμή της παραγόμενης kwh καθώς και την όχι πλήρως ολοκληρωμένη και εξελιγμένη τεχνολογία του αντικειμένου, τα αιολικά συστήματα αποτελούν μια σταθερή, οικονομικά εφικτή και περιβαλλοντικά φιλική λύση. Όπως δείχνουν τα πράγματα η αιολική ενέργεια ήδη διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην πατρίδα, μας το αιολικό δυναμικό είναι αρκετά υψηλό, έτσι οι επενδύσεις θα πρέπει συναντήσουν πρόσφορο έδαφος.

44

45 Εικόνα 2 Σύγχρονη μονάδα παραγωγής πτερυγίων της εταιρείας Vestas.

46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Αιολική Ενέργεια και Τύποι Ανεμογεννητριών 2.1 Η Περιγραφή του Ανέμου Ά νεμος είναι η εξαναγκασμένη κίνηση των αερίων μαζών λόγω της ανισοκατανομής της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης. Η Γη θερμαίνεται ανισομερώς από τον Ήλιο, έτσι οι πόλοι απορροφούν λιγότερη ενέργεια από ότι ο ισημερινός. Σε συνδυασμό με την διαφορετική θερμοχωρητικότητα που εμφανίζουν οι ωκεανοί από τη στεριά, δημιουργείται ένα παγκόσμιο ατμοσφαιρικό σύστημα μεταγωγής θερμότητας, που εκτείνεται από την επιφάνεια της Γης ως τη στρατόσφαιρα. Η στρατόσφαιρα δρα ως οροφή του συστήματος αυτού. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας, που έχει αποθηκευτεί στις κινήσεις των ανέμων, απαντάται κυρίως σε μεγάλα υψόμετρα, όπου πνέουν συνεχόμενοι άνεμοι με ταχύτητες μεγαλύτερες των 160 km/h. Τελικά, η ενέργεια των ανέμων μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω της συνεχόμενης τριβής τους με τη στεριά και την ατμόσφαιρα. Επειδή ο άνεμος δεν είναι ένα σταθερό φαινόμενο αλλά χρονικά μεταβαλλόμενο και επειδή δεν μεταβάλλεται με προκαθορισμένο τρόπο, αλλά με τυχαίο, για την περιγραφή του χρησιμοποιείται μια γνωστή κατανομή. Η κατανομή που ταιριάζει καλύτερα στην περιγραφή της ταχύτητας του ανέμου είναι η κατανομή Weibull της οποίας η σ.π.π. δίνεται από την ακόλουθη σχέση:

48 Η ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ όπου v η ταχύτητα του ανέμου k η παράμετρος μορφής c η παράμετρος κλίμακας Η κατανομή Rayleigh είναι μια άλλη κατανομή, η οποία αποτελεί υποσύνολο της κατανομής Weibull και προκύπτει για k=2. Η κατανομή αυτή είναι πιο εύχρηστη, διότι είναι πιο απλή από την κατανομή Weibull. Εξαρτάται μόνο από την μέση ταχύτητα του ανέμου και περιγράφει με ικανοποιητική ακρίβεια το φαινόμενο. Στο σχήμα 2.1 βλέπουμε την κατανομή Rayleigh για διαφορετικές τιμές της παραμέτρου κλίμακας. Σχήμα 2.1 Η σ.π.π. της κατανομής Rayleigh για διάφορες τιμές της παραμέτρου κλίμακας. Η μηχανική ισχύς που απορροφάται από τον άνεμο σε μια ανεμογεννήτρια είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέμου (κυβικός νόμος) και δίνεται από την ακόλουθη σχέση: όπου p η πυκνότητα του αέρα A η επιφάνεια σάρωσης της ανεμογεννήτριας Cp ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος v η ταχύτητα του ανέμου Η επιφάνεια σάρωσης είναι ένα μέγεθος που εξαρτάται καθαρά από την γεωμετρία της ανεμογεννήτριας. Για ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα που είναι και οι πλέον συνηθισμένες η επιφάνεια σάρωσης εξαρτάται από την ακτίνα του πτερυγίου R. Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος Cp είναι το ποσοστό της

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 33 εκμεταλλευόμενης ισχύος του ανέμου από την ανεμογεννήτρια. Είναι συνάρτηση δύο μεταβλητών του β και του λ και δίνεται από την ακόλουθη προσεγγιστική σχέση: όπου β το βήμα του πτερυγίου λ ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip-speed ratio) λi δίνεται από την σχέση: Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου εκφράζει τη γραμμική ταχύτητα στο άκρο του πτερυγίου ως ποσοστό της ταχύτητας του ανέμου και δίνεται από την σχέση: όπου ω r η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ρότορα R η ακτίνα του πτερυγίου v η ταχύτητα του ανέμου Το ανώτατο θεωρητικό όριο του συντελεστή Cp καλείται όριο του Betz και δίνεται από τη παρακάτω σχέση: Στη πράξη όμως το όριο αυτό είναι πολύ χαμηλότερο και εμφανίζεται για: οπότε προκύπτει: και Αυτές οι τιμές είναι σημαντικές διότι χρησιμοποιούνται στον έλεγχο στροφών όταν βρισκόμαστε στην περιοχή μέγιστης παραγόμενης ισχύος που είναι και η πιο συνηθισμένη στην πράξη. Στο σχήμα 2.2 βλέπουμε τον αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος για διάφορες τιμές του β και του λ. Η

50 Η ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ εφαρμοζόμενη μηχανική ροπή στον άξονα του ρότορα δίνεται από τη παρακάτω σχέση: Σχήμα 2.2 Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος Cp για μια ανεμογεννήτρια 2.5 MW. 2.2 Το Βήμα του Πτερυγίου Το βήμα του πτερυγίου β είναι η γωνία που αυτό διαγράφει γύρω από τον άξονα του. Είναι πολύ σημαντικό στον έλεγχο της παραγομένης ισχύος από την ανεμογεννήτρια, διότι από αυτό εξαρτάται όπως είδαμε ο αεροδυναμικός συντελεστής Cp και συνεπώς η απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύς Pm. Όταν η ταχύτητα του ανέμου αυξηθεί πολύ και η ανεμογεννήτρια μεταβαίνει από την περιοχή μέγιστης παραγόμενης ισχύος στην περιοχή σταθερής ισχύος τότε λαμβάνει χώρα ο έλεγχος βήματος πτερυγίου. Ο έλεγχος βήματος πτερυγίου χρησιμοποιεί κατάλληλο σερβομηχανισμό ή υδραυλικό σύστημα για να περιστρέψει τα πτερύγια γύρω από τον άξονα τους, αυξάνοντας έτσι την γωνία βήματος πτερυγίου. Μ αυτόν τον τρόπο μειώνεται ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος Cp. Έτσι, επιτυγχάνουμε να μειώσουμε την παραγόμενη ισχύ για να μην ξεπεράσει την ονομαστική τιμή της ανεμογεννήτριας. Πλεονεκτήματα αυτού του τρόπου ελέγχου της μηχανικής ισχύος είναι η εύκολη εκκίνηση της ανεμογεννήτριας και η άμεση διακοπή της παρεχόμενης μηχανικής ισχύος. Επίσης, προσφέρει την δυνατότητα στην μηχανική ισχύ να παραμένει στην ονομαστική της τιμή ακόμα και σε ταχύτητες ανέμου πολύ μεγαλύτερες της ονομαστικής. Μειονέκτημα του είναι η απότομη μεταβολή που προξενεί στην μηχανική ισχύ κατά τις αυξομειώσεις της ταχύτητας του ανέμου. Το γεγονός

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 35 αυτό στα συστήματα σταθερών στροφών, σε συνδυασμό με την σχετικά αργή απόκριση του συστήματος στρέψης των πτερυγίων μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στην παρεχόμενη στο δίκτυο ηλεκτρική ισχύ. Ένα άλλο είδος ελέγχου που χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών είναι ο ονομαζόμενος παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης πτερυγίων (passive stall control) και ο συμπληρωματικός του ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης πτερυγίων (active stall control). Ο παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης είναι πιο δύσκολος στο σχεδιασμό και απαιτεί πολύ καλή αεροδυναμική σχεδίαση του πτερυγίου. Μ αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε να περιορίζουμε την απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύ ενδογενώς μέσω στροβιλισμών που δημιουργούνται στο πίσω πάνω μέρος του πτερυγίου μόλις η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί την ονομαστική. Αυξάνοντας έτσι τις δυνάμεις αντίστασης αναγκάζουμε το πτερύγιο να επιβραδυνθεί, δημιουργούμε δηλαδή απώλεια στήριξης. Ο τύπος αυτός του ελέγχου ονομάζεται παθητικός, διότι δεν χρησιμοποιείται κανένας μηχανισμός ενεργοποίησης κατά την εφαρμογή του. Πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι κυρίως η απουσία κινουμένων μερών στο ρότορα, η απλότητα της και το χαμηλό κόστος της. Μειονεκτήματα της είναι ο δύσκολος αεροδυναμικός σχεδιασμός, η χαμηλή απόδοση στις μικρές ταχύτητες και η δυσκολία στην εκκίνηση. Επίσης, προκαλεί μεταβολές στην παραγόμενη ισχύ λόγω μεταβολής της πυκνότητας του αέρα. Επιπλέον μειονεκτήματα είναι η σαφώς ελαττωμένη παρεχόμενη ισχύ σε σχέση με την ονομαστική στις υψηλές ταχύτητες ανέμου και η απαίτηση ύπαρξης ισχυρής πέδησης. Αντίθετα, ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης, συνίσταται στην χρησιμοποίηση ενεργοποιητών οι οποίοι περιστρέφουν τα πτερύγια γύρω από τον άξονα τους. Η περιστροφή γίνεται σε αντίθετη όμως διεύθυνση από ότι στον έλεγχο γωνίας βήματος. Με αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε να αυξάνουμε και πάλι τις δυνάμεις αντίστασης και να επιβραδύνουμε το ρότορα αυτή τη φορά όμως τεχνητά. Πλεονεκτήματα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον παθητικό είναι η πιο ομαλή απώλεια στήριξης και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου της ισχύος. Στον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης η ισχύς μπορεί να βρίσκεται κοντά στην ονομαστική της τιμή για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της ονομαστικής. Ενώ, στον παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης όπως είδαμε προηγουμένως, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπερνά την ονομαστική της τιμή η ισχύς πέφτει σε χαμηλότερες τιμές από την ονομαστική. Επίσης, ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης βοηθά κατά την εκκίνηση, μπορεί να ελέγξει μεταβολές στην πυκνότητα του αέρα και έχει πολύ μεγαλύτερη απόδοση στις χαμηλές ταχύτητες του ανέμου σε σχέση με τον παθητικό. Πλεονέκτημα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον έλεγχο βήματος πτερυγίου είναι η αποφυγή των απότομων μεταβολών στην παραγόμενη ισχύ και των καταπονήσεων του κιβωτίου ταχυτήτων. Οι

52 ΤΟ ΒΗΜΑ ΤΟΥ ΠΤΕΡΥΓΙΟΥ τελευταίες οφείλονται κυρίως στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Μειονέκτημα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον έλεγχο γωνίας βήματος είναι οι αυξημένες δυνάμεις που ασκούνται πάνω στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας όταν αυτή οδηγείται σε περεταίρω απώλεια στήριξης. Ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης μπορεί να συνεργάζεται με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου, ώστε να πετυχαίνει άμεση διακοπή της παραγόμενης ισχύος όταν χρειαστεί. 2.3 Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Τις ανεμογεννήτριες τις κατατάσσουμε ανάλογα με τον προσανατολισμό του άξονα τους σε δύο κατηγορίες: (α.) τις ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα και (β.) τις ανεμογεννήτριες καθέτου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα έχουν προσανατολισμένο τον άξονα του ρότορα τους παράλληλα προς το έδαφος, ενώ οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν προσανατολισμένο τον άξονα τους κατακόρυφα. Κάθε ένας τύπος εμφανίζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του. Βασικά πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα είναι ο υψηλός συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος που εμφανίζουν και η ικανότητα τους να λειτουργούν ακόμα και σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου. Μειονέκτημα τους αποτελεί η ανάγκη ύπαρξης της γεννήτριας και του κιβωτίου ταχυτήτων εντός της ατράκτου πράγμα που αυξάνει σημαντικά το βάρος της κατασκευής και απαιτεί ειδική στήριξη. Από την άλλη πλευρά, οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα εμφανίζουν το πλεονέκτημα της λειτουργίας υπό οποιαδήποτε διεύθυνση ανέμου και την δυνατότητα τοποθέτησης της γεννήτριας στο έδαφος. Έχουν σημαντικά μειονεκτήματα, όπως ο χαμηλός συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος, η μεγάλη αδράνεια και η δυσκολία στην εκκίνηση υπό χαμηλής εντάσεως άνεμο. Βασικοί τύποι αυτής της κατηγορίας είναι δύο, ο Darrieus και ο Savonius. Σήμερα, οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες ανεμογεννήτριες είναι οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια και ονομαστική ισχύ MW. Η δομή μιας τέτοιας ανεμογεννήτριας περιλαμβάνει τον πύργο στήριξης πάνω στον οποίο βρίσκεται η άτρακτος και εντός αυτής το κιβώτιο ταχυτήτων εάν υπάρχει, η γεννήτρια, ενδεχομένως τα ηλεκτρονικά ισχύος μαζί με το κομμάτι του ελέγχου. Επίσης, υπάρχει το φρένο, το ανεμόμετρο, ο ανεμοδείκτης και ο μηχανικός έλεγχος. Στην άτρακτο προσαρμόζεται και ο ρότορας. Ενώ, στον πύργο στήριξης υπάρχει και ο μηχανισμός περιστροφής της ατράκτου. Στο σχήμα 2.3 βλέπουμε το εσωτερικό μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα.

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 37 Σχήμα 2.3 Το εσωτερικό μιας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα. 2.4 Τύποι Ανεμογεννητριών Όπως είδαμε και προηγουμένως, οι πιο συνηθισμένες ανεμογεννήτριες είναι οριζοντίου άξονα και τριών πτερυγίων. Όμως και αυτές μπορούμε να τις διακρίνουμε σε δύο κατηγορίες ανάλογα με την γωνιακή ταχύτητα του ρότορα τους σε: (α.) ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών και (β.) ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών Οι Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Οι ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών διατηρούν σταθερή την ταχύτητα τους ανεξαρτήτως της ταχύτητας του ανέμου. Η ταχύτητα αυτή εξαρτάται από την συχνότητα του δικτύου, τον τύπο της χρησιμοποιούμενης μηχανής, τον αριθμό των ζευγών πόλων που αυτή διαθέτει και τον λόγο του κιβωτίου ταχυτήτων. Συνήθως, χρησιμοποιούνται επαγωγικές μηχανές βραχυκυκλωμένου κλωβού, διότι είναι φθηνές, σθεναρές και αξιόπιστες. Σε αυτές τις περιπτώσεις η μηχανή είναι απευθείας συνδεδεμένη με το ηλεκτρικό δίκτυο. Πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι το χαμηλό κόστος (εγκατάστασης και συντήρησης) και η αξιοπιστία του συστήματος. Μειονεκτήματα αποτελούν οι μεγάλες διαταραχές που προκαλούν στο δίκτυο, η μεγάλη ζήτηση αέργου ισχύος από την μηχανή, καθώς επίσης και η αδυναμία ρύθμισης της αέργου ισχύος του δικτύου. H άεργος ισχύς σε μια επαγωγική

54 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ μηχανή εξαρτάται από την τάση του δικτύου στο σημείο σύνδεσης, την ταχύτητα της μηχανής και την ενεργό ισχύ που αυτή παράγει. Η ζήτηση αέργου ισχύος στις επαγωγικές μηχανές αυξάνει όσο αυξάνει η ενεργός ισχύς της μηχανής. Οι διαταραχές που εισάγουν στο δίκτυο οι επαγωγικές μηχανές οφείλονται στις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Οι μεταβολές αυτές δημιουργούν μεταβολές στην παραγόμενη ισχύ, οι οποίες γίνονται αντιληπτές από το δίκτυο, διότι οι ανεμογεννήτριες αυτής της κατηγορίας είναι άμεσα συνδεδεμένες σ αυτό. Ιδιαίτερο πρόβλημα δημιουργούν κυρίως σε μικρά δίκτυα στα οποία προκαλούν διακυμάνσεις στην τάση. Επίσης, οι απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, λόγω του ότι οι μηχανές αυτές λειτουργούν με πολύ μικρή ολίσθηση 1 2%, δημιουργούν μεγάλες καταπονήσεις στο κιβώτιο ταχυτήτων και στα μηχανικά μέρη της ανεμογεννήτριας γενικότερα. Επίσης, είναι δυνατόν να προκαλέσουν αστάθεια τάσης σ ένα ασθενές δίκτυο όταν ένα σφάλμα συμβεί σ αυτό. Η απότομη βύθιση της τάσης που θα δημιουργήσει το σφάλμα θα επιφέρει μια στιγμιαία ανισορροπία μεταξύ παραγόμενης και καταναλισκόμενης ισχύος. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση της γεννήτριας με συνέπεια την αύξηση της παραγωγής ενεργού ισχύος. Όμως, η περεταίρω αύξηση της ενεργού ισχύος σύμφωνα με όσα είπαμε προηγουμένως, θα δημιουργήσει μια περεταίρω αύξηση της ζήτησης αέργου ισχύος από το δίκτυο. Αυτό όμως θα επιφέρει μια περεταίρω βύθιση της τάσης. Οι επαγωγικές μηχανές που χρησιμοποιούνται σ αυτήν την κατηγορία έχουν μεγάλες απαιτήσεις σε άεργο ισχύ την οποία και προσφέρουμε τοπικά μέσω συστοιχίας πυκνωτών. Λόγω των αυξημένων ρευμάτων κατά την εκκίνηση μιας επαγωγικής μηχανής (6 7 φορές μεγαλύτερα από τα αντίστοιχα ρεύματα στην ονομαστική κατάσταση λειτουργίας) χρησιμοποιούμε ηλεκτρονικές συσκευές που βοηθούν την ομαλή εκκίνηση (soft start) της μηχανής. Σήμερα, για να επιτύχουμε μια μερική ρύθμιση της ταχύτητας σ αυτή την κατηγορία ανεμογεννητριών χρησιμοποιούμε μηχανές που έχουν δύο τυλίγματα στο στάτη. Ένα τύλιγμα που έχει λιγότερα ζεύγη πόλων και λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες ανέμου και ένα με περισσότερα ζεύγη πόλων που λειτουργεί σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου Οι Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών αξιοποιούν τις σύγχρονες τεχνικές ελέγχου και την τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος, ούτως ώστε να πετύχουν ενεργό έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής του ρότορα τους ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου. Προσπαθώντας παράλληλα να μεγιστοποιήσουν την απορρόφηση ενεργού ισχύος από τον άνεμο. Πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι η δυνατότητα των ανεμογεννητριών να λειτουργούν στο

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 39 βέλτιστο συντελεστή αεροδυναμικής ισχύος, να μεγιστοποιούν την ετήσια παραγωγή ενέργειας και να πετυχαίνουν έλεγχο της αέργου ισχύος του δικτύου. Έτσι, βελτιώνουν την ποιότητα της παρεχομένης ισχύος και μειώνουν τις αεροδυναμικές καταπονήσεις στην ανεμογεννήτρια. Μειονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι το αυξημένο κόστος σε σχέση με την πρώτη κατηγορία, λόγω των ηλεκτρονικών ισχύος και του ελέγχου, αλλά και οι αυξημένες απώλειες στους μετατροπείς. Το κόστος βέβαια των ηλεκτρονικών ισχύος έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια και παύει να είναι πλέον απαγορευτικό. Στο σχήμα 2.4 φαίνεται το διάγραμμα μηχανικής ισχύος ταχύτητας του ανέμου. Στο διάγραμμα αυτό διακρίνουμε τις εξής περιοχές: (α.) μη λειτουργίας, αριστερά του vcut-in και δεξιά του vcut-off, (β.) τη περιοχή μέγιστης παραγόμενης ενέργειας, που βρίσκεται ανάμεσα στις τιμές της ταχύτητας του ανέμου vcut-in και vn και (γ.) την περιοχή σταθερής ισχύος, που βρίσκεται ανάμεσα στις ταχύτητες vn και vcut-off. Στη περιοχή μη λειτουργίας η λειτουργία της ανεμογεννήτριας διακόπτεται λόγω πολύ χαμηλής ταχύτητας του ανέμου και συνεπώς πολύ χαμηλής αεροδυναμικής ισχύος, η οποία δεν επαρκεί για να υπερνικήσει της απώλειες λόγω τριβών. Στη περιοχή μέγιστης παραγόμενης ενέργειας, μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα οι στροφές της ανεμογεννήτριας, ώστε να πετύχουμε την μέγιστη απορρόφηση ισχύος από τον άνεμο. Στην περιοχή σταθερής ισχύος, εφαρμόζουμε κάποιο είδος μηχανικού ελέγχου για την διατήρηση της ισχύος εξόδου σε σταθερά επίπεδα και ίσα με τα ονομαστικά, ώστε να μην επιβαρύνουμε την ανεμογεννήτρια. Σχήμα 2.4 Η καμπύλη ισχύος ταχύτητας για μια τυπική ανεμογεννήτρια. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών, που χρησιμοποιούνται και περισσότερο σήμερα, μπορούν να χωριστούν με τη σειρά τους σε τρείς επιμέρους κατηγορίες: (α.) ασύγχρονες γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας (DFIG), (β.) ασύγχρονες γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) ή σύγχρονες

56 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG) με διασύνδεση συνεχούς ρεύματος στο στάτη και μετατροπέα πλήρους κλίμακας και (γ.) ασύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG) με αντιστάσεις στο δρομέα. Ο διαχωρισμός αυτός γίνεται με βάση τον τύπο της χρησιμοποιούμενης μηχανής, τον τρόπο σύνδεσης της και την μέθοδο ελέγχου που επιλέγεται. Η πρώτη από τις επιμέρους αυτές κατηγορίες είναι η πιο διαδεδομένη σήμερα, μιας και κάνει ικανοποιητική ρύθμιση των στροφών σε ένα εύρος ταχυτήτων ±30% της ονομαστικής. Χρησιμοποιεί μικρότερης ισχύος αντιστροφέα από ότι στις άλλες περιπτώσεις και αξιοποιεί τα πλεονεκτήματα της επαγωγικής μηχανής. Ο μικρότερος μετατροπέας χρησιμοποιείται διότι δεν διαχειρίζεται όλη την ισχύ της μηχανής αλλά ένα μέρος αυτής. Το ποσοστό ρύθμισης της ταχύτητας είναι ανάλογο της ισχύος του μετατροπέα. Γι αυτό επιλέγουμε μια ισχύ μετατροπέα ίση με το 30% της ολικής, για να έχουμε και ένα αντίστοιχο περιθώριο ρύθμισης της ταχύτητας. Πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι η δυνατότητα του δρομέα να συνεισφέρει στην παροχή ενεργού ισχύος στο δίκτυο σε περιπτώσεις υπερσύγχρονης λειτουργίας, δηλαδή σε ταχύτητες μεγαλύτερες της σύγχρονης. Επίσης, η ύπαρξη του αντιστροφέα στην πλευρά του δικτύου μπορεί να βοηθήσει στην αντιστάθμιση της αέργου ισχύος, προσφέροντας την άεργο ισχύ που ζητά ο στάτης ή και απορροφώντας την επιπλέον άεργο ισχύ του δικτύου. Μ αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε ρύθμιση του συντελεστή ισχύος. Η δυνατότητα προσφοράς και απορρόφησης αέργου ισχύος έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ευστάθειας του δικτύου, διότι η μηχανή είναι σε θέση να υποστηρίζει το δίκτυο σε περίπτωση σφάλματος. Επίσης, η παραγωγή αέργου ισχύος σε μια ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας μπορεί να ελεγχτεί από το ρεύμα του δρομέα, διότι σε αυτόν τον τύπο μηχανής η άεργος ισχύς εξαρτάται σε πολύ μικρότερο βαθμό από την παραγόμενη ενεργό ισχύ απ ότι στην επαγωγική μηχανή βραχυκυκλωμένου κλωβού. Μειονέκτημα της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας αποτελεί η ύπαρξη δακτυλιοφόρου δρομέα, το οποίο σημαίνει αυξημένο κόστος κατασκευής και συντήρησης καθώς και συχνή αλλαγή ψηκτρών. Στο σχήμα 2.5 φαίνεται η τοπολογία αυτής της κατηγορίας.

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 41 Σχήμα 2.5 Η τοπολογία της διάταξης DFIG. Η δεύτερη κατηγορία κερδίζει έδαφος συνεχώς στις μέρες μας. Πετυχαίνει πλήρη ρύθμιση στροφών και πλήρη αποσύζευξη μηχανής και δικτύου, επιτρέποντας την ξεχωριστή αντιστάθμιση αέργου ισχύος στην μηχανή και στο δίκτυο. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να πετυχαίνουμε ανεξάρτητο έλεγχο του συντελεστή ισχύος από την πλευρά της μηχανής και από την πλευρά του δικτύου. Σημαντικό πλεονέκτημα αποτελεί ακόμα η απουσία κιβωτίου ταχυτήτων στην περίπτωση της σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη, καθώς και η απουσία δακτυλιοφόρου δρομέα. Επίσης, πλεονέκτημα των μηχανών μόνιμου μαγνήτη είναι η απουσία εξωτερικής διεγέρσεως, η οποία αυξάνει τον βαθμό απόδοσης και την αξιοπιστία της μηχανής. Το βελτιωμένο μέγεθος και η ευκολία στον έλεγχο αποτελούν επιπλέον πλεονεκτήματα των μηχανών αυτών. Μειονέκτημα αυτής της κατηγορίας αποτελεί το αυξημένο κόστος, διότι οι μετατροπείς θα πρέπει να χειρίζονται πλέον το σύνολο της ισχύος της μηχανής και αυξάνει συνεπώς το μέγεθος τους. Επίσης, στην περίπτωση σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη το κόστος αυξάνει λόγω των ακριβών υλικών των μόνιμων μαγνητών. Επιπλέον, υπάρχει κίνδυνος απομαγνήτισης των μόνιμων μαγνητών σε υψηλές θερμοκρασίες. Ακόμα, η διέγερση των μηχανών αυτών είναι σταθερή και αμετάβλητη, χωρίς καμία δυνατότητα ελέγχου. Στο σχήμα 2.6 βλέπουμε την τοπολογία αυτής της κατηγορίας.

58 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Σχήμα 2.6 Η τοπολογία της διάταξη με μετατροπέα πλήρους κλίμακας. Τέλος, η τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει μηχανές δακτυλιοφόρου δρομέα με εξωτερικές αντιστάσεις στο δρομέα για την ρύθμιση των στροφών. Δεν περιλαμβάνει καθόλου μετατροπέα με ηλεκτρονικά ισχύος. Λόγω των αυξημένων απωλειών πάνω στις αντιστάσεις καθώς και της μικρής περιοχής ρυθμίσεως της ταχύτητας ±10% της ονομαστικής σπάνια χρησιμοποιούνται. Η τεχνολογία αυτή δεν είναι αντικείμενο μεγάλης έρευνας, αλλά αποτελεί μια εφεύρεση της εταιρίας Vestas που την πούλησε από τα μέσα της δεκαετίας του 90 και έπειτα με την εμπορική ονομασία Opti-Slip. Η ρύθμιση των αντιστάσεων γίνεται μέσω ηλεκτρονικών ισχύος. Στο σχήμα 2.7 βλέπουμε την τοπολογία αυτής της κατηγορίας. Σχήμα 2.7 Η τοπολογία της διάταξης με εξωτερικές αντιστάσεις στο δρομέα. Το μερίδιο στην αγορά της κάθε κατηγορίας φαίνεται στο σχήμα 2.8. Από αυτό βλέπουμε πως η κατηγορία μεταβλητών στροφών προηγείται με ποσοστό

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 43 72%, εκ του οποίου η ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας κατέχει το μεγαλύτερο μέρος (50%) και ακολουθούν τα συστήματα που αξιοποιούν μετατροπέα πλήρους κλίμακας (20%). Τέλος, έρχονται τα συστήματα σταθερών στροφών με ποσοστό 28%. Πάνω από το 75% όλων των συστημάτων αξιοποιούν ηλεκτρονικά ισχύος. Σχήμα 2.8 Το ποσοστό κάθε κατηγορίας ανεμογεννήτριας στην αγορά αιολικής ενέργειας το έτος Χαρακτηριστικά Μεγέθη Ανεμογεννητριών Όπως είδαμε κάθε κατηγορία εμφανίζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Ο διαχειριστής του δικτύου παρέχει ένα κώδικα στους κατασκευαστές ο οποίος είναι οι κανονισμοί που απαιτούνται για την διασύνδεση του αιολικού πάρκου με το σύστημα μεταφοράς του δικτύου. Οι κανονισμοί συνήθως ζητούν συγκεκριμένο συντελεστή ισχύος, σταθερή συχνότητα και συγκεκριμένη δυναμική συμπεριφορά του αιολικού πάρκου κατά τη διάρκεια κάποιου σφάλματος στο δίκτυο. Η τελευταία απαίτηση είναι γνωστή ως αδιάλειπτη συνέχιση της λειτουργίας υπό μειωμένη τάση (low voltage ride through) και απαιτεί προσομοιώσεις ολόκληρου του αιολικού πάρκου για να εξασφαλίσει μια ευσταθή συμπεριφορά κατά την διάρκεια ενός σφάλματος. Στη συνέχεια βλέπουμε στο σχήμα 2.9 τον Βρετανικό κανονισμό για την τάση και τον συντελεστή ισχύος στο σημείο σύνδεσης.

60 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Σχήμα 2.9 Ο Βρετανικός κανονισμός για την απαίτηση σε άεργο ισχύ. Στο σχήμα 2.10 βλέπουμε τον Γερμανικό κανονισμό (VDN) για την αδιάλειπτη λειτουργία υπό μειωμένη τάση. Παρατηρούμε ότι ο κανονισμός απαιτεί συνέχιση της λειτουργίας για απομένουσα τάση δικτύου 15% της αρχικής για χρόνο 500 ms περίπου. Απαιτεί αδιάλειπτη λειτουργία όταν η τάση συνεχίζει να αυξάνει με ρυθμό 25% της ονομαστικής ανά δευτερόλεπτο και αδιάλειπτη συνέχιση της λειτουργίας για τάση δικτύου 85% της ονομαστικής. Σχήμα 2.10 Ο Γερμανικός κανονισμός για αδιάλειπτη λειτουργία υπό μειωμένη τάση. Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος μιας ανεμογεννήτριας είναι ο παράγοντας χωρητικότητας. Ορίζεται ως ο λόγος της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας προς την θεωρητικά παραγόμενη. Η θεωρητικά παραγόμενη προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της ονομαστικής ισχύος της

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 45 ανεμογεννήτριας επί τις ώρες του έτους. Όμως, μιας και ο άνεμος δεν είναι σταθερός και η ενέργεια που θα παράγεται απ αυτόν δεν θα είναι σταθερή. Τυπικοί παράγοντες χωρητικότητας είναι της τάξης του 20 40%. Έτσι η πραγματική μέση ετήσια ισχύς της ανεμογεννήτριας είναι ένα ποσοστό της ονομαστικής, το ποσοστό αυτό είναι ο παράγων χωρητικότητας. Ο παράγοντας χωρητικότητας εξαρτάται από την περιοχή που βρίσκεται η ανεμογεννήτρια αλλά και από το μέγεθος της ανεμογεννήτριας. Μικρές ανεμογεννήτριες έχουν υψηλότερους παράγοντες χωρητικότητας αλλά παράγουν λιγότερη ενέργεια σε υψηλές τιμές ανέμου. Αντίστοιχα, μεγάλες ανεμογεννήτριες έχουν υψηλότερο κόστος και παράγουν λίγη παραπάνω ενέργεια. Άρα, μια μέση λύση θα πρέπει να εκλέγεται. Η διείσδυση της αιολικής ενέργειας είναι ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος του συστήματος και ορίζεται ως ο λόγος της παραγόμενης αιολικής ενέργειας προς την συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Δεν υπάρχει ένα συγκεκριμένο ανώτατο όριο διείσδυσης, αλλά εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εκάστοτε δικτύου. Πάντως, ένα ποσοστό διείσδυσης έως 20% σπάνια δημιουργεί προβλήματα. Τα προβλήματα εγείρονται λόγω της μεταβλητότητας του ανέμου και της αναγκαιότητας ύπαρξης ισοζυγίου μεταξύ παραγόμενης και καταναλισκόμενης ισχύος για την διασφάλιση της ευστάθειας του συστήματος. Καθώς το ποσοστό διείσδυσης αυξάνει πέρα του 20% το αυξανόμενο κόστος, η ανάγκη αποθήκευσης ενέργειας όπως υδροηλεκτρική εφεδρεία, η ανάγκη αναβάθμισης του δικτύου καθώς και η αδυναμία της υπάρχουσας παραγωγής να ανταποκριθεί στη ζήτηση δημιουργούν προβλήματα. Αυτά μπορούν να αντιμετωπιστούν με την ύπαρξη πλεονάζουσας εγκατεστημένης ισχύος, με την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, με τις εφεδρικές μονάδες κυρίως φυσικού αερίου, με την διασύνδεση με γειτονικά δίκτυα, με την απόρριψη φορτίου και άλλα. Σήμερα, εξακολουθεί να γίνεται έρευνα πάνω στις επιδράσεις στην ευστάθεια και το κόστος που επιφέρει μια μεγάλη αιολική διείσδυση. Ελάχιστες είναι οι χώρες που εμφανίζουν ένα ποσοστό αιολικής διείσδυσης πάνω από 5% χωρίς αυτό να σημαίνει πως δεν υπάρχουν στιγμές που το ποσοστό αυτό να γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό, για παράδειγμα ένα πρωί του Νοεμβρίου του 2009 στην Ισπανία το 50% της συνολικής ενέργειας της χώρας παρήχθει αποκλειστικά από αιολική ενέργεια. 2.6 Η Διασύνδεση των Αιολικών Πάρκων Η διασύνδεση ενός αιολικού πάρκου με το δίκτυο γίνεται με τρείς τρόπους: (α.) μέσω ac διασύνδεσης, (β.) μέσω ac/dc διασύνδεσης και (γ.) μέσω dc διασύνδεσης. Η ac διασύνδεση χρησιμοποιείται για αιολικά πάρκα στα οποία το σημείο σύνδεσης με το δίκτυο δεν είναι πολύ απομακρυσμένο από το πάρκο. Η τοπολογία που συνήθως εφαρμόζεται σ αυτές τις περιπτώσεις είναι ένα τοπικό

62 Η ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ ακτινικό δίκτυο των 35kV που συνδέει τις ανεμογεννήτριες σε ένα κοινό μετασχηματιστή ο οποίος ανυψώνει την τάση σε 150kV και συνδέει το πάρκο με το δίκτυο. Η τοπολογία αυτής της διασύνδεσης φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.11 Η τοπολογία της διάταξης με εσωτερικό τοπικό ac δίκτυο. Η διασύνδεση ac/dc χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου είτε το σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο είναι πολύ απομακρυσμένο είτε το δίκτυο στο οποίο θα συνδεθεί το αιολικό πάρκο είναι πολύ ασθενές. Το πλεονέκτημα που προσφέρει μια τέτοια διασύνδεση είναι ότι το αιολικό πάρκο είναι πλήρως αποσυζευγμένο από το ηλεκτρικό δίκτυο και συνεπώς μπορεί να επιτευχθεί ανεξάρτητη ρύθμιση της συχνότητας και της τάσης του πάρκου και του δικτύου. Σε αυτή την περίπτωση οι ανεμογεννήτριες συνδέονται ακτινικά και στη συνέχεια υπάρχει ένας ac/dc μετατροπέας στη πλευρά του πάρκου ο οποίος μετατρέπει την χαμηλή ή μέση ac τάση σε υψηλή dc και στη συνέχεια ένας dc/ac μετατροπέας στη πλευρά του δικτύου που μετατρέπει την dc τάση ξανά σε ac. Ένα τέτοιο σύστημα μεταφοράς ονομάζεται HVDC (High Voltage Direct Current). Για συγκεκριμένα επίπεδα ισχύος ένα σύστημα μεταφοράς HVDC βασισμένο σε μετατροπείς πηγής τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί για την συνηθισμένη τεχνολογία με θυρίστορ. Αυτή η λύση είναι ικανή να μεταβάλλει την ταχύτητα του πάρκου ως συνόλου. Στο σχήμα 2.12 φαίνεται η τοπολογία αυτής της κατηγορίας.

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 47 Σχήμα 2.12 Η τοπολογία της διάταξης με HVDC σύστημα μεταφοράς. Ο τρίτος τρόπος μοιάζει με τον προηγούμενο με την διαφορά ότι χρησιμοποιεί ac/dc μετατροπείς σε κάθε ανεμογεννήτρια και ένα ή δύο στάδια ενδιάμεσης ανύψωσης της dc τάσης και κατόπιν ακολουθεί ο dc/ac μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου. Τα ενδιάμεσα στάδια μπορούν να απαλειφθούν με την σύνδεση σε σειρά των ανεμογεννητριών ώστε να επιτύχουμε την επιθυμητή τάση. Με αυτή τη λύση είναι δυνατό να ελέγχεται η ταχύτητα της κάθε ανεμογεννήτριας χωριστά και όχι ως σύνολο ώστε η καθεμία να λειτουργεί στο δικό της βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Στο σχήμα 2.13 φαίνεται η τοπολογία αυτής της κατηγορίας. Σχήμα 2.13 Η τοπολογία της διάταξης με ξεχωριστή χρήση μετατροπέων σε κάθε ανεμογεννήτρια.

64 Η ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΤΩΝ ΑΙΟΛΙΚΩΝ ΠΑΡΚΩΝ 2.7 Ο Έλεγχος στις Ανεμογεννήτριες Στις ανεμογεννήτριες όπως είδαμε και προηγουμένως εφαρμόζεται έλεγχος των μηχανικών και των ηλεκτρικών μερών με απώτερο σκοπό την βελτίωση της παραγόμενης ισχύος, της ευστάθειας και της απόδοσης του συστήματος. Ο μηχανικός έλεγχος περιγράφηκε λεπτομερώς προηγουμένως και συνίσταται στην χρήση δύο κυρίως μεθόδων, του ελέγχου γωνίας βήματος και του ελέγχου απώλειας στήριξης. Ο έλεγχος αυτός χρησιμοποιείται για να μπορέσουμε να περιορίσουμε την απορροφούμενη από τον άνεμο ισχύ. Ο ηλεκτρονικός έλεγχος συνίσταται σε χρήση τεχνικών ρύθμισης ηλεκτρικών ποσοτήτων, μέσω των οποίων πετυχαίνουμε τελικά να ρυθμίσουμε την παρεχόμενη στο δίκτυο ενεργό και άεργο ισχύ. Επίσης, ρυθμίζουμε την ηλεκτρική συχνότητα, την προσφερόμενη άεργο ισχύ στην μηχανή καθώς και την ταχύτητα της όταν βρισκόμαστε στην περιοχή λειτουργίας της μέγιστης παραγόμενης ισχύος. Βασικό χαρακτηριστικό του ηλεκτρονικού ελέγχου είναι πως σε αντίθεση με τον μηχανικό δεν εφαρμόζεται σε κάθε τύπο ανεμογεννήτριας αλλά μόνο σε συστήματα μεταβλητών στροφών Ο Μηχανικός Έλεγχος Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος μηχανικός έλεγχος είναι αυτός της γωνίας βήματος πτερυγίου. Ο έλεγχος αυτός εμφανίζεται σχεδόν πάντοτε σε συστήματα μεταβλητών στροφών. Το είδος του ελέγχου αυτού όμως δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε συστήματα σταθερών στροφών, λόγω σημαντικών διακυμάνσεων στην ισχύ. Πράγματι, εάν εφαρμόσουμε έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου σε μια ανεμογεννήτρια σταθερών στροφών, τότε μια μικρή μεταβολή της ταχύτητας του ανέμου πέρα της ονομαστικής θα δημιουργήσει μια μεταβολή στην εξαγόμενη ισχύ αρκετά μεγαλύτερη. Επιπροσθέτως, λόγω της αδράνειας τους συστήματος περιστροφής των πτερυγίων, θα περάσει κάποιος χρόνος μέχρι την στροφή των πτερυγίων στην επιθυμητή γωνία και τελικά τη μείωση της μηχανικής ισχύος. Όλες αυτές οι μεταβολές που περιγράψαμε στην παραγόμενη ισχύ θα γίνουν αντιληπτές από το δίκτυο. Αντίθετα, σ ένα σύστημα μεταβλητών στροφών οι μεταβολές αυτές θα υπάρχουν, αλλά θα εμφανιστούν υπό τη μορφή της μεταβολής της ταχύτητας του ρότορα. Έτσι, η παρεχόμενη ηλεκτρική ισχύ στο δίκτυο θα μείνει ανεπηρέαστη. Ο παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης χρησιμοποιείται σε συστήματα σταθερών στροφών, ενώ ο ενεργός μπορεί να εμφανίζεται και σε συστήματα μεταβλητών στροφών. Ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης όταν εφαρμόζεται σε συστήματα σταθερών στροφών δεν δημιουργεί τα προβλήματα που

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 49 περιγράφηκαν προηγουμένως για τον έλεγχο γωνίας βήματος, διότι αυτός δεν μεταβάλλει απότομα την ισχύ. Στο σχήμα 2.14 βλέπουμε την απόκριση στην παραγόμενη μηχανική ισχύ εφαρμόζοντας τις διάφορες τεχνικές μηχανικού ελέγχου. Από το σχήμα αυτό παρατηρούμε ότι με τον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης και τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου μπορούμε να πετύχουμε ακριβή έλεγχο στην ισχύ. Ενώ, με τον παθητικό έλεγχο απώλειας στήριξης ο έλεγχος δεν είναι ακριβής. Επίσης, παρατηρούμε ότι με τον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης, η ισχύς μεταβάλλεται πιο ομαλά σε αντίθεση με τον έλεγχο γωνίας βήματος, που δημιουργεί απότομη μεταβολή της ισχύος. Σχήμα 2.14 Οι χαρακτηριστικές ισχύος για διαφορετικές τεχνικές μηχανικού ελέγχου Ο Ηλεκτρονικός Έλεγχος Ο ηλεκτρονικά εφαρμοζόμενος έλεγχος χρησιμοποιείται στα συστήματα μεταβλητών στροφών και χρησιμοποιεί την τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος. Τα ηλεκτρονικά ισχύος είναι ηλεκτρονικές συσκευές που μπορούν να διαχειρίζονται μεγάλα ποσά ισχύος της τάξης των MVA. Τα ηλεκτρονικά ισχύος έχουν αλλάξει πολύ τα τελευταία 30 χρόνια και ο αριθμός των εφαρμογών τους έχει αυξηθεί. Η απόδοση σταθερά αυξάνει, ενώ το κόστος συνεχώς μειώνεται. Το κόστος των συσκευών αυτών ενώ αρχικά ήταν πολύ υψηλό, έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια επιτρέποντας έτσι την αξιοποίηση τους σε μεγάλης κλίμακας εφαρμογές. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος εξακολουθεί να διέρχεται μεγάλες αλλαγές και βασικά στοιχεία όπως η τάση κατάρρευσης και η δυνατότητα μεταφοράς ρεύματος των διατάξεων συνεχώς αυξάνει. Σημαντική έρευνα γίνεται επίσης για την αλλαγή των χρησιμοποιούμενων υλικών από πυρίτιο σε καρβίδιο του πυριτίου. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την δραματική αύξηση της πυκνότητας ισχύος των μετατροπέων.

66 Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΣΤΙΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Συνοπτικά οι κυριότεροι τύποι ηλεκτρονικών ισχύος είναι: δίοδοι, θυρίστορ, GTO θυρίστορ, MOS gate θυρίστορ, τρανζίστορ, MOSFET, FET καρβιδίου του πυριτίου, IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Τα τελευταία είναι η καλύτερη λύση για αιολικά συστήματα μεταβλητής ταχύτητας μιας και έχουν υψηλές διακοπτικές συχνότητες λειτουργίας (2 20 khz) και καλές χαρακτηριστικές, ελέγχοντας την ενεργό και την άεργο ισχύ. Η βιομηχανία των ηλεκτρονικών ισχύος έχει κατασκευάσει IGBT στοιχεία τα οποία μπορούν και χειρίζονται 6 kv και 1.2 ka. Στο σχήμα 2.15 φαίνεται η εξέλιξη των σημαντικότερων ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος τα τελευταία 50 χρόνια. Σχήμα 2.15 Η εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος με το πέρασμα του χρόνου. Τα πλεονεκτήματα της αξιοποίησης του ηλεκτρονικού ελέγχου είναι: η καλυτέρευση της ποιότητας ενεργείας (ως προς τη σταθερότητα της συχνότητας και της τάσης), η μεγιστοποίηση της παραγωγής ενεργείας (μέσω του συνεχούς ελέγχου των στροφών της μηχανής), η βελτίωση της απόδοσης του συστήματος και η ρύθμιση του συντελεστή ισχύος. Οι χρησιμοποιούμενες συσκευές ηλεκτρονικών ισχύος στα αιολικά συστήματα είναι: Μετατροπέας (ac/dc dc/ac converter): Είναι η κυρίως χρησιμοποιούμενη συσκευή ελέγχου στα αιολικά συστήματα. Αποτελείται από μια τριφασική εξαπαλμική γέφυρα με IGBT στοιχεία. Στην πράξη χρησιμοποιούμε δύο τέτοιους μετατροπείς πλάτη με πλάτη και διασύνδεση συνεχούς ρεύματος τοποθετώντας ένα μεγάλο πυκνωτή στη μέση που χρησιμεύει στην αποσύζευξη των δύο πλευρών. Το πλεονέκτημα μιας τέτοιας διάταξης είναι η αμφίδρομη μεταφορά ισχύος και η δυνατότητα ελέγχου ενεργού και αέργου ισχύος. Συνεπώς, ένας τέτοιος μετατροπέας μπορεί να λειτουργεί και ως ανορθωτής και ως αντιστροφέας. Στο σχήμα 2.16 βλέπουμε το σχηματικό διάγραμμα ενός