ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΩΝ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ. Συντάκτρια: Ιώ Χατζησάββα, Πολ. Μηχ.

Transcript

1 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΜΙΚΡΩΝ ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ Συντάκτρια: Ιώ Χατζησάββα, Πολ. Μηχ.

2 Εισαγωγή Μικρό υδροηλεκτρικό, σύμφωνα με την ισχύουσα νομοθεσία, είναι το έργο που η ισχύς του δεν υπερβαίνει τα 15 MW. Η ανάπτυξη των έργων αυτών διέπεται από το νομοθετικό πλαίσιο που αφορά στις ΑΠΕ και τη διαχείριση των υδατικών πόρων. Ποιοι οι βασικοί νόμοι που διέπουν την ανάπτυξη των ΜΥΗΕ: - ν. 1739/1987 περί διαχείρισης των υδατικών πόρων - ν. 3199/2003 νέος νόμος περί διαχείρισης των υδατικών πόρων - ν. 3468/2006 περί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ - ν. 3614/2007 Αναπτυξιακός (υπό τροποποίηση) - Ειδικό χωροταξικό πλαίσιο για τις ΑΠΕ Προσοχή: Απαραίτητο να λαμβάνουμε υπόψη τις τροποποιήσεις των παραπάνω νόμων, όταν βέβαια υπάρχουν

3 Προϋποθέσεις ανάπτυξης ενός ΜΥΗΕ Οι θέσεις που θα επιλεγούν για την υδροληψία και το σταθμό παραγωγής καθώς και οι οδεύσεις των αγωγών πρέπει να είναι σε γενικές γραμμές προσβάσιμες. Η απαίτηση δαπανηρών έργων πολιτικού μηχανικού μπορεί να καταστήσει αντιοικονομική την ανάπτυξη του έργου. Απαραίτητη η επίσκεψη στη θέση του έργου. Θα πρέπει να εξετασθεί αν υπάρχουν περιβαλλοντικές ή άλλες δεσμεύσεις, λαμβάνοντας υπόψη τις διατάξεις του Ειδικού Χωροταξικού Πλαισίου για τις ΑΠΕ Εξέταση δυνατότητας διασύνδεσης στο ηλεκτρικό σύστημα της χώρας (απόσταση δικτύου, διαθεσιμότητα ηλεκτρικού χώρου) Αν όλα τα παραπάνω είναι εφικτά, τότε προχωράμε στο σχεδιασμό του έργου

4 Βασικές συνιστώσες σχεδιασμού των Μικρών υδροηλεκτρικών έργων Εκτίμηση του υδατικού δυναμικού δηλαδή, προσδιορισμός των διαθέσιμων για ενεργειακή εκμετάλλευση ποσοτήτων νερού Υδραυλικός σχεδιασμός του έργου, θέμα που περιλαμβάνει την υδροληψία, την προσαγωγή του νερού στο σταθμό παραγωγής και γενικά, κάθε τεχνικό έργο. Επιλογή του κατάλληλου Η/Μ εξοπλισμού. Οικονομική ανάλυση βιωσιμότητας του έργου

5 Εκτίμηση του υδατικού δυναμικού: Καμπύλη Διαρκείας παροχών (ΚΔΠ) Αντικειμενικός σκοπός κατασκευής ενός ΜΥΗΕ είναι η παραγωγή ενέργειας χρησιμοποιώντας σαν κινητήρια δύναμη το νερό. Η παραγόμενη όμως ενέργεια Ε, είναι ανάλογη της διερχόμενης από τις μονάδες παροχής νερού Q, λαμβάνοντας υπόψη ότι ισχύει η σχέση E=n.γ.Q.H Συνεπώς, είναι ανάγκη να γνωρίζουμε εκ των προτέρων τη συμπεριφορά της Q στο χρόνο, δηλαδή το Q(t). Ειδικότερα: Θέλουμε να γνωρίζουμε για κάθε δοθείσα τιμή που μπορεί να λάβει η παροχή, το ποσοστό του χρόνου κατά τον οποίο η παροχή διατηρείται σε τιμές μεγαλύτερες της δοθείσας. Γνωρίζοντας αυτό μπορούμε να προσδιορίσουμε την παροχή σχεδιασμού του έργου. Την παροχή Q την αντιμετωπίζουμε σαν μια τυχαία μεταβλητή που ακολουθεί κάποια κατανομή. Την κατανομή αυτή προσεγγίζουμε με την Καμπύλη Διαρκείας Παροχών που είναι μια αθροιστική συνάρτηση κατανομής της συμπληρωματικής πιθανότητας.

6 ΚΑΜΠΥΛΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΗΜΕΡΗΣΙΩΝ ΠΑΡΟΧΩΝ Π. ΑΛΦΕΙΟΥ ΣΤΗΝ ΚΑΡΥΤΑΙΝΑ Παροχή (m 3 /s) % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Συχνότητα υπέρβασης

7 Καμπύλη Διαρκείας Παροχών: Βασική παραδοχή και κανόνας Παραδοχή: Οι παράμετροι της κατανομής παραμένουν σταθερές στο χρόνο και επομένως, σταθερή παραμένει και η καμπύλη διαρκείας. Κανόνας: Η παροχή ως μεταβλητή παρουσιάζει ετήσια κυκλικότητα. Για τον λόγο αυτό η καμπύλη διαρκείας εφαρμόζεται πάντα σε ακέραιο πλήθος περιόδων (ετών) και ποτέ κάτω του έτους

8 ΥΔΡΟΓΡΑΦ ΗΜΑ ΜΕΣΩΝ ΗΜΕΡΗΣΙΩΝ ΠΑΡΟΧΩΝ Π. ΑΛΦ ΕΙΟΥ ΣΤΗΝ ΚΑΡΥΤΑΙΝΑ Παροχή (m 3 /s) /10/ 61 1/10/ 62 1/10/ 63 30/9/ 64 1/10/ 65 1/10/ 66 1/10/ 67 30/9/ 68 1/10/ 69 1/10/ 70 Χρόνος (ημέρες)

9 Χαρακτηριστικά της ΚΔΠ Βασικά μεγέθη Μέση τιμή: Για τα ελληνικά ρεύματα βρίσκεται συνήθως στο 30% 35% του χρόνου Διάμεσος τιμή: Η τιμή παροχής με πιθανότητα υπέρβασης 50% Διερχόμενος όγκος: Το εμβαδόν που περικλείεται μεταξύ της ΚΔΠ και των αξόνων εκφράζει τον όγκο νερού που διήλθε σε συγκεκριμένο αριθμό ετών. Αν δε εφαρμόσουμε το 100% των συχνοτήτων στη μονάδα του χρόνου που είναι το έτος, τότε έχουμε τον μέσο ετησίως διερχόμενο όγκο νερού

10 Χαρακτηριστικά ΚΔΠ Περιοχές των πιθανοτήτων υπέρβασης Σε πιθανότητες υπέρβασης μικρότερες του 10% εμφανίζονται κυρίως πλημμυρικές παροχές. Στο διάστημα πιθανοτήτων 15% 20% βρίσκεται συνήθως η τιμή παροχής που θα επιλέξουμε σαν σχεδιαστικό μέγεθος. Η λειτουργία ενός ΜΥΗΕ στις χαμηλές παροχές, με πιθανότητες υπέρβασης μεγαλύτερες του 80% εξαρτάται κυρίως από τη μορφή της ΚΔΠ. Εξαρτάται επίσης από τον εξοπλισμό που θα επιλεγεί και την υποχρέωση οικολογικής παροχής

11 ΚΑΝΟΝΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΕΣ ΚΔΠ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΠΟΤΑΜΩΝ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΕΓΕΘΗ ΕΙΔΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Γοργοπόταμος (51,9) Αγραφιώτης (46,4) Βωβούσα (45,5) Νέα Βοβούσα (41,6) Πορταϊκός (34,6) Βενέτικος (29,0) Ταυρωπός (24,4) Υδρούσα (15,6) Αλφειός (7,6) % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

12 Σχόλια επί των διαφόρων ΚΔΠ Όταν στη διαμόρφωση της παροχής ενός ρεύματος η πηγαία συνεισφορά είναι σημαντική, παραμένουν υψηλές οι τιμές παροχής για μεγάλες πιθανότητες υπέρβασης (πχ Γοργοπόταμος, Υδρούσα). Ο σχεδιασμός έργου σε θέση με αυτά τα χαρακτηριστικά είναι οικονομικός και προσοδοφόρος Σε περιπτώσεις που η ΚΔΠ εμφανίζει σημαντικό μέρος του συνολικά διερχόμενου όγκου σε μικρές πιθανότητες υπέρβασης οδηγούμαστε, κατά κανόνα, σε αντιοικονομικό σχεδιασμό

13 ΚΑΜΠΥΛΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΗΜΕΡΗΣΙΩΝ ΠΑΡΟΧΩΝ Π. ΑΛΦΕΙΟΥ ΣΤΗΝ ΚΑΡΥΤΑΙΝΑ 200 Εισερχόμενη π αροχή Χρησιμοπ οιούμενη π αροχή Παροχή (m 3 /s) % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Συχνότητα υπέρβασης Η έντονη πλημμυρικότητα του ποταμού οδηγεί σε αντιοικονομικό σχεδιασμό. Εδώ απαιτείται ρύθμιση με αποθηκευτικό όγκο.

14 Καμπύλη Διαρκείας Παροχών Περιορισμοί & Δεσμεύσεις Για λόγους αξιοποίησης του πόρου υπάρχει η υποχρέωση εκμετάλλευσης του 75% του διερχόμενου όγκου νερού (Βαθμός Ενεργειακής Αξιοποίησης ΒΕΑ) Υπάρχει υποχρέωση απελευθέρωσης όλο το χρόνο ποσότητας νερού για τη διατήρηση του οικοσυστήματος. Αυτή είναι η οικολογική παροχή ίση προς το 30% της μέσης παροχής Ιουνίου-Ιουλίου- Αυγούστου ή το 50% του Σεπτεμβρίου (Το μεγαλύτερο εκ των δύο)

15 Καμπύλη Διαρκείας Παροχών Εκμεταλλεύσιμος όγκος νερού Τηρώντας την υποχρέωση του ΒΕΑ επιλέγουμε την maxq turb δηλαδή τη μέγιστη διερχόμενη παροχή από τους στροβίλους. Ακολούθως, βάσει των στροβίλων που θα επιλεγούν, ορίζεται και η ελάχιστη παροχή λειτουργίας, ως ποσοστό της maxq turb. Ο προς εκμετάλλευση όγκος νερού είναι ο διαθέσιμος μεταξύ της μέγιστης και ελάχιστης τιμής, μετά βέβαια την αφαίρεση της οικολογικής παροχής. Από τη διαθέσιμη προς εκμετάλλευση ποσότητα νερού υπολογίζονται μακροχρόνια οικονομικά μεγέθη όπως η προσδοκώμενη ετήσια παραγωγή και οι αντίστοιχες εισπράξεις

16 Κατασκευή της ΚΔΠ Εκτέλεση μετρήσεων Η παροχή Q είναι μια τυχαία μεταβλητή. Συνεπώς εκτιμούμε τη συμπεριφορά της μέσω δείγματος που αποκτάται από μετρήσεις. Η μέτρηση της παροχής (υδρομέτρηση) είναι διαδικασία χρονοβόρα και άρα ακριβή. Για τον λόγο αυτό οι υδρομετρήσεις είναι σποραδικές, με μία μέση ικανοποιητική συχνότητα μία ανά μήνα. Λαμβάνοντας υπόψη την έντονη χειμαρρικότητα των ελληνικών ποταμών, με μεγάλες αυξομειώσεις της παροχής και για να συμπληρώσουμε το κενό μεταξύ των υδρομετρήσεων και να υπολογίσουμε την εξέλιξη της παροχής στο χρόνο, μετράμε τη στάθμη του νερού και εγκαθιδρύουμε σχέσεις στάθμης παροχής (H-Q). Από τις σχέσεις H-Q υπολογίζουμε στη συνέχεια τις μέσες ημερήσιες παροχές. Θα πρέπει να γνωρίζουμε ότι οι διατομές στις θέσεις μέτρησης δεν είναι ποτέ σταθερές και οι προαναφερθείσες σχέσεις μεταβάλλονται στο χρόνο.

17 Κατασκευή της ΚΔΠ Κατάλληλο δείγμα Στατιστικά, όσο πιο μεγάλο είναι το δείγμα τόσο πιο ασφαλή είναι τα συμπεράσματά μας Ιδανική κατάσταση: Πλήρης γνώση της παροχής Q για ένα μεγάλο διάστημα μετρήσεων που μπορεί να διαρκεί μερικές δεκαετίες Για τις ανάγκες σχεδιασμού ενός ΜΥΗΕ δεν είναι αναγκαία συνθήκη η ύπαρξη μακρόχρονου δείγματος. Αν όμως υπάρχει το χρησιμοποιούμε. Για την κατασκευή της ΚΔΠ κάνουμε την υπόθεση ότι οι μεταβολές της Q στην κλίμακα του 24ώρου δεν είναι άξιες λόγου (ως προς την ακρίβεια υπολογισμού της μακροπρόθεσμα παραγόμενης ενέργειας). Έτσι, προσεγγίζουμε τη συνεχή συνάρτηση Q(t) από τη χρονοσειρά των μέσων ημερησίων παροχών Q(ti) και αποκτούμε την ΚΔΗΠ.

18 Κατασκευή της ΚΔΠ από Υδρομετρήσεις Υπάρχει πάντα η πιθανότητα να διαθέτουμε υδρομετρήσεις για ένα μακρύ χρονικό διάστημα, αλλά όχι και στάθμες. Στην περίπτωση αυτή δεν μπορούμε βέβαια να υπολογίσουμε μέσες ημερήσιες παροχές και να κατασκευάσουμε την ΚΔΗΠ. Μπορούμε όμως να την προσεγγίσουμε από το δείγμα των μετρήσεων

19 Υπολογισμός ΚΔ από μεμονωμένες αλλά συστηματικές υδρομετρήσεις 40,000 Αώος στη Βοβούσα μετά την ένταξη του φ. Πηγών Α = 116,7 km 2 q = 41,6 l/s/km 2 Ημερήσιες παροχές 30,000 Συστηματικές υδρομετρήσεις Q (m3/s) 20,000 10,000 0,000 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Συχνότητα υπέρβασης

20 Βασικοί κανόνες κατασκευής ΚΔΠ από υδρομετρήσεις Η εκπροσώπηση των μηνών του έτους στο δείγμα πρέπει να είναι αμερόληπτη και περίπου ισοβαρής Το ίδιο ισχύει και για την εκπροσώπηση των υδρολογικών ετών στο δείγμα Σε διαφορετική περίπτωση, η ΚΔΠ που θα προκύψει δεν θα είναι αντιπροσωπευτική και θα οδηγηθούμε σε εσφαλμένο σχεδιασμό του έργου

21 Κατασκευή της ΚΔΠ Περίπτωση θέσης χωρίς μετρήσεις (A) Αν δεν διαθέτουμε μετρήσεις στην επιλεγείσα θέση ανάπτυξης του ΜΥΗΕ, αλλά υπάρχει θέση μέτρησης σε σχετικά κοντινή απόσταση στο ίδιο ποτάμι, μπορούμε υπό προϋποθέσεις να μεταφέρουμε πληροφορία. Βασική προϋπόθεση για τη μεταφορά είναι η ομοιότητα της ροής στις δύο θέσεις ως προς την προέλευση (πώς σχηματίζεται η ροή), αλλά και ως προς βασικούς παράγοντες όπως το έδαφος και η γεωλογία των ανάντη των δύο θέσεων λεκανών απορροής. Στην περίπτωση που μεταφέρουμε πληροφορία από τη μετρημένη θέση, σημαντικό θέμα είναι η επιβεβαίωση των παραδοχών μεταφοράς μέσω προγράμματος παραλλήλων μετρήσεων, αν είναι δυνατόν σε όλο το φάσμα των παροχών. Διαφορετικά, εφαρμόζουμε τη γνωστή αναλογία απορροών - βροχών - εμβαδών και οπωσδήποτε, επιμένουμε στην εκ των υστέρων εκτέλεση σειράς ΥΜ προς επιβεβαίωση των παραδοχών

22 Κατασκευή της ΚΔΠ Περίπτωση θέσης χωρίς μετρήσεις (B) Αν δεν διαθέτουμε μετρήσεις στην επιλεγείσα θέση ανάπτυξης του ΜΥΗΕ και δεν υπάρχει θέση μέτρησης σε σχετικά κοντινή απόσταση στο ίδιο ποτάμι, ερευνούμε για Θ.Μ. σε γειτονικά ρεύματα που παρουσιάζουν ομοιότητες όσον αφορά στην κλίμακα του μεγέθους της λεκάνης απορροής, τη μορφολογία της, τη βλάστηση, την εδαφοκάλυψη, το γεωλογικό υπόβαθρο, και την παρουσία ή μη σημαντικών πηγών, με στόχο και πάλι τη μεταφορά πληροφορίας Προφανώς ισχύουν όσα προανεφέρθησαν για την εκτέλεση παράλληλων μετρήσεων στη θέση του μετρητικού σταθμού και στη θέση ανάπτυξης του έργου με στόχο την επιβεβαίωση των παραδοχών μας για τη μεταφορά της πληροφορίας

23 Κατασκευή της ΚΔΠ Περίπτωση θέσης χωρίς μετρήσεις (Γ) Αν δεν διαθέτουμε μετρήσεις στην επιλεγείσα θέση ανάπτυξης του ΜΥΗΕ και παράλληλα, δεν υπάρχει θέση μέτρησης στο ίδιο ή σε κάποιο κοντινό ρεύμα ώστε να είναι δυνατή η μεταφορά πληροφορίας, θα πρέπει οπωσδήποτε να διεξάγουμε μια σειρά μετρήσεων για ένα χρονικό διάστημα Από τις αδειοδοτούσες Υπηρεσίες γίνεται αποδεκτό οι μετρήσεις να καλύπτουν διάστημα ενός έτους. Βεβαίως, αυτό το χρονικό διάστημα δεν είναι επαρκές για τη χάραξη της ΚΔΠ διότι, όπως ήδη αναφέρθηκε, όσο πιο μικρό είναι το δείγμα τόσο πιο ανασφαλή είναι τα συμπεράσματά μας και συνεπώς, η πιθανότητα να αστοχήσουμε σοβαρή

24 Κατασκευή της ΚΔΠ Βασικοί Κανόνες Ελέγχουμε και λαμβάνουμε υπόψη την υγρότητα της περιόδου για την οποία διαθέτουμε πληροφορίες παροχής. Ο έλεγχος βασίζεται στις πληροφορίες βροχής, οι οποίες υπάρχουν συνήθως για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Χρησιμοποιούμε το σύνολο των διαθέσιμων πληροφοριών παροχής και βροχής. Για την αναζήτηση πληροφοριών χρήσιμα είναι τα «Μητρώα των Μετεωρολογικών & Υδρομετρικών Σταθμών της χώρας» (ΥΒΕΤ 1987). Παράλληλα, για πρόσθετη πληροφόρηση απευθυνόμαστε στις Υπηρεσίες που συλλέγουν αυτής της φύσης υδρομετεωρολογικά στοιχεία. Ο διαθέσιμος για ενεργειακή αξιοποίηση όγκος νερού προκύπτει μετά την αφαίρεση της οικολογικής παροχής, καθώς και την αφαίρεση εγκατεστημένων δεσμεύσεων για την εξυπηρέτηση πχ υποχρεώσεων άρδευσης ή/και ύδρευσης

25 Κατασκευή ΚΔΠ Η καμπύλη διαρκείας παροχών μπορεί εύκολα να σχεδιαστεί με τη βοήθεια του EXCEL: Είτε κατατάσσεται το δείγμα σε φθίνουσα σειρά και σε κάθε τιμή του αποδίδεται μια σχεδιαστική θέση κατά Weibull, Είτε γίνεται χρήση της συνάρτησης PERCENTILE για διάφορες τιμές της συχνότητας υπέρβασης f, με όρισμα την τιμή 1-f.