ιευθ/νση: Τ.Θ Τ.Κ ΑΙΓΑΛΕΩ Τηλέφωνο:

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ: ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ ΙΙΙ "Ενίσχυση Ερευνητικών Οµάδων ΤΕΙ" Φορέας Υλοποίησης: ΤΕΙ Πειραιά Υποέργο 12 «ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗΣ ΒΑΣΗΣ» ΠΑΚΕΤΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 1 ΠΑΡΑ ΟΤΕΟ: TΕΧΝΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ Α ΕΚ ΟΣΗ Ολοκληρωµένη µελέτη των καθιερωµένων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας και των δυνατοτήτων άριστης συνεργασίας τους µε συστήµατα ΑΠΕ, µε έµφαση στις τεχνολογίες αξιοποίησης υδρογόνου σε συνεργασία µε συστήµατα κυψελών καυσίµου Επιστηµονικός Υπεύθυνος: Ι. Κ. ΚΑΛ ΕΛΛΗΣ ιευθ/νση: Τ.Θ Τ.Κ ΑΙΓΑΛΕΩ Τηλέφωνο: jkald@teipir.gr Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 1

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. Εισαγωγή Περιγραφή ενός τυπικού συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας Περιγραφή των επιµέρους τµηµάτων τυπικής διάταξης αποθήκευσης ενέργειας Αρχή λειτουργίας και ροή ενέργειας σε τυπικό σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας Κύρια χαρακτηριστικά ενός τυπικού συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας Πεδία εφαρµογής των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας Παραγωγή ενέργειας (Generation) Μεταφορά και διανοµή (Transmission and Distribution) Τελική κατανάλωση (Customer Service) Απαιτήσεις εφαρµογών αποθήκευσης ενέργειας Συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας Μηχανικά συστήµατα Χηµικά συστήµατα Ηλεκτρικά συστήµατα Τεχνολογίες υδρογόνου Παραγωγή υδρογόνου Αποθήκευση υδρογόνου Παραγωγή ενέργειας Σύγκριση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας Ενεργειακή χωρητικότητα, αποδιδόµενη ισχύς και αυτονοµία Αυτοεκφόρτιση και µέγιστη περίοδος αποθήκευσης Ενεργειακή πυκνότητα και πυκνότητα ισχύος ιάρκεια ζωής και µέγιστος αριθµός κύκλων Κόστος ενέργειας και ισχύος Ωφέλιµη (αξιοποιήσιµη) ενέργεια και χρόνος απόκρισης Περιβαλλοντικά και θέµατα ασφαλείας Ωριµότητα Βιβλιογραφικές Αναφορές Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 2

3 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την ικανοποίηση των συνεχώς αυξανόµενων αναγκών σε ηλεκτρική ζήτηση, την προστασία του περιβάλλοντος (IPCC, 2007; Stern, 2006) και την ανάπτυξη ενεργειακά αυτόνοµων κοινοτήτων (Scheer, 2006), η διαρκής έρευνα και εξέλιξη στον τοµέα των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) κρίνεται απαραίτητη. Η άποψη αυτή ενισχύεται από την ολοένα και εντονότερη ανησυχία για εξάντληση των αξιοποιήσιµων αποθεµάτων ορυκτών καυσίµων που σε συνδυασµό µε τη συγκέντρωση των τελευταίων σε ορισµένες µόνο περιοχές του πλανήτη δηµιουργούν τις προϋποθέσεις για εκδήλωση ενεργειακών κρίσεων και τη συντήρηση ενός ασταθούς ενεργειακού περιβάλλοντος συνολικά (Geman and Ohana, 2009). Έχοντας αντιληφθεί τα ανωτέρω, η διεθνής κοινότητα έχει κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών - σε µεγάλο ποσοστό- αναγνωρίσει τη σηµασία των ΑΠΕ, παρέχοντας σε πολλές των περιπτώσεων ουσιαστική στήριξη που µετουσιώνεται σε απτά αποτελέσµατα και αισιόδοξους στόχους αναφορικά µε τη συνδροµή των πρώτων στα εθνικά ενεργειακά ισοζύγια αρκετών χωρών ανά την υφήλιο (EC, 2001). Εξυπηρετείται µε τον τρόπο αυτό και η πρόσφατη τάση αλλαγής κατεύθυνσης από µοντέλα κεντρικής ηλεκτροπαραγωγής, µε βάση θερµικούς σταθµούς, σε πιο καινοτόµα και ενεργειακά αποδοτικότερα σχήµατα, µε βάση ΑΠΕ (Bayod-Rújula, 2009; Chicco and Mancarella, 2009; Little, 2005) και µε εγγύηση ελάχιστων απωλειών µεταφοράς και διανοµής, περιορισµού των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, σηµαντικής ευελιξίας, καθώς και αυξηµένων επίπεδων αξιοπιστίας αναφορικά µε την ασφάλεια ενεργειακού εφοδιασµού (Pepermans et al., 2005). Στην προσπάθεια όµως αυτή για αναθεώρηση των καθιερωµένων δοµών ηλεκτροπαραγωγής, µείζονος σηµασίας θεωρείται η συµβολή νέων τεχνολογιών (Ackermann et al., 2001) που θα επιτρέψουν τη µεγάλης κλίµακας διείσδυση ΑΠΕ, δηµιουργώντας τις κατάλληλες συνθήκες για την αντιµετώπιση των αρνητικών χαρακτηριστικών που συνοδεύουν τη λειτουργία των αντίστοιχων συστηµάτων, µε αποτέλεσµα την αδυναµία εξυπηρέτησης της ανελαστικής ηλεκτρικής ζήτησης (Σχήµα 1). Πιο συγκεκριµένα, παρόλο που οι τεχνολογίες ΑΠΕ έχουν επιδείξει σηµαντική πρόοδο τα τελευταία χρόνια, η ηλεκτροπαραγωγή από ΑΠΕ παραµένει ακόµα στο περιθώριο των παραδοσιακών µεθόδων παραγωγής ενέργειας µε βάση θερµικές µονάδες, γεγονός που κατά πολλούς επιτρέπει στα συστήµατα αυτά να αποκρύπτουν την εγγενή αδυναµία τους να αναλάβουν την ευθύνη πλήρους ή ακόµα και µεγάλης κλίµακας κάλυψης της ζήτησης σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο. Non-Dimensional Values (% of Max) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Complementarity between Non-Dimensional Wind Potential and Non-Demensional Load Demand Wind Potential Load Demand Hour of the Year Non-Dimensional Values (% of Max) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Complementarity between Non-Dimensional Solar Potential and Non-Demensional Load Demand Solar Potential Load Demand Hour of the Year Σχήµα 1: Επίπεδα συµπληρωµατικότητας µεταξύ αιολικού και ηλιακού δυναµικού µε το φορτίο ζήτησης, για τυπικό, µη διασυνδεδεµένο νησιωτικό δίκτυο. Ταυτόχρονα όµως, η ίδια η λειτουργία των θερµικών µονάδων θέτει και αυτή µε τη σειρά της περιορισµούς στην περαιτέρω διάδοση των συστηµάτων ΑΠΕ (Georgilakis, 2008; Papathanassiou and Boulaxis, 2006; Kaldellis et al., 2004), περιορισµοί που αποκτούν ιδιαίτερα έντονο χαρακτήρα σε περιπτώσεις λιγότερο ευέλικτων µικροδικτύων (π.χ. νησιωτικές περιοχές). Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί η λειτουργία αιολικών πάρκων σε αποµονωµένα µικροδίκτυα, όπου η στοχαστικά µεταβαλλόµενη αιολική παραγωγή υπαγορεύει την επιβολή ανώτατων ορίων διείσδυσης µε στόχο την προστασία τόσο της ασφάλειας εφοδιασµού συνολικά όσο και των Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 3

4 θερµικών µονάδων (τεχνικά ελάχιστα) που αναλαµβάνουν το µεγαλύτερο ποσοστό κάλυψης της τοπικής ζήτησης ειδικότερα. Σηµειώνεται δε πως αντίστοιχης φύσεως είναι τα προβλήµατα που απαντώνται και σε επίπεδο ηπειρωτικού δικτύου, µε τη µέχρι σήµερα συµµετοχή των ΑΠΕ όµως να αντιµετωπίζεται επαρκώς από την ευελιξία που χαρακτηρίζει τα ηλεκτρικά δίκτυα µεγαλύτερης κλίµακας. Για τη στήριξη όµως ικανής διείσδυσης ΑΠΕ τόσο σε επίπεδο κεντρικού ηπειρωτικού δικτύου όσο και σε επίπεδο πιο καινοτόµων σχηµάτων διεσπαρµένης παραγωγής (π.χ. έξυπνα δίκτυα), η εισαγωγή νέων τεχνολογικών λύσεων θεωρείται, όπως ήδη αναφέρθηκε, αναγκαία. Στο πλαίσιο αυτό, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει κατά την πρόσφατη περίοδο στραφεί στις εξής τρεις λύσεις: Ενίσχυση των δικτύων µεταφοράς και διανοµής τόσο σε επίπεδο εθνικού δικτύου / µικροδικτύου όσο και επίπεδο διασυνοριακής ηλεκτρικής διασύνδεσης µε σκοπό την επίτευξη µέγιστης απορρόφησης ΑΠΕ µέσω της βέλτιστης κατανοµής της ενεργειακής παραγωγής µεταξύ διαφορετικών ζωνών κατανάλωσης. Προώθηση έξυπνων ηλεκτρικών δικτύων µε εφαρµογή τεχνικών διαχείρισης ζήτησης σε συνδυασµό µε ανάπτυξη / χρησιµοποίηση ικανών προγνωστικών εργαλείων της παραγωγής από ΑΠΕ. Χρησιµοποίηση τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας για την επίτευξη εξισορρόπησης µεταξύ της παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ και της ηλεκτρικής ζήτησης στο µέγιστο δυνατό βαθµό, αναπτύσσοντας καινοτόµες στρατηγικές ένταξης στα δίκτυα ηλεκτροπαραγωγής. Αναγνωρίζοντας τη δυνατότητα της αποθήκευσης ενέργειας να υποστηρίξει πλήθος εφαρµογών που δεν αναφέρονται αποκλειστικά στη συνεργασία µε µονάδες ΑΠΕ, το αντικείµενο του συγκεκριµένου ερευνητικού έργου αφορά στη µελέτη διαφορετικών τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας, µε έµφαση σε συστήµατα υδρογόνου και τη δυνατότητά τους να στηρίξουν τη µεγάλη κλίµακας διείσδυση ΑΠΕ τα επόµενα χρόνια. Αναφορικά µε τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας, τα οφέλη που προκύπτουν από τη χρήση τους συνοψίζονται στην εκµετάλλευση διαφορετικά απορριπτόµενων ποσών ενέργειας, την αυξηµένη βαρύτητα που προσδίδουν στην ασφάλεια εφοδιασµού και τη βέλτιστη λειτουργία ενός ηλεκτρικού συστήµατος συνολικά, αξιοποιώντας τη ρυθµιστική ικανότητα που χαρακτηρίζει ιδιαίτερα τις µεγάλης κλίµακας εγκαταστάσεις. Στον αντίποδα, οι τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας αντιµετωπίζονται µέχρι σήµερα µε κάποιο σκεπτικισµό εξαιτίας αφενός του υψηλού τους κόστους και αφετέρου των αυξηµένων απωλειών που επιβάλλει η µετατροπή ενέργειας στα διάφορα στάδια λειτουργίας παρόµοιων συστηµάτων. Σε κάθε περίπτωση όµως αναδεικνύεται όλο και πιο έντονα η δυνατότητά τους να συνδράµουν αποφασιστικά στην περαιτέρω προώθηση των ΑΠΕ τόσο σε επίπεδο αυτόνοµου καταναλωτή όσο και σε επίπεδο ηλεκτρικού δικτύου, χωρίς να παραγνωρίζεται το γεγονός πως η αποθήκευση ενέργειας µπορεί να φανεί ιδιαίτερα χρήσιµη σε κάθε κρίκο της ηλεκτρικής αλυσίδας (Makansi and Abboud, 2002), προσελκύοντας το ενδιαφέρον όχι µόνο του διαχειριστή του δικτύου αλλά και ιδιωτών επενδυτών (Zafirakis et al., 2013). Χαρακτηριστικά αναφέρεται το επίκαιρο ενδιαφέρον στην ανάπτυξη και εφαρµογή στρατηγικών εµπορίας ενέργειας στη χονδρική αγορά (ιδιώτες επενδυτές) (Bathurst and Strbac, 2003; Sioshansi et al., 2009; Walawalkar et al., 2007), η χρήση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας για την αποφυγή ενίσχυσης ή κατασκευής νέων δικτύων µεταφοράς ενέργειας (διαχειριστής δικτύου) (Cavallo, 2007), η διαφύλαξη της ποιότητας ισχύος, η θωράκιση των ηλεκτρικών συστηµάτων έναντι της έκθεσής τους σε εισαγωγές ενέργειας, κ.ά. (βλέπε και Σχήµα 2). Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 4

5 Σχήµα 2: Εφαρµογή αποθήκευσης ενέργειας στα διάφορα στάδια της ηλεκτρικής αλυσίδας. Ανακεφαλαιώνοντας, η αποθήκευση ενέργειας βρίσκεται στις µέρες µας αντιµέτωπη µε δύο ταυτόχρονες προκλήσεις (βλέπε και Σχήµα 3): Την επίτευξη βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας των υφιστάµενων ηλεκτρικών δοµών µε ταυτόχρονη εξυπηρέτηση της ανάγκης για αυξηµένη παρουσία ΑΠΕ και ακολούθως τη σηµατοδότηση της αλλαγής κατεύθυνσης προς την εποχή της διεσπαρµένης ηλεκτροπαραγωγής (distributed generation-dg) και των έξυπνων ηλεκτρικών δικτύων. Κατά τη µετάβαση αυτή, ο τοµέας της αποθήκευσης ενέργειας πρέπει να παρουσιασθεί επαρκώς εφοδιασµένος ούτως ώστε να ικανοποιήσει τις υψηλές προσδοκίες που του αποδίδονται, προτάσσοντας παράλληλα την ανάγκη για αυξηµένη διείσδυση ΑΠΕ. Μείζονος σηµασίας στην προσπάθεια αυτή θεωρείται το ευρύ φάσµα τεχνολογικών λύσεων στον τοµέα της αποθήκευσης ενέργειας µε τις πλέον καθιερωµένες τεχνολογίες να περιλαµβάνουν την αντλησιοταµίευση (PHS), τα συστήµατα συµπιεσµένου αέρα (CAES), τα συστήµατα υδρογόνου (FC-HS), τους σφονδύλους (flywheels), τους υπερπυκνωτές (SCs), τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας σε µαγνητικό πεδίο (SMES) και τους διαφορετικούς τύπους συσσωρευτών. Σχήµα 3: Μετάβαση από κεντρικά δίκτυα διανοµής σε σχήµατα διεσπαρµένης παραγωγής µε συµµετοχή συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας και ΑΠΕ. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 5

6 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΝΟΣ ΤΥΠΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Προτού προχωρήσουµε στη λεπτοµερή περιγραφή των διαφορετικών τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας, στην επόµενη παράγραφο γίνεται αναφορά σε κάποιες βασικές έννοιες, όπως η αρχή λειτουργίας, η ροή και µετατροπές ενέργειας, καθώς και άλλα χαρακτηριστικά ενός τυπικού συστήµατος. 2.1 Περιγραφή των Επιµέρους Τµηµάτων Τυπικής ιάταξης Αποθήκευσης Ενέργειας Ένα τυπικό σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας απεικονίζεται στο Σχήµα 4. Τα κύρια τµήµατα περιλαµβάνουν: την πρωτογενή πηγή ενέργειας (energy source) που µπορεί να είναι είτε θερµική είτε να βασίζεται σε ΑΠΕ, είτε ακόµα να αναφέρεται στο ηλεκτρικό δίκτυο συνολικά, τους µετατροπείς ενέργειας εισόδου και εξόδου (power conversion systems (PCS in και PCS out )), τις συσκευές ελέγχου (control panel) και τέλος, την κεντρική µονάδα αποθήκευσης (ESS). Ξεκινώντας από την επικοινωνία µε την πρωτογενή πηγή ενέργειας, η ενέργεια διέρχεται από το πρώτο στάδιο µετατροπής της µε σκοπό την αποθήκευση στο αποθηκευτικό µέσο υπό τη µορφή µηχανικής, χηµικής ή ηλεκτρικής ενέργειας. Οποτεδήποτε εµφανισθεί έλλειµµα ενέργειας στην πλευρά της ζήτησης, το απαιτούµενο ποσό ενέργειας αφαιρείται από την αποθηκευτική µονάδα µε σκοπό τη µετατροπή του σε εναλλασόµενο ρεύµα. Το σύνολο των επιµέρους τµηµάτων επικοινωνίας µε την πρωτογενή πηγή και τη πλευρά της ζήτησης, µαζί µε τις συσκευές ελέγχου και άλλα υποστηρικτικά υποσυστήµατα, αναφέρονται ως βοηθητικά (Butler et al., 2002). Εν συνεχεία, όπως ήδη αναφέρθηκε, η πρωτογενής πηγή ενέργειας µπορεί να είναι είτε το ηλεκτρικό δίκτυο είτε µια εγκατάσταση παραγωγής ενέργειας που στην έξοδό της δίνει εναλλασόµενο ή συνεχές ρεύµα. Ταυτόχρονα, εξαιτίας του γεγονότος πως η πλειονότητα των ηλεκτρικών συσκευών χρησιµοποιεί εναλλασσόµενο ρεύµα, είναι επόµενο πως ο µετατροπέας στην έξοδο του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας αποδίδει κατά κανόνα εναλλασσόµενο ρεύµα. Σχήµα 4: Τυπική διάταξη συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 6

7 2.2 Αρχή Λειτουργίας και Ροή Ενέργειας σε Τυπικό Σύστηµα Αποθήκευσης Ενέργειας Η αρχή λειτουργίας ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας βασίζεται στην αξιοποίηση χαµηλής ενεργειακής αξίας ποσών ενέργειας, τα οποία εµφανίζονται συνήθως κατά τη διάρκεια περιόδων χαµηλής ζήτησης ως πλεονασµατικά, και στη µετέπειτα απόδοσή τους σε περιόδους υψηλής ζήτησης, εφόσον παρουσιασθεί αντίστοιχο έλλειµµα ενέργειας ή ανάγκη για αντικατάσταση πιο ακριβών µονάδων. Ενα απλοποιηµένο προφίλ λειτουργίας, λαµβάνοντας επίσης υπόψη το προφίλ ζήτησης κατά τη διάρκεια της ηµέρας, δίνεται στο Σχήµα 5, όπου κατά κανόνα, οι περίοδοι χαµηλής ζήτησης εµφανίζονται τις τελευταίες νυχτερινές / πρώτες πρωινές ώρες. Στο ενδεχόµενο πλεονάσµατος ενέργειας κατά το διάστηµα αυτό, η περίσσεια αυτή ενέργειας αποθηκεύεται στο µέσο αποθήκευσης σε χρόνο "t ch " (περίοδος φόρτισης συστήµατος). Ακολούθως, µε την έλευση της ηµέρας, οπότε και οι απαιτήσεις κατανάλωσης αυξάνουν σταδιακά, η δυνατότητα για αποθήκευση ενέργειας περιορίζεται σηµαντικά µε αποτέλεσµα το σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας να παραµένει ουσιαστικά αδρανές (περίοδος αδράνειας/ αποθήκευσης"t st "). Στη συνέχεια, κατά το µέσο της ηµέρας και τις πρώτες νυχτερινές ώρες, οπότε και εµφανίζεται αισθητή αύξηση της κατανάλωσης (ώρες αιχµής), τίθεται σε λειτουργία το σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας µε σκοπό είτε την κάλυψη ελλειµµάτων ενέργειας (στην περίπτωση π.χ. αυτόνοµων συστηµάτων) είτε την αποφυγή λειτουργίας άλλων ακριβότερων µονάδων (περίοδος εκφόρτισης του συστήµατος "t dis "). Στο πλαίσιο αυτό, ιδιαίτερης σηµασίας είναι και ο παράγοντας του χρόνου απόκρισης "t r ", ο χρόνος δηλαδή που απαιτείται από το σύστηµα µέχρι να αναλάβει φορτίο από κατάσταση είτε ψυχρής είτε θερµής εφεδρείας. Ο ηµερήσιος κύκλος λειτουργίας ολοκληρώνεται µε τη σταδιακή µείωση της ηλεκτρικής κατανάλωσης µεταµεσονύκτια και την επαναφόρτιση του συστήµατος αποθήκευσης µε νέα ποσά περίσσειας ενέργειας εφόσον αυτά είναι διαθέσιµα. Ταυτόχρονα, µεταξύ των δυνατοτήτων ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας είναι επίσης η πραγµατοποίηση "ενέσεων ισχύος", µε σκοπό τη συνεχή διατήρηση των επιθυµητών επιπέδων συχνότητας και τάσης του δικτύου. Παρότι αποσπασµατική, η ανωτέρω περιγραφή του τρόπου λειτουργίας ενός τυπικού συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας δίνει ένα στίγµα αναφορικά µε τις εφαρµογές που αυτό µπορεί να εξυπηρετήσει, µε το πλήθος των υφιστάµενων τεχνολογιών να είναι επίσης ενδεικτικό των δυνατοτήτων του τοµέα αποθήκευσης ενέργειας συνολικά. Σχήµα 5: Τυπικό προφίλ λειτουργίας συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας για ηµερήσιο κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 7

8 Σε συνέχεια της περιγραφής λειτουργίας ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας, στο Σχήµα 6 παρουσιάζεται η αντίστοιχη ροή ενέργειας ή διαφορετικά το διάγραµµα Sankey ενός συστήµατος αποθήκευσης. Αρχικά, η ενέργεια που προσφέρεται στο σύστηµα κατά την περίοδο φόρτισης υφίσταται απώλειες µεταφοράς, διανοµής και µετατροπής. Οι πρώτες αφορούν στη µεταφορά ενέργειας από την παραγωγική πηγή στο σύστηµα αποθήκευσης, ενώ οι δεύτερες, που συνιστούν και τις πιο σηµαντικές, αναφέρονται στη διαδικασία µετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας για αποθήκευση στο εκάστοτε µέσο. Εντελώς αντίστοιχες είναι και οι απώλειες προς την πλευρά της ζήτησης, κατά την περίοδο εκφόρτισης του συστήµατος, ξεκινώντας τη φορά αυτή από τις απώλειες µετατροπής ενέργειας σε ηλεκτρική, και συνεχίζοντας µε τις απώλειες µεταφοράς και διανοµής. Επιπρόσθετες απώλειες, αν και τις περισσότερες των περιπτώσεων αµελητέες, εµφανίζονται επίσης κατά την περίοδο αδράνειας του συστήµατος (απώλειες αυτοεκφόρτισης η αδράνειας), στενά συνδεδεµένες µε τον τρόπο λειτουργίας του συστήµατος και τη συχνότητα των κύκλων φόρτισηςεκφόρτισης. Αξίζει στο σηµείο αυτό να σηµειωθεί, πως συχνά γίνεται διαχωρισµός των απωλειών µεταφοράς και διανοµής, µε τον όρο απώλειες αποθήκευσης να αναφέρεται κυρίως στις απώλειες µετατροπής και αυτοεκφόρτισης. Η συνολική απόδοση ενός πλήρη κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης, η οποία αποτελεί και χαρακτηριστικό µέγεθος των συστηµάτων αυτών, υπολογίζεται µε βάση την εισερχόµενη και εξερχόµενη από το σύστηµα ενέργεια ως " η = Wh out / Whin " κατά τη διάρκεια του κύκλου. O συγκεκριµένος λόγος λαµβάνει υπόψη του το σύνολο των απωλειών και µόνο στην περίπτωση που οι απώλειες αδρανείας θεωρηθούν αµελητέες ισχύει επίσης ότι " η = η in ηout ", όπου "η in " είναι ο βαθµός απόδοσης φόρτισης (εισόδου) και "η out " ο βαθµός απόδοσης εκφόρτισης. Σε αντίθετη περίπτωση, οπότε και οι απώλειες αυτοεκφόρτισης αποτελούν υπολογίσιµο µέγεθος, ο συνολικός βαθµός απόδοσης δίνεται ως " ηin η = ", όπου "Τ" η διάρκεια ενός 1 1 ηout + T Es ( Eout τ s ) πλήρη κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης, λαµβάνοντας υπόψη και τα διαστήµατα που το σύστηµα παραµένει ανενεργό, "Ε s " και "E out " το ποσό ενέργειας που αποθηκεύεται και αποδίδεται από το σύστηµα αποθήκευσης αντίστοιχα, και "τ s " ο λόγος "Ε s / P loss ", όπου "P loss " είναι η µέση ισχύς απωλειών κατά το διάστηµα αδράνειας του συστήµατος. Σχήµα 6: Τυπικό διάγραµµα Sankey συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 8

9 2.3 Κύρια Χαρακτηριστικά ενός Τυπικού Συστήµατος Αποθήκευσης Ενέργειας Η συνολική αξιολόγηση ενός σύστηµατος αποθήκευσης ενέργειας κρίνεται, εκτός από το βαθµό απόδοσης, από µια σειρά επιπλέον χαρακτηριστικών. Στην ακόλουθη παράγραφο γίνεται αναφορά στα επιµέρους αυτά χαρακτηριστικά που διαφοροποιούν τη συµπεριφορά των διαφόρων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας και που αναδεικνύουν -για πλήθος εφαρµογών- τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα του κάθε συστήµατος έναντι των υπολοίπων. Ονοµαστική ισχύς και αυτονοµία Η ονοµαστική ισχύς ενός συστήµατος αποθήκευσης καθορίζεται από τις ανάγκες ηλεκτρικής ζήτησης και πιο συγκεκριµένα τη µέγιστη εµφανιζόµενη ζήτηση που το σύστηµα καλείται να εξυπηρετήσει. Σε κάθε περίπτωση όµως, πρέπει να διευκρινιστεί πως ενώ η ονοµαστική ισχύς του συστήµατος συνήθως ταυτίζεται µε την ισχύ εξόδου, υπάρχει και η αντίστοιχη ισχύς εισόδου η οποία µε τη σειρά της εξαρτάται από την αντίστοιχη µέγιστη εµφανιζόµενη περίσσεια ισχύος που το σύστηµα καλείται να απορροφήσει. Σηµειώνεται παρόλα αυτά πως η διαστασιολόγηση των επιµέρους τµηµάτων ενός συστήµατος αποθήκευσης αποτελεί πρόβληµα βελτιστοποίησης και δεν εξαρτάται απαραίτητα από τις µέγιστες τιµές ελλείµατος και πλεονάσµατος ενέργειας αντίστοιχα. Άµεσα συνδεδεµένη µε την ονοµαστική ισχύ του συστήµατος είναι και η αποθηκευτική του ικανότητα, ή διαφορετικά ενεργειακή χωρητικότητα ή διαφορετικά αυτονοµία, µε τον όρο να αναφέρεται στο συνεχές διάστηµα που το σύστηµα δύναται να λειτουργήσει στο ονοµαστικό του σηµείο µέχρι εξάντλησης των ενεργειακών του αποθεµάτων (αποθηκευµένη ενέργεια). Ενεργειακή χωρητικότητα και ωφέλιµη ενεργειακή χωρητικότητα Η ενεργειακή χωρητικότητα, στην οποία αναφερθήκαµε και προηγούµενα, καθορίζει το µέγεθος του συστήµατος αποθήκευσης. Η ίδια καθορίζεται µε βάση τις απαιτήσεις ονοµαστικής ισχύος του συστήµατος, τις απαιτήσεις αυτονοµίας, το βαθµό απόδοσης και την ικανότητά του να εκτελεί βαθιές εκφορτίσεις. Ταυτόχρονα όµως, περιορισµοί συνήθως οικονοµικού χαρακτήρα- δεν επιτρέπουν πάντοτε τον καθορισµό της ενεργειακής χωρητικότητας ενός συστήµατος µε ενεργειακά µόνο κριτήρια. Επιπρόσθετα, από τη στιγµή που η πλήρης εκφόρτιση ενός συστήµατος δεν αποτελεί υπό φυσιολογικές συνθήκες επιλογή, χρησιµοποιείται επίσης ο όρος ωφέλιµη ενεργειακή χωρητικότητα, ακριβώς για να καταδείξει το γεγονός πως µέρος της αποθηκευµένης ενέργειας δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί για λόγους ασφαλείας και καλής λειτουργίας του συστήµατος. Χρόνος εκφόρτισης, χρόνος απόκρισης, περίοδος αποθήκευσης Ο χρόνος εκφόρτισης και ο χρόνος απόκρισης αποτελούν δύο πολύ κρίσιµες παραµέτρους για ένα σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας. Παρόλο που η διάρκεια εκφόρτισης, ή αυτονοµία, µπορεί να θεωρηθεί ως εξαρτηµένη της ενεργειακής χωρητικότητας και της ισχύος εξόδου του συστήµατος, ο χρόνος απόκρισης αποτελεί εγγενές χαρακτηριστικό της κάθε τεχνολογίας, σαφώς εξαρτώµενος και από την κατάσταση αναµονής του συστήµατος (δηλ. ψυχρή ή θερµή εφεδρεία). Στο πλαίσιο αυτό, συστήµατα αποθήκευσης µε χαµηλούς χρόνους απόκρισης (ή χρόνους ανάληψης φορτίου) µπορούν να ανταποκριθούν άµεσα όταν παραστεί ανάγκη παραγωγής ενέργειας, σε αντίθεση µε συστήµατα που εµφανίζουν υψηλούς χρόνους και περιορίζονται σε εφαρµογές µε συγκεριµένα χρονοδιαγράµµατα. Επιπρόσθετα, αξίζει επίσης να σηµειωθεί πως τόσο ο ρυθµός φόρτισης όσο και ο ρυθµός εκφόρτισης επηρεάζουν σηµαντικά τη συµπεριφορά ενό συστήµατος, µε ακραίες επιλογές να έχουν επιπτώσεις τόσο στο βαθµό απόδοσης όσο και στη διάρκεια ζωής (κυρίως για συσσωρευτές). Ανάλογο είναι εξάλλου το αποτέλεσµα σε περίπτωση που το σύστηµα παραµείνει αδρανές για µεγάλο χρονικό διάστηµα, οπότε και οι απώλειες αυτοεκφόρτισης µεγιστοποιούνται. Το µέγεθος των απωλειών εκφόρτισης είναι και αυτό µε τη σειρά του καθοριστικό για την επιλογή του τρόπου λειτουργίας και ένταξης ενός τέτοιου συστήµατος σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο δεδοµένων προδιαγραφών, µε τεχνολογίες που χαρακτηρίζονται από υψηλούς ρυθµούς αυτοεκφόρτισης να θεωρούνται κατάλληλες για επαναλαµβανόµενους κύκλους λειτουργίας µε το δυνατόν µικρότερο χρόνο παραµονής του συστήµατος σε κατάσταση αναµονής (π.χ. εφαρµογές εξοµάλυνσης συχνότητας και τάσης). Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 9

10 Βαθµός απόδοσης και ενεργειακός χρόνος απόσβεσης Υπάρχει πλήθος εκφράσεων για την αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης ενός συστήµατος αποθήκευσης, µε τους καθιερωµένους όρους να περιλαµβάνουν το συνολικό βαθµό απόδοσης, την αναλογία ενέργειας εισόδου-εξόδου και τον ενεργειακό χρόνο απόσβεσης. Ο συνολικός βαθµός απόδοσης, όπως αναφέρθηκε ήδη, συγκρίνει τα ποσά ενέργειας που εισέρχονται και εξέρχονται από το σύστηµα " η = Wh out / Whin ", λαµβάνοντας υπόψη επίσης τις απώλειες αυτοεκφόρτισης και ενδεχόµενα τις απώλειες µεταφοράς και διανοµής από και προς το σύστηµα. Αυτό βέβαια προϋποθέτει πως όπως είδαµε και προηγουµένως αναφερόµαστε σε ένα πλήρη κύκλο φόρτισηςεκφόρτισης. Την ίδια στιγµή, η αναλογία εισερχόµενης-εξερχόµενης ενέργειας "ER" εκφράζει τον ακριβώς αντίστροφο λόγο του βαθµού απόδοσης " ER = Wh in / Whout ". Τέλος, η περίοδος ενεργειακής απόσβεσης αποτελεί ένα σχετικά καινούριο µέτρο ενεργειακής / περιβαλλοντικής αξιολόγησης ενός συστήµατος αποθήκευσης και υπολογίζεται ως ο λόγος της απαιτούµενης ενέργειας του συστήµατος σε επίπεδο κύκλου ζωής (κατασκευή, εγκατάσταση, λειτουργία και απόσυρση του συστήµατος) προς την ενέργεια που το σύστηµα παράγει σε ετήσια βάση Σηµειώνεται στο σηµείο αυτό πως παρόλο που σε πρώτη ανάγνωση οι πρόσθετες απώλειες και οι πρόσθετες ενεργειακές ανάγκες που επιβάλλει η προσθήκη ενός συστήµατος αποθήκευσης φαίνεται να προεξοφλούν την αύξηση του ενεργειακού χρόνου απόσβεσης (καθότι το σύστηµα δεν παράγει επιπλέον ποσά ενέργειας παρά µόνο διαχειρίζεται την ήδη υφιστάµενη παραγωγή), η µέγιστη αξιοποίηση της παραγόµενης ενέργειας από την πρωτογενή πηγή µε σκοπό την κάλυψη της κατανάλωσης (ως το αποτέλεσµα της καλύτερης διαχείρισης της παραγόµενης ενέργειας που ελαχιστοποιεί τις απορρίψεις) ενδέχεται να επιφέρει ακόµα και µείωση του ενεργειακού χρόνου απόσβεσης (Kaldellis et al., 2009a). Αυτοεκφόρτιση, παρασιτικές απώλειες, µηχανισµοί γήρανσης, µέγιστο βάθος εκφόρτισης Η αυτοεκφόρτιση, οι µηχανισµοί γήρανσης και το βάθος εκφόρτισης αποτελούν εγγενή χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τη συµπεριφορά των συστηµάτων αποθήκευσης συνολικά. Όπως ήδη αναφέρθηκε, το µέγεθος των απωλειών αυτοεκφόρτισης καθορίζει το µέγιστο διάστηµα παραµονής σε κατάσταση αδράνειας / αναµονής, διαχωρίζοντας µε τον τρόπο αυτό το πεδίο εφαρµογών µεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών. Ταυτόχρονα, για την ελαχιστοποίηση των απωλειών αυτοεκφόρτισης ή / και τη διατήρηση κατάλληλων συνθηκών λειτουργίας, πολλές τεχνολογίες αποθήκευσης απαιτούν προσφορά πρόσθετων ποσών ενέργειας, όπως για παράδειγµα πρόσδοση θερµότητας ή διατήρηση ψυχρού περιβάλλοντος. Αυτές οι επιπλέον απαιτήσεις ενέργειας που δεν εντάσσονται στις καθιερωµένες µορφές απωλειών αποτελούν τις λεγόµενες παρασιτικές απώλειες. Οι µηχανισµοί γήρανσης στη συνέχεια συναντώνται στα συστήµατα συσσωρευτών και αφορούν χηµικές αλλά και µηχανικές διεργασίες που συντελούν σε σταδιακή ή και πιο απότοµη υποβάθµιση / απαξίωση των λειτουργιών του συστήµατος (Ruetschi, 2004). Το δε µέγιστο βάθος εκφόρτισης "DOD max " καθορίζει το µέγιστο απολήψιµο ποσό ενέργειας ως ποσοστό επί της συνολικής ενεργειακής χωρητικότητας του συστήµατος, λαµβάνοντας υπόψη την ανάγκη για ασφαλή λειτουργία και παρατεταµένη διάρκεια ζωής. Συµπληρωµατικό µέγεθος του βάθους εκφόρτισης αποτελεί η κατάσταση (στάθµη) φόρτισης του συστήµατος "SOC", µε την ελάχιστη τιµή "SOC min " να ισούται µε τη διαφορά "1 - DOD max ". Ενεργειακή πυκνότητα και πυκνότητα ισχύος Ιδιαίτερα σηµαντικές παραµέτρους για το χαρακτηρισµό ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας αποτελούν η ενεργειακή πυκνότητα και η πυκνότητα ισχύος, εκφρασµένες είτε κατ όγκο είτε κατά βάρος (kwh/m 3, kwh/kg, kw/m 3, kw/kg). Και στις δύο περιπτώσεις, κρίσιµος είναι ο καθορισµός των ορίων του συστήµατος που µπορεί είτε να περιορίζεται στο αποθηκευτικό µέσο είτε να επεκτείνεται ώστε να συµπεριλάβει και επιµέρους τµήµατα ολόκληρης της εγκατάστασης (Kondoh et al., 2000). Στο πλαίσιο αυτό, οι απαιτήσεις σε χώρο και µέγιστο βάρος µπορούν για ορισµένες εφαρµογές όπως η αυτοκίνηση να παίξουν σηµαντικό ρόλο, αναδεικνύοντας την ενεργειακή ή την πυκνότητα ισχύος σε καθοριστικές παραµέτρους για την επιλογή του κατάλληλου συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 10

11 Επιπτώσεις στο περιβάλλον Παρότι η χρήση των συστηµάτων αποθήκευσης είναι συνδεδεµένη µε την προώθηση των ΑΠΕ, τα πρώτα δεν είναι απαλλαγµένα περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις µπορούν να προκληθούν από τη µη σωστή διαχείριση αποβλήτων, π.χ. κατά την απόσυρση συσσωρευτών, από τη χρήση καυσίµου όπως στην περίπτωση της αποθήκευσης µε συµπιεσµένο αέρα, ή από οποιαδήποτε άλλου τύπου επιβάρυνση σε επίπεδο κύκλου ζωής (Denholm and Kulcinski, 2004; Rydh and Sandén, 2005a) µέσω π.χ. της κατανάλωσης ενέργειας που ενσωµατώνεται στις διάφορες διεργασίες / διαδικασίες όσο και µέσω της εκποµπής CO 2 και ρυπογόνων ενώσεων (Denholm and Kulcinski, 2004). Σε κάθε περίπτωση όµως η δίκαιη αντιµετώπιση των συστηµάτων αποθήκευσης υπαγορεύει αφενός τη σύγκριση µε εναλλακτικές λύσεις, που συνήθως βασίζονται στη λειτουργία θερµικών µονάδων ηλεκτροπαραγωγής, και αφετέρου στην υπογράµιση του γεγονότος πως τα συστήµατα αυτά ανακτούν ποσά ενέργειας που διαφορετικά παραµένουν αναξιοποίητα (Weisser, 2007). ιάρκεια ζωής και κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης Η διάρκεια ζωής ενός συστήµατος αποθήκευσης εκφράζεται είτε σε έτη, λαµβάνοντας υπόψη ένα µέσο κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης, είτε σε συνολικό αριθµό κύκλων. Όπως ήδη αναφέρθηκε, η διάρκεια ζωής ενός συστήµατος αποθήκευσης (ιδιαίτερα των συσσωρευτών) εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τις συνθήκες λειτουργίας και ιδιαίτερα από τα χαρακτηριστικά εκφόρτισης, µε τις βαθιές εκφορτίσεις να προκαλούν µείωση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής του συστήµατος. Εν συνεχεία, η περιοδικότητα και η κατανοµή στο χρόνο των κύκλων λειτουργίας παίζει επίσης σηµαντικό ρόλο στη µακροχρόνια απόδοση ενός συστήµατος, επηρεάζοντας σηµαντικά παράγοντες όπως οι µηχανισµοί γήρανσης (Ruetschi, 2004). Παράµετροι κόστους Το αρχικό κόστος επένδυσης ενός συστήµατος αποθήκευσης συνήθως αναφέρεται σε τρεις κύριες συνιστώσες, δηλαδή το κόστος των υποσυστηµάτων µετατροπής ενέργειας, το κόστος της µονάδας αποθήκευσης και τέλος το κόστος των περιφερειακών υποσυστηµάτων της εγκατάστασης (Schoenung and Hassenzahl, 2003). Στο πλαίσιο αυτό, το αρχικό κόστος επένδυσης εκφράζεται αφενός σε σχέση µε τη ενεργειακή χωρητικότητα του συστήµατος ( /kwh) και αφετέρου σε σχέση µε την ονοµαστική ισχύ των υποσυστηµάτων εισόδου και εξόδου ( /kw). Όπως είναι επόµενο, το αρχικό κόστος ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας είναι άµεσα συνδεδεµένο µε το µέγεθος του συστήµατος, χωρίς όµως να είναι απαραίτητα ανάλογο, εξαιτίας της παρουσίας οικονοµιών κλίµακας. Σε κάθε περίπτωση, και για ευθεία σύγκριση µεταξύ των διαφορετικών συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας, προτείνεται ο υπολογισµός του κόστους παραγωγής ( /kwh) που εκτός του κόστους συντήρησης και λειτουργίας, λαµβάνει επίσης υπόψη την πραγµατικά ωφέλιµη ενέργεια του συστήµατος καθώς και την αντίστοιχη διάρκεια ζωής (Kaldellis and Zafirakis, 2007; Kaldellis et al., 2009b). Άλλα χαρακτηριστικά Επιπλέον χαρακτηριστικά των τεχνολογιών αποθήκευσης, που δεν αποτελούν ποσοτικές παραµέτρους αλλά µπορούν να αποδειχθούν καθοριστικά για την επιλογή ενός συστήµατος, περιλαµβάνουν µεταξύ άλλων την ωριµότητα, τη δυνατότητα προσαρµογής στην περιοχή ενδιαφέροντος, τυχόν περιορισµούς που σχετίζονται µε την αρχή λειτουργίας του συστήµατος, το προφίλ και την αξιοπιστία των προµηθευτών στην εγχώρια και διεθνή αγορά, κλπ. 3. ΠΕ ΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η αποθήκευση ενέργειας βρίσκεται, όπως ήδη αναφέρθηκε, αντιµέτωπη µε δύο ταυτόχρονες προκλήσεις: Τη βελτίωση λειτουργίας των υφιστάµενων δοµών ηλεκτροπαραγωγής και την προώθηση νέων µοντέλων αειφορίας, µέσω της προσφοράς ουσιαστικής στήριξης σε τεχνολογίες ΑΠΕ. Για να ανταπεξέλθει στις προκλήσεις αυτές, ο τοµέας της αποθήκευσης ενέργειας καλείται Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 11

12 να εξυπηρετήσει ένα πλήθος εφαρµογών, τόσο καθιερωµένων όσο και πιο καινοτόµων. Εξάλλου, αξίζει να σηµειωθεί πως εξαιτίας της πληθώρας τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας, το πεδίο εφαρµογής των συστηµάτων αυτών συνεχώς επεκτείνεται, δηµιουργώντας νέες ανάγκες και υψηλές προσδοκίες για το µέλλον του τοµέα συνολικά. Μια πρώτη προσπάθεια οµαδοποίησης του πλήθους εφαρµογών της αποθήκευση ενέργειας στον τοµέα της ηλεκτροπαραγωγής βασίζεται στις απαιτήσεις ενέργειας και ισχύος. ιακρίνονται έτσι οι δύο ακραίες περιοχές της διαχείρισης ενέργειας (energy management) και της ποιότητας ισχύος (power quality) µε πλήθος εφαρµογών όµως να εµπίπτει και στον ενδιάµεσο χώρο της περιοχής bridging power (ESA, 2009a). Η περιοχή της διαχείρισης ενέργειας περιλαµβάνει εφαρµογές που συνδέονται µε την ανάγκη για την εναρµόνιση µεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας και αναφέρεται σε συστήµατα µεγάλης κλίµακας µε ικανή ενεργειακή χωρητικότητα, απόδοση ισχύος και µακρές περιόδους αποθήκευσης υπό χαµηλούς ρυθµούς αυτοεκφόρτισης. Η ενδιάµεση περιοχή του bridging power στη συνέχεια περιορίζεται σε εφαρµογές απόδοσης ενέργειας για µικρότερα χρονικά διαστήµατα (µερικά λεπτά της ώρας) και µέση απόδοση ισχύος, ενώ η περιοχή ποιότητας ισχύος και αξιοπιστίας αφορά σε εφαρµογές διάρκειας δευτερολέπτων που ενδέχεται όµως να συνοδεύονται από ιδιαίτερα υψηλή απόδοση ισχύος. Ένας δεύτερος διαχωρισµός των εφαρµογών αποθήκευσης ενέργειας (Butler et al., 2002) βασίζεται στα διάφορα στάδια της αλυσίδας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας (βλέπε και Σχήµα 2), δηλαδή την παραγωγή, τη µεταφορά, τη διανοµή και την τελική κατανάλωση. Σχηµατικά τα ανωτέρω συνοψίζονται στο Σχήµα 7, συµπεριλαµβάνοντας και την περιοχή στήριξης ΑΠΕ η οποία ουσιαστικά συγκεντρώνει τα χαρακτηριστικά των υπόλοιπων τριών µε σηµείο αναφοράς τις ΑΠΕ, συχνά όµως αναφέρεται ξεχωριστά, ακριβώς για να της αποδίδεται η σηµασία που της αναλογεί. Σχήµα 7: Πεδία εφαρµογών αποθήκευσης ενέργειας. 3.1 Παραγωγή Ενέργειας (Generation) Θερµή (περιστρεφόµενη) ή ψυχρή εφεδρεία (Rapid or spinning reserve or contingency reserve) Για την επίτευξη αυξηµένων επιπέδων ασφάλειας ενεργειακού εφοδιασµού, η παρουσία εφεδρειών σε ένα ηλεκτρικό σύστηµα είναι απαραίτητη. Η καθιερωµένη πρακτική αναφορικά µε την εκπλήρωση του σκοπού αυτού είναι η χρησιµοποίηση θερµικών µονάδων. Στο πλαίσιο αυτό, η ανάγκη για εφεδρεία µπορεί να καλυφθεί είτε από το περιθώριο θερµικών µονάδων που βρίσκονται Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 12

13 ήδη σε λειτουργία να µεγιστοποιήσουν την αποδιδόµενη ισχύ τους, είτε µε το να τεθούν σε λειτουργία νέες µονάδες, ευρισκόµενες σε θερµή ή σε ψυψρή εφεδρεία. Στην πρώτη περίπτωση, περαιτέρω αύξηση του φορτίου που αναλαµβάνει µια θερµική µονάδα συνεπάγεται συνήθως λειτουργία εκτός της optimum περιοχής (χαµηλότερος βαθµός απόδοσης και άρα υψηλότερη ειδική κατανάλωση) ενώ στη δεύτερη, η απασχόληση µιας επιπλέον θερµικής µονάδας (συνήθως αεριοστρόβιλοι) που συνοδεύεται από χαµηλό συντελεστή χρήσης εκτοξεύει το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τη θέση των µονάδων αυτών µπορούν να πάρουν κατάλληλα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας που υπό την προϋπόθεση του σωστού σχεδιασµού εγγυώνται σηµαντικά οφέλη, εξαιτίας της δυνατότητάς τους να ανακτούν απαξιωµένα ποσά ενέργειας µε σκοπό την υποκατάσταση αντίστοιχων ποσών ενέργειας µε µεγαλύτερη ενεργειακή αλλά και οικονοµική αξία (π.χ. αιχµιακά φορτία). Έλεγχος συχνότητας δικτύου (Area control and frequency responsive reserve) Παρόλο που τα µεγάλης κλίµακας ηλεκτρικά δίκτυα έχουν τη δυνατότητα εξισορρόπησης και καλύτερης κατανοµής της παραγωγής ενέργειας ώστε να αποφεύγονται φαινόµενα αστάθειας και αδυναµίας εξυπηρέτησης του καταναλωτικού κοινού (λόγω του αριθµού των παραγωγών µονάδων και του ισχυρού δικτύου µεταφοράς και διανοµής), το ίδιο δεν ισχύει για τα ασθενέστερα µικροδίκτυα όπου οι διακυµάνσεις στην παραγωγή ενέργειας, ως αποτέλεσµα ενδεχόµενης αυξηµένης συµµετοχής παραγωγής από ΑΠΕ, είναι πιθανόν να προκαλέσουν διαταραχές στη συχνότητα του δικτύου. Στο πλαίσιο αυτό, τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας µπορούν αναλάβουν ρυθµιστικό ρόλο για τη διόρθωση και αντιµετώπιση των διαταραχών αυτών µέσω "ενέσεων ισχύος", ρόλος που µπορούν να επιτελέσουν τόσο µεγαλύτερης όσο και µικρότερης κλίµακας τεχνολογίες. Εµπορία ενέργειας και εξισορρόπηση φορτίου (Commodity storage or load levelling or arbitrage) Η εξισορρόπηση φορτίου µε όρους εµπορίας η µή, αποτελεί ίσως τη σηµαντικότερη εφαρµογή των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας. Η ικανοποίηση και γενικότερα αντιµετώπιση των φορτίων αιχµής παραµένει ακόµα και σήµερα ζητούµενο για τους διαχειριστές ηλεκτρικών δικτύων. Όπως και στην περίπτωση της περιστρεφόµενης εφεδρείας, έτσι και στην εξισορρόπηση φορτίου τα συστήµατα αποθήκευσης καλούνται να χρησιµοποιήσουν αποθηκευµένη ενέργεια χαµηλής αξίας µε σκοπό την ικανοποίηση φορτίων αιχµής, επιτυγχάνοντας µε τον τρόπο αυτό µεταφορά ενέργειας από διαστήµατα χαµηλής σε διαστήµατα υψηλής κατανάλωσης. Η συγκεκριµένη πρακτική προσελκύει επίσης το ενδιαφέρον ιδιωτών επενδυτών, οι οποίοι αναζητούν την εφαρµογή της βέλτιστης στρατηγικής εµπορίας στη χονδρική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας µε σκοπό την εκµετάλλευση των εµφανιζόµενων spreads στην τιµή της ηλεκτρικής ενέργειας µεταξύ των περιόδων υψηλής και χαµηλής ζήτησης. 3.2 Μεταφορά και ιανοµή (Transmission and Distribution) Ευστάθεια δικτύου µεταφοράς (Transmission system stability) Κατά τη διάρκεια εξέλιξης φαινοµένων αστάθειας σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο παρατηρείται αδυναµία συγχρονισµού µεταξύ των παραγωγών µονάδων και του υπόλοιπου δικτύου που εφόσον υπερβεί τα όρια ανοχής µπορεί να οδηγήσει ακόµα και σε κατάρρευση του συστήµατος (black-out). Από τη στιγµή που πρωταρχική αιτία για την εκδήλωση τέτοιων φαινοµένων είναι οι διαταραχές που παρατηρούνται στο φορτίο ζήτησης, η χρησιµοποίηση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας στο πλαίσιο αυτό µπορεί να αποδειχθεί πολύτιµη, επιτυγχάνοντας εξοµάλυνση του φορτίου που θα σηµάνει την αντιµετώπιση των διαταραχών και την ελαχιστοποίηση του κινδύνου για κατάρρευση του συστήµατος. Ρύθµιση τάσεως στο σύστηµα µεταφοράς (Transmission voltage regulation) Για την επίτευξη σταθερής τάσης σε όλο το δίκτυο µεταφοράς, είναι απαραίτητες ενέσεις άεργης ισχύος. Ως εκ τούτου, για την αντιµετώπιση των διακυµάνσεων τάσης, η συνήθης πρακτική επιβάλλει τη χρήση πυκνωτών. Αντίστοιχο αντισταθµιστικό ρόλο µπορούν να επιτελέσουν και τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 13

14 Αποφυγή ενίσχυσης δικτύου µεταφοράς-διανοµής (Transmission-distribution facility deferral) Το εν λόγω πεδίο επίσης αποτελεί µεγάλη πρόκληση για τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας. Τα ηλεκτρικά δίκτυα βρίσκονται συνέχεια αντιµέτωπα µε την ανάγκη για κάλυψη ολοένα και µεγαλύτερης ηλεκτρικής κατανάλωσης και συγκεκριµένα αιχµών που δοκιµάζουν τη φέρουσα ικανότητα του συστήµατος µεταφοράς. Ταυτόχρονα, η ενίσχυση των γραµµών µεταφοράς για την ικανοποίηση αυξηµένων αιχµών µπορεί να καταλήξει σε χαµηλό συντελεστή χρήσης των γραµµών συνολικά, φανερώνοντας την απουσία σκοπιµότητας υπερδιαστασιολόγησης των συστήµατος µεταφοράς για την κάλυψη αυξηµένου αιχµιακού φορτίου. Ως εναλλακτική λύση, προτείνεται η χρησιµοποίηση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας στην πλευρά της τελικής κατανάλωσης. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η αντιµετώπιση των αιχµιακών φορτίων µέσω της χρήσης αποθεµάτων ενέργειας από τη µονάδα αποθήκευσης, η οποία προηγούµενα, και µε τη δηµιουργία τεχνητής ζήτησης, επιβάλλει τη µεταφορά µεγαλύτερων ποσών ενέργειας (σε σχέση µε τα απαιτούµενα) σε περιόδους χαµηλής ζήτησης. Παράλληλα, η χρησιµοποίηση των συστηµάτων αποθήκευσης σε τέτοιου τύπου εφαρµογές είναι δυνατόν να ανακουφίσει συνολικά τις γραµµές µεταφοράς µε σκοπό την επίτευξη βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας που θα ελαχιστοποιήσουν τις ανάγκες συντήρησης και θα παρατείνουν τη ζωή της εγκατάστασης. Σε κάθε περίπτωση, η επιλογή για εγκατάσταση ενός συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας έναντι της ενίσχυσης του δικτύου συνδέεται άµεσα µε τα χαρακτηριστικά των δύο επιλογών (π.χ. κρίσιµο µήκος γραµµής µεταφοράς). 3.3 Τελική Κατανάλωση (Customer Service) ιαχείριση ενέργειας ή αντιµετώπιση αιχµών ή µείωση τιµολογίων (Energy management or peak shaving or demand charge reduction) Η έννοια της διαχείρισης ενέργειας αποκτά στη συγκεκριµένη εφαρµογή οικονοµική διάσταση µε σκοπό την εξοικονόµηση χρηµάτων µέσω της αντιµετώπισης αιχµών κατανάλωσης που ενεργοποιούν υψηλότερες κλίµακες τιµολογίων. Αντιµετωπίζοντας τις αιχµές µε προηγούµενα αποθηκευµένη ενέργεια από το δίκτυο σε περίοδους χαµηλής ζήτησης, δίνεται το περιθώριο για εξορθολογισµό της κατανάλωσης µε συγκεκριµένο οικονοµικό αποτέλεσµα, ιδιαίτερα σε τελικούς καταναλωτές του τριτογενή τοµέα, π.χ. βιοµηχανικές µονάδες. Ποιότητα ισχύος και αξιοπιστία (Power quality and reliability) Οι αρµονικές παραµορφώσεις, οι βυθίσεις και απότοµες αυξήσεις της τάσης καθώς και άλλου τύπου διαταραχές του ηλεκτρικού δικτύου µπορούν να επηρεάσουν τη λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών σε επίπεδο τελικού καταναλωτή. Ο ρόλος των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας στην περίπτωση αυτή αναφέρεται σε µικρότερης κλίµακας συσκευές, π.χ. συσκευές αδιάλειπτης ισχύος, που σκοπό τους έχουν να προφυλάξουν τις ηλεκτρικές συσκευές µέσω εξασφάλισης µικρής διάρκειας αυτονοµίας µέχρι της επαναφοράς των επιθυµητών χαρακτηριστικών του παρεχόµενου από το δίκτυο ηλεκτρικού ρεύµατος. Στήριξη µονάδων ΑΠΕ (Renewable energy) Η συνεργασία µε τις ΑΠΕ θεωρείται ως το πλέον ελπιδοφόρο πεδίο εφαρµογής και ταυτόχρονα η µεγαλύτερη πρόκληση για τον τοµέα αποθήκευσης ενέργειας. Όπως αναφέρθηκε ήδη, η ανάγκη για µεγαλύτερη διείσδυση ΑΠΕ τα επόµενα χρόνια εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από την παρουσία και το ρόλο των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας, τόσο σε επίπεδο κεντρικών δικτύων ηλεκτροπαραγωγής όσο και σε επίπεδο πιο καινοτόµων έξυπνων µικροδικτύων για την προώθηση µοντέλων διεσπαρµένης παραγωγής. Μέσω της καθιέρωσης της συνεργασίας µεταξύ ΑΠΕ και αποθήκευσης ενέργειας, το άµεσο όφελος της παροχής εγγυηµένης ενέργειας πράσινης προέλευσης σε συνδυασµό µε τα αυξηµένα επίπεδα ενεργειακής ασφάλειας που η προώθηση παρόµοιων µοντέλων εγγυάται, δηµιουργούν τις προϋποθέσεις για τη στήριξη και της αγοράς των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας. Για το λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η ανάδειξη του συνόλου των οφελών που προκύπτουν από την εισαγωγή τέτοιων συστηµάτων σε επίπεδο ηλεκτρικού δικτύου, µε σκοπό την ανάπτυξη κατάλληλων πολιτικών και κινήτρων για το άνοιγµα της αγοράς Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 14

15 αποθήκευσης ενέργειας και την ουσιαστική συµβολή των τελευταίων στη προσπάθεια για περαιτέρω διείσδυση των ΑΠΕ (Zafirakis et al., 2013). 3.4 Απαιτήσεις Εφαρµογών Αποθήκευσης Ενέργειας Οι απαιτήσεις των διαφόρων εφαρµογών που περιγράψαµε νωρίτερα αποτυπώνονται στο ποιοτικό διάγραµµα του Σχήµατος 8, όπου για κάθε µία από τις εφαρµογές λαµβάνεται υπόψη ένα εύρος τιµών επιθυµητής ισχύος σε συνδυασµό µε τα αντίστοιχα διαστήµατα αυτονοµίας, µε το γινόµενο των δύο παραµέτρων να δίνει παράλληλα µια εκτίµηση της απαιτούµενης ενεργειακής χωρητικότητας ανά κατηγορία εφαρµογής. Σύµφωνα µε το σχήµα, η περιστρεφόµενη εφεδρεία και οι εφαρµογές ευστάθειας καθώς και αποφυγής ενίσχυσης δικτύου εµφανίζουν τις υψηλότερες απαιτήσεις ισχύος, µε την περιστρεφόµενη εφεδρεία να παρουσιάζει επίσης και τις µεγαλύτερες απαιτήσεις ενεργειακής χωρητικότητας, σε αντίθεση µε τις εφαρµογές ευστάθειας δικτύου όπου απαιτείται απόδοση ικανής ισχύος για µικρό όµως χρονικό διάστηµα. Στο κάτω αριστερό άκρο του γραφήµατος συναντώνται οι εφαρµογές ποιότητας ισχύος και αξιοπιστίας µε µικρές απαιτήσεις τόσο αποδιδόµενης ισχύος όσο και ενεργειακές, ενώ τέλος, οι εφαρµογές ΑΠΕ, όπως έχει ήδη διαπιστωθεί, καλύπτουν ένα ιδιαίτερα ευρύ φάσµα, αναδεικνύοντας ταυτόχρονα και τη σηµασία επένδυσης στη συνεργασία µεταξύ αποθήκευσης ενέργειας και ΑΠΕ. Σχήµα 8: Κατάταξη των κατηγοριών εφαρµογής µε γνώµονα τις απαιτήσεις ισχύος και αυτονοµίας. Στη συνέχεια, στο Σχήµα 9 παρουσιάζονται οι ίδιες εφαρµογές, αυτή τη φορά λαµβάνοντας υπόψη τους κύκλους λειτουργίας, τις απαιτήσεις χώρου αλλά και τη φορητότητα που τις χαρακτηρίζει. Στο πλαίσιο αυτό, οι εφαρµογές για τη διατήρηση συχνότητας δικτύου εµφανίζουν τις µεγαλύτερες απαιτήσεις από τη σκοπιά των κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης (λόγω της συνεχούς απαίτησης για "ενέσεις ισχύος"). Στον αντίποδα, για την πλειονότητα των εφαρµογών, τόσο η φορητότητα όσο και οι απαιτήσεις χώρου αποτελούν κρίσιµα ζητήµατα, υπογραµµίζοντας µε τον τρόπο αυτό τη σπουδαιότητα του σωστού σχεδιασµού για εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 15

16 Σχήµα 9: Κατάταξη των κατηγοριών εφαρµογής µε γνώµονα τις απαιτήσεις χώρου, κύκλων λειτουργίας και φορητότητας 4. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας χωρίζονται σε τρεις βασικές κατηγορίες, άµεσα συνδεδεµένες µε την αρχή λειτουργίας τους και τον τρόπο αποθήκευσης της ενέργειας: Μηχανικά συστήµατα (σφόνδυλοι, αντλησιοταµίευση και συµπιεσµένος αέρας) Χηµικά συστήµατα (συσσωρευτές, στοιχεία ροής, και συστήµατα υδρογόνου) Ηλεκτρικά συστήµατα (υπερπυκνωτές και αποθήκευση σε µαγνητικό πεδίο) 4.1 Μηχανικά Συστήµατα Αντλησιοταµίευση (PHS) Η αντλησιοταµίευση θεωρείται ως η πλέον ώριµη τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας µε τη συνολική εγκατεστηµένη ισχύ παγκοσµίως να ανέρχεται σε περίπου 130GW. Μια τυπική διάταξη αποτελείται από δύο ταµιευτήρες (δεξαµενές) νερού -µε ικανή υψοµετρική διαφορά και τον απαιτούµενο όγκο αποταµίευσης- την αντλητική εγκατάσταση για την άντληση νερού από τον κάτω στον άνω ταµιευτήρα, το συγκρότηµα των υδροστροβίλων για την παραγωγή ενέργειας µε χρήση αποθεµάτων νερού στον άνω ταµιευτήρα και τους αγωγούς µεταφοράς (αναρρόφησης και κατάθλιψης) του νερού (Σχήµα 10). Η λειτουργία του συστήµατος βασίζεται στην εκµετάλλευση περίσσειας ενέργειας για την άντληση νερού από τον κάτω στον άνω ταµιευτήρα και την αξιοποίηση των αποθεµάτων νερού στον άνω ταµιευτήρα για τη λειτουργία υδροστροβίλων και την παραγωγή ενέργειας για την κάλυψη ελλειµµάτων ή την αντικατάσταση ακριβότερων σταθµών παραγωγής. Υπάρχουν διαφορετικές εκδοχές του συστήµατος που υποστηρίζουν λειτουργία µε ένα κοινό αγωγό αναρρόφησης και κατάθλιψης, αναστρέψιµους υδροστροβίλους που λειτουργούν και ως αντλίες, χρήση θαλασσινού νερού ώστε να αρθεί ο περιορισµός για δηµιουργία κάτω ταµιευτήρα κ.ά. Ο συνολικός βαθµός απόδοσης ενός τυπικού συστήµατος κυµαίνεται από 70% έως Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 16

17 80%, µε το µεγαλύτερο µειονέκτηµα της τεχνολογίας να εντοπίζεται στους περιορισµούς που θέτει η ανάγκη για εύρεση φυσικών δεξαµενών µε ικανή υψοµετρική διαφορά και σχετικά µικρή µεταξύ τους απόσταση. Εναλλακτικά, είναι επίσης δυνατή η κατασκευή τεχνητών ταµιευτήρων που όµως αυξάνουν το αρχικό κόστος επένδυσης κατά πολύ, διακυβεύοντας τη βιωσιµότητα του έργου. Τα εν λόγω συστήµατα συγκαταλλέγονται στα µεγάλης κλίµακας συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας και θεωρούνται κατάλληλα για εφαρµογές διαχείρισης ενέργειας, χωρίς να αποκλείεται παρόλα αυτά η συµβολή τους και σε άλλου τύπου εφαρµογές στο περιθώριο της λειτουργίας τους, π.χ. διόρθωση συχνότητας δικτύου. Ως εκ τούτου, η δυνατότητα συνεργασίας των συστηµάτων αυτών µε εγκαταστάσεις ΑΠΕ µεγάλης κλίµακας ή / και το ηλεκτρικό δίκτυο χρήζει ιδιαίτερης αναφοράς, κάτι που εξάλλου έχει ήδη διαπιστωθεί σε ερευνητικό επίπεδο από πλήθος µελετητών (Anagnostopoulos and Papantonis, 2008; Bueno and Carta, 2006; Kaldellis et al., 2006; Kapsali et al., 2012; Kapsali and Kaldellis 2010; Katsaprakakis et al., 2008). Σχήµα 10: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αντλησιοταµίευσης. Αποθήκευση ενέργειας µε συµπιεσµένο αέρα (CAES) Τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας µε συµπιεσµένο αέρα (Mason and Archer, 2012; Zafirakis and Chalvatzis, 2014; Zafirakis and Kaldellis, 2009; 2010) αποτελούν επίσης µεγάλης κλίµακας αποθηκευτική λύση, και θεωρούνται προς το παρόν ως η µόνη εναλλακτική σε σχέση µε την τεχνολογία της αντλησιοταµίευσης για τέτοιου µεγέθους εγκαταστάσεις. Ένα τυπικό σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας συµπιεσµένου αέρα (Σχήµα 11) αποτελείται από το συγκρότηµα των συµπιεστών (πολυβάθµια συµπίεση) για τη συµπίεση ατµοσφαιρικού αέρα είτε σε υπεδάφια, κατάλληλα διαµορφωµένη κοιλότητα, είτε σε υπέργεια τεχνητή δεξαµενή (που όµως αυξάνει το κόστος επένδυσης κατά πολύ) σε συνθήκες πίεσης 60-70bar, καθώς και από το συγκρότηµα αεριοστροβίλου-γεννήτριας για την παραγωγή ενέργειας, αξιοποιώντας τα αποθέµατα συµπιεσµένου αέρα σε συνδυασµό µε φυσικό αέριο για την εκτέλεση της καύσης, όπως στον παραδοσιακό κύκλο Brayton/Joule ενός τυπικού αεριστροβίλου. Η βασική διαφορά του προτεινόµενου κύκλου σε σχέση µε τον κύκλο Brayton/Joule είναι πως στο σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας µε συµπιεσµένο αέρα, ο συµπιεστής και ο αεριοστρόβιλος δε βρίσκονται σε σύµπλεξη, και ως εκ τούτου το καθαρό έργο του κύκλου δεν µειώνεται εξαιτίας της απορρόφησης ισχύος από την πλευρά του συµπιεστή. Αποτέλεσµα αυτού είναι η µικρότερη ειδική κατανάλωση καυσίµου που σε συνδυασµό µε την αξιοποίηση χαµηλής ενεργειακής αξίας ποσών ενέργειας συνιστούν τα βασικά πλεονεκτήµατα των συστηµάτων αυτών έναντι παραδοσιακών τεχνολογιών. Στον αντίποδα, η απαίτηση για ευνοϊκούς υπεδάφιους σχηµατισµούς και η ανάγκη για κατανάλωση καυσίµου θεωρούνται τα δύο κύρια µειονεκτήµατα της τεχνολογίας, παρότι, όπως αναφέρθηκε ήδη, Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 17

18 είναι δυνατή η κατασκευή υπέργειας τεχνητής δεξαµενής υψηλής πίεσης, ενώ ταυτόχρονα µελετούνται νέες εκδοχές του συστήµατος, όπως η αδιαβατική (Jubeh and Najjar, 2012), µε µηδενική κατανάλωση καυσίµου. Επανερχόµενοι όµως στα πλεονεκτήµατα της τεχνολογίας έναντι συµβατικών λύσεων, υπογραµµίζεται το γεγονός της χαµηλότερης ειδικής κατανάλωσης µε ενδεικτικές τιµές να αναφέρουν ότι για την παραγωγή 1kWh ηλεκτρικής ενέργειας απαιτούνται περίπου 1.25kWh καυσίµου και 0.75kWh ηλεκτρικής ενέργειας για τη συµπίεση του αέρα. Ιδιαίτερη προσοχή στο πλαίσιο αυτό πρέπει να δίνεται στον υπολογισµό του βαθµού απόδοσης ενός τέτοιου συστήµατος εξαιτίας του ότι η προσδιδόµενη ενέργεια στο σύστηµα χωρίζεται σε ηλεκτρική (συµπίεση) και πρωτογενή (περιεχόµενη ενέργεια καυσίµου). Τέλος, όπως ήδη αναφέρθηκε, τα εν λόγω συστήµατα καλύπτουν φάσµα εφαρµογών αντίστοιχο της αντλησιοταµίευσης, παρόλο που το τελευταίο διάστηµα γίνονται σηµαντικές προσπάθειες για την ανάπτυξη παρόµοιων συστηµάτων µικρότερης κλίµακας (downscaling). Σχήµα 11: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αποθήκευσης ενέργειας µε συµπιεσµένο αέρα. Σφόνδυλοι Αναλαµβάνοντας την αντιµετώπιση διαταραχών τάσης και συχνότητας καθώς και καλύπτοντας την ανάγκη για παροχή αδιάλειπτης ισχύος, οι σφόνδυλοι κατατάσσονται στην κατηγορία των συστηµάτων που εξηπηρετούν κυρίως εφαρµογές ποιότητας ισχύος και αξιοπιστίας (Bolund et al., 2007; Carrillo et al., 2009; Davies et al., 1988; Hull, 2004; Infield, 1994; Suzuki et al., 2005). Σε ένα τυπικό σύστηµα σφονδύλου, πραγµατοποιείται αποθήκευση κινητικής ενέργειας σε ένα περιστρεφόµενο -γύρω από τον άξονά του και µέσω κινητήρα- δίσκο (ρότορα) που στη συνέχεια εκµεταλλευόµενος τη ροπή αδρανείας του κινεί µε τη σειρά του µια ηλεκτρογεννήτρια (συνήθως διπλής λειτουργίας, δηλ. κινητήρας και γεννήτρια) που αποδίδει εναλασσόµενο ρεύµα στην κατανάλωση µε τη βοήθεια ενός αντιστροφέα (Σχήµα 12). Η περιστρεφόµενη µάζα (δίσκος) στηρίζεται µε τη χρήση εδράνων που µπορεί να είναι και µαγνητικά για ελαχιστοποίηση των απωλειών, κάτι που επίσης επιτυγχάνεται και µε τη δηµιουργία κενού εντός του κελύφους που περιβάλλει το σφόνδυλο µε τη χρήση κατάλληλης αντλίας (παρασιτικές απώλειες) για την αντιµετώπιση των τριβών που αναπτύσσονται. Κατά την περίοδο φόρτισης του συστήµατος, µέσω κινητήρα που αξιοποιεί την περίσσεια ενέργειας τροφοδοτείται και τίθεται σε κίνηση ο ρότορας, αυξάνοντας σταδιακά την κινητική του ενέργεια, ενώ κατά την περίοδο εκφόρτισης, όπως αναφέρθηκε ήδη, τίθεται σε λειτουργία η ηλεκτρογεννήτρια. Το ποσό ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα σφόνδυλο είναι ανάλογο της ροπής αδρανείας και του τετραγώνου της περιστροφικής ταχύτητας που αναπτύσσει. Στα πλαίσια αυτά, οι σφόνδυλοι συνήθως διακρίνονται σε υψηλής και χαµηλής ταχύτητας (> και <100,000rpm Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 18

19 αντίστοιχα). Για την επίτευξη τόσο υψηλών ταχυτήτων, της τάξης δηλαδή των 100,000rpm, απαιτείται αφενός ελαχιστοποίηση των απωλειών στα έδρανα και των απωλειών τριβής και αφετέρου κατάλληλο υλικό για την κατασκευή επαρκώς ανθεκτικών σε θραύση δίσκων. Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά των σφονδύλων που πρέπει να αναφερθούµε συνοψίζονται στην υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, τις σχετικά χαµηλές απαιτήσεις συντήρησης ιδιαίτερα έαν ληφθεί υπόψη πως το σύστηµα φέρει πλήθος µηχανικών τµηµάτων- τη δυνατότητα και ταυτόχρονα την ανάγκη για εκτέλεση συχνών και πολλών κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, τις βαθιές εκφορτίσεις και τέλος τις σηµαντικές απώλειες αυτοεκφόρτισης. Σχήµα 12: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αποθήκευσης ενέργειας σφονδύλου. 4.2 Χηµικά Συστήµατα Συσσωρευτές Ο παλαιότερος και πλέον καθιερωµένος τρόπος αποθήκευσης ενέργειας είναι υπό µορφή χηµικής ενέργειας σε συστήµατα συσσωρευτών (µπαταρίες). Μια µπαταρία αποτελείται από ένα ή περισσότερα ηλεκτροχηµικά στοιχεία και κάθε στοιχείο αποτελείται µε τη σειρά του από έναν υγρό, κολλώδη (σε µορφή τζελ) ή στερεό ηλεκτρολύτη που συνοδεύεται από δύο ηλεκτρόδια, ένα θετικό και ένα αρνητικό. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης πραγµατοποιούνται ηλεκτροχηµικές αντιδράσεις στα δύο ηλεκτρόδια, δηµιουργώντας έτσι ροή ηλεκτρονίων διαµέσω ενός εξωτερικού κυκλώµατος. Οι αντιδράσεις είναι αµφίδροµες, επιτρέποντας στη µπαταρία να επαναφορτιστεί, όταν εφαρµοσθεί εξωτερική τάση στα ηλεκτρόδια. Μια µονάδα αποθήκευσης µπαταριών, εκτός της συστοιχίας των µπαταριών, περιλαµβάνει ακόµη συστήµατα µετατροπής ρεύµατος, από εναλλασσόµενο σε συνεχές και αντίστροφα (ανορθωτής και inverter αντίστοιχα, Σχήµα 13). Τα συστήµατα συσσωρευτών αποτελούν ώριµες και αξιόπιστες τεχνολογίες, µε χαρακτηριστικότερο παράδειγµα τις µπαταρίες µολύβδου-οξέος (συνεχής εξέλιξη) αλλά και νεότερες, σε διαφορετικό στάδιο ανάπτυξης η καθεµία, π.χ. µπαταρίες νατρίου-θείου. Εκτός των παραδοσιακών εφαρµογών σε ηλεκτρονικές συσκευές και µεταφορές (αυτοκίνηση), ολοένα και αυξάνεται το ενδιαφέρον για ενσωµάτωση των µπαταριών σε µεγάλης κλίµακας εγκαταστάσεις. Τα στοιχεία και οι ενώσεις που είναι εν δυνάµει κατάλληλα για χρηστικές εφαρµογές αποθήκευσης ενέργειας περιλαµβάνουν µόλυβδο, νικέλιο, κάδµιο, θειούχο νάτριο, χλωρίδιο του νικελίου, νάτριο και ιόντα λιθίου, κ.ά. (Πίνακας Ι). Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 19

20 Σχήµα 13: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αποθήκευσης µε χρήση συσσωρευτών. Νατρίου - θείου Κλίµακα MW Ιόντων λιθίου x10kw Ενεργειακή πυκνότητα (Wh/kg) Πυκνότητα ισχύος (W/kg) Πίνακας Ι: Χαρακτηριστικά διαφορετικών τύπων συσσωρευτών Μολύβδουοξέος Νικελίου - καδµίου Κλίµακα / Μέγεθος x10mw ~100ΜW x10mw Κύκλοι ζωής (cycles) 500-1,500 2,500 2,500 1,000-10,000+ Βαθµός απόδοσης (%) ~80 ~70 Έως 90 ~95 Αυτοεκφόρτιση 2-5% ανά µήνα 5-20% ανά µήνα # ~1% ανά µήνα # Αν και δεν υπάρχει αυτοεκφόρτιση, υπάρχουν απώλειες που σχετίζονται µε την ανάγκη διατήρησης της θερµοκρασίας λειτουργίας Μολύβδου-οξέος Οι µπαταρίες µολύβδου-οξέος (lead-acid) χρησιµοποιούνται για περισσότερο από 130 χρόνια σε πολλές και διαφορετικές εφαρµογές (Parker, 2001). Οι συνεχείς εξελίξεις της τεχνολογίας έχουν οδηγήσει σε σηµαντικές βελτιώσεις σχετικά µε τα χαρακτηριστικά του στοιχείου. Κατά συνέπεια, οι σύγχρονες µπαταρίες µολύβδου-οξέος έχουν το πλεονέκτηµα του να συνδυάζουν υψηλή αξιοπιστία µε χαµηλό κόστος. Προσπάθειες γίνονται στην κατεύθυνση ελαχιστοποίησης της απαιτούµενης συντήρησης και µεγιστοποίησης της ενεργειακής πυκνότητας. Πράγµατι, η ενεργειακή πυκνότητα των µπαταριών αυτών έχει αυξηθεί περισσότερο από 50% σε σχέση µε τη δεκαετία του '50, παρόλα αυτά παραµένει ακόµα σχετικά χαµηλή. Νικελίου-καδµίου Οι µπαταρίες νικελίου- καδµίου (Ni-Cd) ταξινοµούνται σε κατηγορία αντίστοιχη των µπαταριών µολύβδου-οξέος και χρησιµοποιούνται για περισσότερο από έναν αιώνα. Οι συγκεκριµένες µπαταρίες χρησιµοποιήθηκαν για µεγάλο χρονικό διάστηµα κατά τη διάρκεια των προηγούµενων δεκαετιών (Putois, 1995) σε κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές, αλλά έχουν πλέον αντικατασταθεί από νεότερες τεχνολογίες. Η µεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση µε τις µπαταρίες µολύβδου-οξέος, οδήγησε στην υιοθέτησή τους σε αεροσκάφη και ως ένα βαθµό σε Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 20

21 ηλεκτρικά οχήµατα. Το κάδµιο όµως είναι βαρύ και τοξικό µέταλλο, γεγονός που το Νοέµβριο του 2003 οδήγησε την Ευρωπαϊκή Επιτροπή να εκδώσει οδηγία στοχεύοντας στην ανακύκλωση του 75% των συγκεκριµένων µπαταριών. Οι µπαταρίες Ni-Cd χρησιµοποιούνται συχνά αντικαθιστώντας τις µπαταρίες µολύβδου-οξέος σε εφαρµογές όπου είναι απαραίτητη η υψηλή αξιοπιστία π.χ. φωτισµός έκτακτης ανάγκης, UPS, τηλεπικοινωνίες, ηλεκτρογεννήτριες κ.λπ. Εµφανίζουν τέλος µικρές απαιτήσεις συντήρησης όµως σε κάθε περίπτωση, εξαιτίας του καδµίου, η συγκεκριµένη τεχνολογία θα πρέπει µάλλον να θεωρείται ξεπερασµένη. Νατρίου-θείου Σε αντίθεση µε την τεχνολογία νικελίου-καδµίου, οι συσσωρευτές νατρίου-θείου (Na-S) αποτελούν νέα τεχνολογία µε υψηλές προσδοκίες (Wen et al., 2008), ιδιαίτερα για εφαρµογές µεσαίας κλίµακας. Ο συγκεκριµένος τύπος µπαταρίας απαιτεί για τη λειτουργία του περιβάλλον θερµοκρασίας από 300 έως 350ºC. Εν γένει, οι µπαταρίες που λειτουργούν σε µεγάλες θερµοκρασίες εµφανίζουν µεγαλύτερη απόδοση έναντι των µπαταριών που λειτουργούν σε θερµοκρασία περιβάλλοντος. Από την άλλη πλευρά, παρότι η αντίδραση κατά το στάδιο της εκφόρτισης είναι εξώθερµη, τις περισσότερες φορές είναι αναγκαία και η παρουσία πηγής θερµότητας. Τέλος, οι απώλειες αυτοεκφόρτισης είναι αµελητέες, οδηγώντας έτσι σε ένα συνολικό βαθµό απόδοσης της τάξης του 90%, συµπεριλαµβανοµένων και των θερµικών απωλειών. Ιόντων λιθίου Οι πρώτες εµπορικές µπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) δηµιουργήθηκαν το Έκτοτε η εξέλιξη στον τοµέα της τεχνολογίας υλικών έχει οδηγήσει σε σηµαντικές βελτιώσεις τόσο στην ενεργειακή πυκνότητα (75-175Wh/kg) όσο και στη διάρκεια ζωής (έως 20,000 επαναλαµβανόµενους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης) των µπαταριών αυτών. Και ενώ οι µπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν καταλάβει το µεγαλύτερο µερίδιο της αγοράς φορητών συσκευών, υπάρχουν ακόµη προβλήµατα που πρέπει να αντιµετωπισθούν για την ενσωµάτωση της εν λόγω τεχνολογίας σε εγκαταστάσεις µεγάλης ισχύος. Σηµαντικότερο εµπόδιο στην επέκτασή τους τη δεδοµένη στιγµή αποτελεί το υψηλό ειδικό κόστος, το οποίο κυρίως οφείλεται στο ειδικό πλαίσιο κατασκευής και στα εσωτερικά κυκλώµατα προστασίας από υπερφόρτιση, ενώ συνοπτικά, στα κύρια πλεονεκτήµατα συγκαταλλέγονται η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, ο πολύ υψηλός βαθµός απόδοσης και η µεγάλη διάρκεια ζωής ακόµα και υπό βαθιές εκφορτίσεις (Ritchie and Howard, 2006). Στοιχεία ροής Τα ηλεκτροχηµικά συστήµατα στοιχείων ροής (Lotspeich, 2002), επίσης γνωστά ως οξειδοαναγωγικά στοιχεία ροής, µετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε χηµική µε τη βοήθεια αντιστρέψιµης ηλεκτροχηµικής αντίδρασης µεταξύ δύο υγρών ηλεκτρολυτικών διαλυµάτων. Σε αντίθεση µε τις συµβατικές µπαταρίες τα οξειδοαναγωγικά στοιχεία ροής αποθηκεύουν ενέργεια στα ηλεκτρολυτικά διαλύµατα. Εποµένως, η αποδιδόµενη ισχύς και η αποθηκευµένη ενέργεια είναι µεγέθη ανεξάρτητα, µε την ικανότητα αποθήκευσης να καθορίζεται από την ποσότητα ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιείται και την παραγόµενη ισχύ να εξαρτάται από την ενεργό περιοχή της συστοιχίας. Ένα οξειδοαναγωγικό σύστηµα ροής µπορεί να αποτελείται από διαφορετικά ηλεκτροχηµικά στοιχεία. Κάθε στοιχείο φέρει δύο τµήµατα, ένα για κάθε ηλεκτρολύτη. Τα τµήµατα χωρίζονται από την παρουσία µιας µεµβράνης εναλλαγής ιόντων. Οι ηλεκτρολύτες αποθηκεύονται σε δύο δεξαµενές και αντλούνται στη συστοιχία διερχόµενοι από µια µεµβράνη όπου ο ένας ηλεκτρολύτης οξειδώνεται και ο άλλος ανάγεται. ηµιουργείται κατά αυτό τον τρόπο ηλεκτρικό ρεύµα το οποίο συλλέγεται από τα ηλεκτρόδια και διατίθεται µέσω του εξωτερικού κυκλώµατος. Μια τυπική διάταξη ενός τέτοιου συστήµατος δίνεται στο Σχήµα 14. Τη δεδοµένη στιγµή υπάρχουν τρία χηµικά στοιχεία που εµφανίζουν το µεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη παρόµοιων συστηµάτων. Το βανάδιο, ο ψευδάργυρος και το βρώµιο. Πιο συγκεκριµένα, χρησιµοποιούνται ζεύγη βαναδίου (VRB), συνδυασµός ψευδαργύρου και βρωµίου (Zn-Br) και βρωµιούχο πολυσουλφίδιο (PSB). Στον επόµενο Πίνακα ΙΙ εµφανίζονται τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά των τεχνολογιών αυτών. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 21

22 Σχήµα 14: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αποθήκευσης µε στοιχεία ροής. Πίνακας ΙΙ: Χαρακτηριστικά διαφορετικών τύπων στοιχείων ροής Βανάδιο Ψευδάργυρος (VRB) & βρώµιο (Zn-Br) Βρωµιούχο πολυσουλφίδιο (PSB) Εύρος εφαρµογής (ΜWh) Έως 120 Ενεργειακή πυκνότητα (Wh/lit) Έως 60 - Απόδοση κύκλου (%) Αριθµός κύκλων ζωής > > ιάρκεια ζωής (έτη) Ηλεκτρικά Συστήµατα Αποθήκευση σε µαγνητικό πεδίο Ένα υπεραγώγιµο υλικό, εν προκειµένω πηνίο, παρουσιάζει υπό ορισµένες συνθήκες αυξηµένες δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας. Πιο συγκεκριµένα όταν το υπεραγώγιµο πηνίο (µεταλλικά νήµατα κραµάτων τιτανίου-νιόβιου ή νιόβιου-κασσιτέρου, ένθετα σε αλουµινένιο ή χάλκινο πλαίσιο) βρεθεί σε περιβάλλον πολύ χαµηλής θερµοκρασίας (55-77Kelvin), εµφανίζει µηδενική αντίσταση και επιτρέπει έτσι τη διέλευση συνεχούς ηλεκτρικού ρεύµατος χωρίς απώλειες. Η διατήρηση των χαµηλών θερµοκρασιών επιτυγχάνεται µε την παρουσία ψυκτικής µηχανής µε ψυκτικό µέσο υγρό ήλιο. Στο πλαίσιο αυτό, η διάταξη ενός παρόµοιου συστήµατος (Ngamroo et al., 2009; Xue et al., 2006) δίνεται στο Σχήµα 15. Πιο συγκεκριµένα, υπάρχουν τρία επιµέρους τµήµατα: τα ψυχόµενα (το πηνίο, το πλαίσιο και η δεξαµενή ψύξης), η ψυκτική µονάδα και το τµήµα σύνδεσης µε το δίκτυο ή την πηγή κατανάλωσης (µετατροπέας / ηλεκτρονικά ισχύος). Σηµαντικό πλεονέκτηµα της τεχνολογίας είναι, εκτός από τον πολύ υψηλό βαθµό απόδοσης, η χαµηλή αυτοεκφόρτιση σε σχέση µε τεχνολογίες της ίδιας κατηγορίας όπως οι σφόνδυλοι (κατηγορία ποιότητας ισχύος και αξιοπιστίας), ενώ κυρίαρχο µειονέκτηµα είναι η απαίτηση ειδικών συνθηκών θερµοκρασίας που υποχρεώνουν το σύστηµα σε ικανές παρασιτικές απώλειες. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 22

23 Σχήµα 15: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αποθήκευσης σε µαγνητικό πεδίο. Υπερπυκνωτές Η αρχή λειτουργίας των υπερπυκνωτών βασίζεται στην αντίστοιχη των συµβατικών πυκνωτών. Ένας συνηθισµένος πυκνωτής αποτελείται από δύο παράλληλους αγώγιµους οπλισµούς που διαχωρίζονται από διηλεκτρικό µονωτή. Οι οπλισµοί φέρουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία και έτσι παράγεται ηλεκτρικό πεδίο. Σε αντίθεση µε τις µπαταρίες, όπου η ενέργεια αποθηκεύεται σε χηµική µορφή, η ενέργεια στους πυκνωτές αποθηκεύεται στο ηλεκτρικό πεδίο. Πιο συγκεκριµένα, η ενέργεια σε έναν υπερπυκνωτή αποθηκεύεται στο διπλό ηλεκτρικό στρώµα το οποίο σχηµατίζεται ανάµεσα σε καθένα από τα δύο ηλεκτρόδια (κατασκευή από πορώδη άνθρακα) και τα περιβάλλοντα ηλεκτρολυτικά ιόντα. Το εφαρµοζόµενο ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί τη συσσώρευση των ιόντων του ρευστού σε πολύ λεπτά στρώµατα εφαπτόµενα των ηλεκτροδίων. Έτσι το θετικό ηλεκτρόδιο έλκει τα αρνητικά ιόντα και το αρνητικό τα θετικά. ηµιουργούνται λοιπόν δύο ξεχωριστά φορτισµένα στρώµατα. Τα ηλεκτρόδια του πορώδους άνθρακα έχουν ενεργό επιφάνεια έως 104 mm²/g που σε συνδυασµό µε την ελάχιστη αναπτυσσόµενη απόσταση µεταξύ των δύο στρωµάτων (10 Αngstrom) δικαιολογούν τη µεγάλη ενεργειακή χωρητικότητα των συστηµάτων αυτών. Σηµειώνεται στο σηµείο αυτό πως τόσο η ενεργειακή χωρητικότητα όσο και η ενεργειακή πυκνότητα των συστηµάτων αυτών είναι σαφώς µεγαλύτερες από τις αντίστοιχες των κοινών πυκνωτών, χωρίς όµως να προσεγγίζουν τις τιµές που χαρακτηρίζουν τους συσσωρευτές. Μεταξύ των πλεονεκτηµάτων της τεχνολογίας είναι η µεγάλη διάρκεια ζωής, οι ταχείες φορτίσεις και εκφορτίσεις και η χαµηλή αυτοεκφόρτιση, µε την αυτοκίνηση καθώς και εφαρµογές ποιότητας ισχύος να αποτελούν το κύριο πεδίο δράσης της τεχνολογίας (Khan and Iqbal, 2005; Onar et al., 2006). Η βασική διάταξη ενός υπερπυκνωτή απεικονίζεται στο Σχήµα 16. Σχήµα 16: Τυπική διάταξη ολοκληρωµένης µονάδας αποθήκευσης µε υπερπυκνωτή. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 23

24 5. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ ίνοντας έµφαση στα συστήµατα υδρογόνου (Brouwer, 2010; Hotza and Diniz da Costa, 2008), πραγµατοποιείται στη συνέχεια επισκόπηση των αντίστοιχων τεχνολογιών εξετάζοντας και τα τρία στάδια της αλυσίδας του υδρογόνου, δηλαδή την παραγωγή υδρογόνου, την αποθήκευσή του και την παραγωγή ενέργειας µε χρήση υδρογόνου. Επισηµαίνεται δε πως η αξιοποίηση του υδρογόνου (π.χ. Σχήµα 17) δεν αφορά µόνο τον τοµέα της ηλεκτροπαραγωγής αλλά επεκτείνεται και σε άλλους τοµείς όπως οι µεταφορές. Σχήµα 17: Ολοκληρωµένη διάταξη παραγωγής-αποθήκευσης υδρογόνου και παραγωγής ενέργειας µε κυψέλες καυσίµου µε ταυτόχρονη αποθήκευση ενέργειας για άλλου τύπου χρήσεις. 5.1 Παραγωγή Υδρογόνου Το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί µε διάφορους τρόπους και µέσα. Περιέχεται στα ορυκτά καύσιµα, στο νερό καθώς και στη βιοµάζα. Υδρογόνο παράγεται µέσω θερµοχηµικών διεργασιών από τη βιοµάζα και τα ορυκτά καύσιµα, ενώ η ενέργεια που παράγεται τόσο από συµβατικές πηγές όσο και από ΑΠΕ µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου µέσω ηλεκτρόλυσης νερού. Το ηλιακό φως µπορεί επίσης να αξιοποιηθεί για τη φωτολυτική παραγωγή υδρογόνου από το νερό µε τη χρήση προηγµένων φωτοηλεκτροχηµικών και φωτοβιολογικών διαδικασιών. Κάθε µία από τις ανωτέρω µεθόδους παραγωγής βρίσκεται σε διαφορετικό στάδιο ανάπτυξης και παρουσιάζει διαφορετικά πλεονεκτήµατα και προκλήσεις. Η αναµόρφωση του φυσικού αερίου, η αεριοποίηση του άνθρακα και της βιοµάζας, η ηλεκτρόλυση του νερού καθώς και η ηλεκτρόλυση υψηλής θερµοκρασίας, οι οποίες αποτελούν και τις βασικές µεθόδους παραγωγής υδρογόνου τη δεδοµένη στιγµή, είναι οι µέθοδοι παραγωγής που θα εξετάσουµε στα ακόλουθα. Παραγωγή υδρογόνου από ορυκτά καύσιµα Το υδρογόνο µπορεί να παραχθεί από αρκετά ορυκτά καύσιµα, όπως το φυσικό αέριο και ο άνθρακας. Παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο Υπάρχουν τρεις διαφορετικές χηµικές διεργασίες που επιτρέπουν την παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο: η αναµόρφωση φυσικού αερίου, η µερική οξείδωση και η αυτοθερµική αναµόρφωση. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 24

25 Η διαδικασία της αναµόρφωσης του φυσικού αερίου είναι µια κορυφαία τεχνολογία σήµερα. Σε αυτή τη διεργασία το µεθάνιο αντιδρά µε τους υδρατµούς και παράγει υδρογόνο και µονοξείδιο του άνθρακα κατά την εκτέλεση µίας ενδόθερµης αντίδρασης: CH + 4+ H 2O+ heat CO 3H 2 (1) Η απαιτούµενη θερµότητα παρέχεται από την καύση ποσοτήτων µεθανίου, η θερµοκρασία κυµαίνεται από 700 έως 850 C και η πίεση διατηρείται στα επίπεδα των 3-25 bar. Σε περαιτέρω ανάλυση το παραγόµενο µονοξείδιο του άνθρακα µπορεί να µετατραπεί σε διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο µέσω της αντίδρασης του µε υδρατµούς: CO H O CO + H + heat (2) Κατά τη διαδικασία της µερικής οξείδωσης του φυσικού αερίου, το υδρογόνο παράγεται µέσω της µερικής καύσης του µεθανίου (προπάνιο και µεθανόλη µπορούν να χρησιµοποιηθούν εναλλακτικά) µε οξυγόνο. 1 CH 4+ O2 CO+ 2H 2+ heat 2 (3) Η αντίδραση είναι εξώθερµη, οπότε δεν απαιτείται πρόσδοση θερµότητας από εξωτερική πηγή. Το δε παραγόµενο µονοξείδιο του άνθρακα µετατρέπεται περαιτέρω σε υδρογόνο, όπως περιγράφηκε προηγουµένως (εξίσωση 2). Τέλος, η αυτοθερµική αναµόρφωση είναι ένας συνδυασµός των δύο παραπάνω διεργασιών. Η απαιτούµενη θερµοκρασία κυµαίνεται στην περιοχή των 950 µε 1100 C, ενώ η πίεση του αερίου µπορεί να φθάσει τα 100bar. Παρόµοια, το µονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται µετατρέπεται σε υδρογόνο µέσω της αντίδρασης του µε υδρατµούς. Παραγωγή υδρογόνου από τον άνθρακα Μολονότι ο άνθρακας κατηγορείται για υψηλές εκποµπές αερίων του θερµοκηπίου, µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή καθαρού υδρογόνου. Η αντίδραση για την παραγωγή υδρογόνου από άνθρακα περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση, στην οποία ο άνθρακας µετατρέπεται σε µονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο: C ( s) + H O+ heat CO+ H 2 2 (4) Η αντίδραση είναι ενδόθερµη, ενώ το παραγόµενο µονοξείδιο του άνθρακα µετατρέπεται περαιτέρω σε διοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο µέσω της αντίδρασης του µε υδρατµούς. Η παραγωγή υδρογόνου από άνθρακα αποτελεί σήµερα τεχνολογικά προηγµένη διαδικασία, που παρόλο το υψηλό της κόστος αναµένεται να αναπτυχθεί περαιτέρω. Παραγωγή υδρογόνου από βιοµάζα Η αεριοποίηση και η πυρόλυση είναι οι πιο ελπιδοφόρες τεχνολογίες µε µεσοπρόθεσµο ορίζοντα εµπορικής εκµετάλλευσης. Η αεριοποίηση βασίζεται στη θέρµανση της βιοµάζας παρουσία περιορισµένων ποσοτήτων οξυγόνου, κατά την οποία προκύπτουν άµεσα CO και H 2, καθώς και κάποια άλλα αέρια προϊόντα. Το µίγµα, συνολικά, των αερίων που προκύπτει κατά την αεριοποίηση της βιοµάζας αναφέρεται συνήθως ως αέριο σύνθεσης (synthesis gas). Η πυρόλυση βασίζεται στη θέρµανση της βιοµάζας απουσία οξυγόνου και κάτω από συγκεκριµένες συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας. Κατά την πυρόλυση της βιοµάζας προκύπτει ένα πλήθος από προϊόντα αέριας, υγρής ή και στερεάς µορφής. Τα υγρής µορφής προϊόντα είναι ένα είδος λαδιού, το οποίο όπως και το πετρέλαιο, περιέχει διάφορα συστατικά, τα οποία µέσω κατάλληλης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 25

26 επεξεργασίας µπορούν να διαχωριστούν σε χρήσιµες χηµικές ουσίες και καύσιµα συµπεριλαµβανοµένου και του υδρογόνου. Παραγωγή υδρογόνου µέσω ηλεκτρόλυσης Μέχρι σήµερα και για οικονοµικούς κυρίως λόγους, ευνοούνται οι διαδικασίες παραγωγής υδρογόνου από ορυκτά καύσιµα. Το ενδιαφέρον όµως για αξιοποίηση παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ ολοένα και αυξάνει, µε την παραγωγή υδρογόνου από ηλεκτρόλυση νερού να εµφανίζει σηµαντικές προοπτικές στο εν λόγω πεδίο. Ηλεκτρόλυση νερού Στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού, το νερό χωρίζεται σε υδρογόνο και οξυγόνο µε την εφαρµογή ηλεκτρικού ρεύµατος. 1 H 2 O+ electricity H 2 + O 2 2 (5) Η ηλεκτρόλυση του νερού είναι σχετικά αποτελεσµατική (>70%), αλλά επειδή χρειάζεται ηλεκτρική ενέργεια για να παραχθεί το υδρογόνο, το κόστος λειτουργίας µιας τέτοιας µονάδας αυξάνει κατά πολύ. Ως εκ τούτου, καθίσταται σαφές πως η εκµετάλλευση ποσών ενέργειας χαµηλής αξίας, π.χ. περίσσεια ενέργειας και ιδιαίτερα από ΑΠΕ, ενδείκνυται για την οικονοµικότερη λειτουργία µονάδων ηλεκτρόλυσης. Βασικό δοµικό στοιχείο της ηλεκτρόλυσης αποτελεί το ηλεκτρολυτικό κελί που αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια και έναν ηλεκτρολύτη (υγρός-αλκαλικός ή στερεός-πολυµερής / στερεό οξείδιο). Σηµειώνεται στο σηµείο αυτό πως οι πιο εξελιγµένοι τεχνολογικά ηλεκτρολύτες είναι οι αλκαλικοί και οι πολυµερούς µεµβράνης ηλεκτρολύτες. Αλκαλικές µονάδες ηλεκτρόλυσης Οι αλκαλικοί ηλεκτρολύτες αντιπροσωπεύουν µια πολύ ώριµη τεχνολογία. Τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου σε αυτά τα συστήµατα κατασκευάζονται τυπικά από επινικελωµένο χάλυβα. Ο ηλεκτρολύτης σε αυτά τα συστήµατα είναι ένα υγρό βασισµένο σε καυστικό διάλυµα (συνήθως ΚΟΗ). Ο ιονικός φορέας φορτίου είναι το ιόν υδροξυλίου ΟΗ -. Τέλος µία µεµβράνη πορώδης σε ιόντα υδροξυλίου πραγµατοποιεί το διαχωρισµό των αερίων. Στα βασικά πλεονεκτήµατα αυτής της τεχνολογίας συµπεριλαµβάνονται η προηγµένη τεχνολογική ανάπτυξη και η αυξηµένη αξιοπιστία. Βασικά µειονεκτήµατα είναι η χρήση καυστικού ηλεκτρολύτη και η αδυναµία παραγωγής υδρογόνου σε υψηλές πιέσεις που έχει σαν αποτέλεσµα την απαίτηση εξωτερικής ενέργειας για τη συµπίεση του. Ηλεκτρόλυση PEM H τεχνολογία ηλεκτρόλυσης ΡΕΜ (µεµβράνη ανταλλαγής πρωτονίων) παρουσιάζεται συχνά στη βιβλιογραφία ως µια πολύ ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση, αντί του συµβατικού αλκαλικού ηλεκτρολύτη νερού. Οι µονάδες ηλεκτρόλυσης PEM προσφέρουν πολλά πλεονεκτήµατα όπως υψηλή ενεργειακή απόδοση και δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου σε υψηλή πίεση, χρησιµοποιώντας στερεούς πολυµερείς ηλεκτρολύτες. Ηλεκτρόλυση υψηλής θερµοκρασίας Η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για να διαχωρίσει το νερό µειώνεται σε υψηλές θερµοκρασίες χάρη στη χαµηλότερη πόλωση των ηλεκτροδίων και τη χαµηλότερη θεωρητική τάση αποσύνθεσης του νερού. Χαρακτηριστική τεχνολογία αυτού του τύπου είναι η µονάδα ηλεκτρόλυσης στερεού οξειδίου (SOFC), η οποία λειτουργεί σε θερµοκρασίες άνω των 700 C και µπορεί να εκµεταλλευτεί απορριπτόµενα ποσά θερµότητας από π.χ. θερµικούς σταθµούς ηλεκτροπαραγωγής ώστε να ικανοποιήσει την ανωτέρω απαίτηση. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 26

27 5.2 Αποθήκευση Υδρογόνου Το υδρογόνο έχει πολύ υψηλή ενεργειακή περιεκτικότητα κατά βάρος (περίπου 3 φορές υψηλότερη από τη βενζίνη), αλλά πολύ χαµηλή περιεκτικότητα ενέργειας κατ όγκο (περίπου 4 φορές µικρότερη του πετρελαίου), γεγονός που καθιστά την αποθήκευσή του ιδιαίτερη δύσκολη. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ασφαλών, αξιόπιστων και οικονοµικά αποδοτικών τεχνολογιών αποθήκευσης υδρογόνου, οι βασικότερες των οποίων αναλύονται στα ακόλουθα. Αποθήκευση αέριου υδρογόνου σε δεξαµενή υπό πίεση Σήµερα, η πιο ευρέως διαδεδοµένη µέθοδος για την αποθήκευση του υδρογόνου είναι η χρήση φιαλών αερίου, οι οποίες αποθηκεύουν το υδρογόνο σε αρκετά υψηλές πιέσεις. Οι φιάλες αυτές ανάλογα µε την κατασκευή τους µπορούν να υποστηρίξουν πιέσεις ακόµα και 700bar. Οι συνηθισµένες φιάλες αερίου που χρησιµοποιούνται σήµερα στη βιοµηχανία κατασκευάζονται από πολλαπλά οµοκυλινδρικά µεταλλικά τοιχώµατα, ενώ για επιπλέον ενίσχυση χρησιµοποιούνται εξωτερικά τοιχώµατα κατασκευασµένα από νανοσωλήνες άνθρακα. Αποθήκευση υδρογόνου υπό υγρή µορφή Ο συµβατικός τρόπος για αποθήκευση υδρογόνου σε υγρή µορφή είναι η ψύξη του σε κρυογενικές θερµοκρασίες (χαµηλότερες από -253 C). Πλεονέκτηµα του υγρού υδρογόνου είναι η σαφώς υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση µε το αέριο, συνδυαζόµενη µε απαιτήσεις σχετικά χαµηλής πίεσης για την αποθήκευσή του. Στον αντίποδα, η διαδικασία της υγροποίησης χρησιµοποιεί τεράστια ποσά ενέργειας, ενώ σηµαντικές είναι οι απώλειες που παρουσιάζονται και κατά την περίοδο αποθήκευσης. Τα µεγάλης κλίµακας συστήµατα υγροποίησης υδρογόνου χρησιµοποιούν τη διαδικασία Linde-Hampson, µε την οποία στα ανώτερα επίπεδα το συµπιεσµένο υδρογόνο εκτονώνεται σε τουρµπίνες, ενώ µικρότερης κλίµακας µονάδες χρησιµοποιούν τη διαδικασία Linde µε µικρότερα επίπεδα πίεσης. Μεταλλικά υδρίδια Πρόκειται για µια σχετικά πρόσφατη µέθοδο αποθήκευσης υδρογόνου. Σύµφωνα µε τη µέθοδο αυτή το υδρογόνο αποθηκεύεται στη µάζα διαφόρων καθαρών µετάλλων ή κραµάτων σχηµατίζοντας σύνθετα µεταλλικά σώµατα, τα λεγόµενα υδρίδια µετάλλων. Πολλά µέταλλα και µεταλλικές ενώσεις αντιδρούν µε το Η 2 σχηµατίζοντας στερεές ενώσεις µετάλλου-υδρογόνου. Τα υδρίδια µετάλλων έχουν την µοναδική ικανότητα να απορροφούν το υδρογόνο κάτω από χαµηλές πιέσεις (0.1-10bar) και να το απελευθερώνουν αργότερα είτε µε µείωση της πίεσης είτε µε αύξηση της θερµοκρασίας. Το ποσοστό του αερίου που απορροφάται ανά µονάδα επιφανείας / βάρους είναι ακόµη σχετικά χαµηλό αλλά τα µεταλλικά υδρίδια προσφέρουν µια αξιόπιστη λύση. 5.3 Παραγωγή Ενέργειας Στο τελευταίο στάδιο του κύκλου του υδρογόνου, δηλαδή το στάδιο της παραγωγής ενέργειας µε χρήση του υδρογόνου ως καύσιµο, συναντάµε τις κυψέλες καυσίµου. Λειτουργία κυψελών καυσίµου Με τη χρήση των κυψελών καυσίµου (fuel cells) η αποθηκευµένη χηµική ενέργεια του υδρογόνου µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρισµό και θερµότητα. Η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίµου είναι ουσιαστικά αντίστροφη της ηλεκτρόλυσης. Ενώ στην ηλεκτρόλυση το νερό διασπάται σε υδρογόνο και οξυγόνο, στις κυψέλες καυσίµου το υδρογόνο ενώνεται µε οξυγόνο, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύµα. Αναφορικά µε τη δοµή µια κυψέλης καυσίµου, δύο ηλεκτρόδια βρίσκονται µέσα σε έναν ηλεκτρολύτη και διαχωρίζονται από φράγµα αερίων. Το καύσιµο, που είναι το υδρογόνο, ιονίζεται στην επιφάνεια του ενός ηλεκτροδίου, ενώ ταυτόχρονα το οξειδωτικό µέσο, που είναι το οξυγόνο, ιονίζεται στο άλλο ηλεκτρόδιο. Πιο συγκεκριµένα, η διαδικασία που ακολουθείται είναι η εξής: Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 27

28 Το υδρογόνο διασπάται στην επιφάνεια του καταλύτη του ενός ηλεκτροδίου, σχηµατίζοντας κατιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια µετακινούνται µέσω του ηλεκτρολύτη (και του φράγµατος των αερίων), στην καταλυτική επιφάνεια του ηλεκτροδίου στην πλευρά του οξυγόνου. Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόνια κινούνται µέσα από το εξωτερικό κύκλωµα, στην ίδια καταλυτική επιφάνεια. Το οξυγόνο, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ενώνονται στην καταλυτική επιφάνεια του ηλεκτροδίου και σχηµατίζουν νερό. Η διαδικασία στη συνέχεια εξελίσσεται φυσικά ως αποτέλεσµα της τάσης των φορτισµένων σωµατιδίων να κινούνται προς περιοχές χαµηλότερης ηλεκτροχηµικής ενέργειας, για τον σχηµατισµό πιο σταθερών ενώσεων. Τα φορτισµένα σωµατίδια του υδρογόνου και του οξυγόνου κινούνται το ένα προς το άλλο και ενώνονται επειδή τα τελικά προϊόντα της αντίδρασης έχουν χαµηλότερη ηλεκτροχηµική ενέργεια. Η κίνηση αυτών των φορτισµένων σωµατιδίων, χρησιµοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κατά την εκτέλεση της διαδικασίας, το ένα ηλεκτρόδιο λειτουργεί ως άνοδος και το άλλο ως κάθοδος. Στο ηλεκτρόδιο της ανόδου, πραγµατοποιείται η αντίδραση της οξείδωσης, στην οποία τα άτοµα του υδρογόνου διασπώνται σε πρωτόνια και σε ηλεκτρόνια. H H e (6) Στη συνέχεια τα ελεύθερα πρωτόνια περνούν µέσα από τον ηλεκτρολύτη και τα ηλεκτρόνια κινούνται µέσα από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωµα, προς την πλευρά της καθόδου. Στην κάθοδο ο ατµοσφαιρικός αέρας δίνει το απαραίτητο οξυγόνο για την αντίδραση αναγωγής. Τα άτοµα του οξυγόνου διασπώνται και ενώνονται µε τα πρωτόνια που έρχονται µέσω του ηλεκτρολύτη και µε τα ηλεκτρόνια που έρχονται από το εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωµα, σχηµατίζοντας νερό. 1 + O2+ 2H + 2e H 2O 2 (7) Η όλη δραστηριότητα εξελίσσεται φυσικά, αλλά οι πραγµατοποιηθείσες αντιδράσεις είναι αργές, περιορίζοντας την ισχύ εξόδου της κυψέλης καυσίµου. Πιο συγκεκριµένα, η απόδοση της κυψέλης καυσίµου περιορίζεται κυρίως από την αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου, η οποία είναι ~εκατό φορές πιο αργή από την αντίδραση οξείδωσης του υδρογόνου. Έτσι για την επιτάχυνση των αντιδράσεων στα ηλεκτρόδια χρησιµοποιείται καταλύτης που για χαµηλής θερµοκρασίας κυψέλες καυσίµου είναι συνήθως η πλατίνα. Τύποι κυψελών καυσίµου Οι κυψέλες καυσίµου διακρίνονται ανάλογα µε τον τύπο του ηλεκτρολύτη που διαθέτουν σε: Αλκαλικές κυψέλες καυσίµου (ΑFC) Κυψέλες καυσίµου πολυµερών ηλεκτρολυτών (PΕΜFC) Κυψέλες καυσίµου µεθανόλης (DMFC) Κυψέλες καυσίµου φωσφορικού οξέος (PAFC) Κυψέλες καυσίµου τήγµατος ανθρακικών αλάτων (MCFC) Κυψέλες καυσίµου στερεών οξειδίων (SOFC) Μεταξύ των ανωτέρω τεχνολογιών, οι αλκαλικές κυψέλες καυσίµου (AFC) και οι κυψέλες καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) λειτουργούν σε χαµηλές θερµοκρασίες, όντας για τον λόγο αυτό και οι πλέον διαδεδοµένες στο εµπόριο. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 28

29 Αλκαλικές κυψέλες καυσίµου (ΑFC) Στην αλκαλική κυψέλη καυσίµου, ο ηλεκτρολύτης είναι συνήθως υδάτινο διάλυµα KOH, λόγω της υψηλής αγωγιµότητας των ιόντων υδροξυλίου. Η κυψέλη λειτουργεί σε θερµοκρασίες ο C και ατµοσφαιρική πίεση, δέχεται καθαρό υδρογόνο και χαρακτηρίζεται από πυκνότητα ισχύος της τάξης των W/cm 2. Μεταξύ των αντιδράσεων στην άνοδο και την κάθοδο, η αντίδραση της καθόδου είναι η πιο αργή. Παρόλα αυτά, στην αλκαλική κυψέλη καυσίµου η αντίδραση στο ηλεκτρόδιο της καθόδου πραγµατοποιείται πολύ πιο γρήγορα από ότι σε άλλους τύπους κυψελών, µε αποτέλεσµα η τάση λειτουργίας κάθε κυψέλης να είναι αρκετά υψηλότερη από τις υπόλοιπες κυψέλες καυσίµου. Κυψέλες καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) Η κυψέλη καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC), γνωστή και ως κυψέλη καυσίµου στερεού πολυµερούς (SPFC), χρησιµοποιεί στερεή πολυµερή µεµβράνη ως ηλεκτρολύτη. Η µεµβράνη βρίσκεται µεταξύ δύο πορώδων ηλεκτροδίων, την άνοδο και την κάθοδο, µε παρουσία καταλύτη από λευκόχρυσο. Η θερµοκρασία λειτουργίας είναι µεταξύ των ο C, η αντίστοιχη πίεση ατµοσφαιρική ή µεγαλύτερη και η πυκνότητα ισχύος µεταξύ 0.35 και 0.6W/cm 2. Το καύσιµο που χρησιµοποιείται είναι καθαρό υδρογόνο, αλλά µε τη χρήση εξωτερικού αναµορφωτή καυσίµου µπορεί να χρησιµοποιηθεί και φυσικό αέριο. Το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα της κυψέλης καυσίµου µεµβράνης ανταλλαγής πρωτονίων είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος, ενώ παράλληλα, η χρήση στερεού ηλεκτρολύτη µειώνει τη διάβρωση που υφίστανται τα υλικά και επιπλέον δεν απαιτείται ειδική διαχείριση των υγρών, απαραίτητη όταν υπάρχουν υγροί ηλεκτρολύτες. 6. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σύµφωνα µε τη συνοπτική παρουσίαση των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας που προηγήθηκε, προκύπτει ότι κάθε τεχνολογία χαρακτηρίζεται από συγκεκριµένα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα που καθορίζουν το πεδίο εφαρµογής της. Στα πλαίσια αυτά, παρατίθεται στη συνέχεια σετ συγκριτικών διαγραµµάτων (Σχήµατα 18-27) για τις διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας, εστιάζοντας στις κύριες παραµέτρους στις οποίες αναφερθήκαµε νωρίτερα και αντλώντας δεδοµένα από έγκυρη δηµοσιευµένη σχετική βιβλιογραφία (Baker, 2008; Beurskens and de Noord, 2003; Boyes, 2000; Butler et al., 2002; Cavallo, 2001; Chen et al., 2009; Dell and Rand, 2001; Denholm and Kulcinski, 2004; Divya and Østergaard, 2009; ESA, 2009b; Eyer et al., 2004; Gonzalez et al., 2004; Hadjipaschalis et al., 2009; Hall and Euan, 2008; Hubert et al., 2003; Ibrahim et al., 2008; Kaldellis et al., 2009b; Kondoh et al., 2000; Makansi and Abboud; 2002; Rydh and Sanden, 2005a; 2005b; Sauer, 2006; Schoenung, 2001; Swanbarton, 2004; Thackeray, 2004). 6.1 Ενεργειακή Χωρητικότητα, Αποδιδόµενη Ισχύς και Αυτονοµία Στο Σχήµα 18 παρουσιάζεται η κατάταξη των συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας λαµβάνοντας υπόψη την αποδιδόµενη ισχύ και την αυτονοµία που µπορούν να εξηπηρετήσουν, µε το συνδυασµό των δύο παραµέτρων να παρέχει και µια εκτίµηση για την ενεργειακή χωρητικότητα του κάθε συστήµατος. Τα συστήµατα που τοποθετούνται στο άνω δεξί άκρο του γραφήµατος, όπως η αντλησιοταµίευση (PHS), η αποθήκευση µε συµπιεσµένο αέρα (CAES) και τα συστήµατα υδρογόνου (FC-HS), θεωρούνται κατάλληλα για εφαρµογές διαχείρισης ενέργειας και ευστάθειας δικτύου (βλέπε και Σχήµα 8). Αντίθετα, συστήµατα που τοποθετούνται στο κάτω αριστερό άκρο (όπου ο λόγος αποδιδόµενης ισχύος προς την ενεργειακή χωρητικότητα kw/kwh αυξάνει και η αυτονοµία-χρόνος εκφόρτισης µειώνεται) συναντώνται τα συστήµατα των σφονδύλων (flywheels), των υπερπυκνωτών (SCs) και της αποθήκευσης σε µαγνητικό πεδίο (SMES), συστήµατα δηλαδή που εξηπηρετούν κατά κύριο λόγο εφαρµογές ποιότητας ισχύος και αξιοπιστίας. Ταυτόχρονα, οι τεχνολογίες συσσωρευτών (batteries) απλώνονται σε ένα µεγάλο φάσµα που ουσιαστικά γεφυρώνει τα δύο άκρα, µε τα στοιχεία ροής (flow batteries) να αναλαµβάνουν εφαρµογές µεσαίας-µεγάλης κλίµακας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 29

30 Σχήµα 18: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης µε βάση την αποδιδόµενη ισχύ και το χρόνο εκφόρτισης. Περισσότερες πληροφορίες για τους διαφορετικούς τύπους συσσωρευτών δίνονται και στο ακόλoυθο γράφηµα (Σχήµα 19) (ESA, 2009b). Στο πλαίσιο αυτό, οι συσσωρευτές νατρίου-θείου (Na-S) χαρακτηρίζονται από την µεγαλύτερη αυτονοµία, παραµένοντας ανεπηρέαστοι από το µέγεθος της αποδιδόµενης ισχύος, ενώ το αντίθετο συµβαίνει µε τις µπαταρίες µολύβδου-οξέος (lead acid, L/A), νικελίου-καδµίου (Ni-Cd) και ιόντων λιθίου (Li-ion). Σχήµα 19: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης µε βάση την αποδιδόµενη ισχύ και το χρόνο εκφόρτισης και έµφαση στα συστήµατα συσσωρευτών. Την ίδια στιγµή, οι µπαταρίες νατρίου-θείου και µολύβδου-οξέος έχουν παρόµοιες δυνατότητες από άποψη µεγέθους αποδιδόµενης ισχύος (έως εκατοντάδες MW) ενώ οι ιόντων-λιθίου περιορίζονται στην κλίµακα των εκατοντάδων kw και οι νικελίου-καδµίου καλύπτουν µια ευρεία Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 30

31 περιοχή, από µερικά kw έως δεκάδες MW. Τέλος, όπως αναµενόταν, η αποδιδόµενη ισχύς των VRB και Zn-Br είναι ανεξάρτητη της περιόδου εκφόρτισης ενώ η τεχνολογία VRB επεκτείνει το εύρος εφαρµογής ακόµα και σε εφαρµογές των µερικών kw (περιοχή εφαρµογών για τον τελικό καταναλωτή και την εξασφάλιση ποιότητας ισχύος). Ακολούθως, οι υπερπυκνωτές βρίσκουν εφαρµογή στην περιοχή απόδοσης υψηλής ισχύος (ακόµα και MW) για ελάχιστο χρονικό διάστηµα, µε τους σφονδύλους να επιδεικνύουν τη δυνατότητά τους να εξυπηρετούν εφαρµογές µε απαιτήσεις υψηλής ισχύος για µικρά χρονικά διαστήµατα (high power flywheels) καθώς και εφαρµογές µε απαιτήσεις απόδοσης µέσης ισχύος για πιο µακρά χρονικά διαστήµατα (long duration flywheels). 6.2 Αυτοεκφόρτιση και Μέγιστη Περίοδος Αποθήκευσης Οπως αναφέρθηκε ήδη, ο όρος αυτοεκφόρτιση χρησιµοποιείται για να περιγράψει τις απώλειες του συστήµατος αποθήκευσης κατά την περίοδο αδράνειας / αναµονής. Γίνεται επίσης αντιληπτό πως είναι αυτές οι απώλειες οι οποίες καθορίζουν και τη µέγιστη συνιστώµενη περίοδο αυτονοµίας. Στο πλαίσιο αυτό, στο Σχήµα 20 η σηµασία των απωλειών αυτοεκφόρτισης συσχετίζεται µε την αντίστοιχη µέγιστη περίοδο αυτονοµίας, µε την αναλογία µεταξύ των δύο παραµέτρων να είναι εµφανής. Η σηµασία των απωλειών αυτοεκφόρτισης διαιρείται σε τέσσερις ποιοτικές περισσότερο κλίµακες, µε τις αµελητέες και µικρής σηµασίας απώλειες να αναφέρονται σε αυτοεκφόρτιση της τάξης του 5% ανά µήνα, τις σχετικά σηµαντικότερες να µεταφράζονται σε αυτοεκφόρτιση έως 30% ανά µήνα και τις ιδιαίτερα σηµαντικές να ξεπερνούν το 30% ανά µήνα. Σύµφωνα µε το σχήµα, οι µπαταρίες Na-S καθώς και οι µεγάλης κλίµακας τεχνολογίες όπως η αντλησιοταµίευση, η αποθήκευση µε συµπιεσµένο αέρα και τα στοιχεία ροής, εµφανίζουν µηδενικές εώς αµελητέες απώλειες αδράνειας, µε το αντίθετο να συµβαίνει στην περίπτωση των σφονδύλων και των υπερπυκνωτών, γεγονός που οδηγεί τους τελευταίους στον αποκλεισµό τους από εφαρµογές µε απαιτήσεις ικανής περίοδου αναµονής. Ως εκ τούτου, τα συστήµατα αυτά θεωρούνται κατάλληλα για εφαρµογές υψηλής συχνότητας / περιοδικότητας κύκλων φόρτισηςεκφόρτισης (π.χ. 1,000 κύκλοι το χρόνο) µε τις προηγούµενες, µεγάλης κλίµακας τεχνολογίες, να εστιάζουν σε εφαρµογές διαχείρισης ενέργειας και κλίµακας δικτύου. Σχήµα 20: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης µε βάση τις απώλειες αυτοεκφόρτισης και την προτεινόµενη περίοδο αδράνειας / αναµονής. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 31

32 6.3 Ενεργειακή Πυκνότητα και Πυκνότητα Ισχύος Τα γραφήµατα σχετικά µε την ενεργειακή πυκνότητα και την πυκνότητα ισχύος παρατίθενται στα Σχήµατα 21 και 22 αντίστοιχα. Λαµβάνοντας υπόψη τις πληροφορίες του Σχήµατος 21, προκύπτει πως τα περισσότερα χηµικά συστήµατα εµφανίζουν υψηλές τιµές ενεργειακής πυκνότητας, τόσο κατ όγκο όσο και κατά βάρος, σε αντίθεση µε τα µηχανικά και ηλεκτρικά συστήµατα. Μεταξύ των τελευταίων, µόνο οι σφόνδυλοι χαρακτηρίζονται από τιµές της τάξης των 90Wh/lit, εξαιτίας και της υψηλής πυκνότητας του συµπαγή ρότορα. Την ίδια στιγµή, αξίζει επίσης να σηµειωθεί η υπεροχή της αποθήκευσης ενέργειας µε συµπιεσµένο αέρα έναντι της αντλησιοταµίευσης σε όρους ενεργειακής πυκνότητας, µέγεθος ιδιαίτερα σηµαντικό για τα µεγάλης κλίµακας συστήµατα. Στη συνέχεια, σύµφωνα µε τις πληροφορίες του Σχήµατος 22, είναι τα ηλεκτρικά και µικρής κλίµακας µηχανικά συστήµατα (σφόνδυλοι) που εµφανίζουν καλύτερη συµπεριφορά σε ότι αφορά στην πυκνότητα ισχύος, µε τους υπερπυκνωτές να επιδεικνύουν τις υψηλότερες τιµές, ακολουθούµενοι από την αποθήκευση σε µαγνητικό πεδίο και τους σφονδύλους, και µε τα χηµικα συστήµατα να παρουσιάζουν ιδιαίτερα χαµηλές τιµές. Σχήµα 21: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης βάσει ενεργειακής πυκνότητας. Σχήµα 22: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης βάσει πυκνότητας ισχύος. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 32

33 6.4 ιάρκεια Ζωής και Μέγιστος Αριθµός Κύκλων Η διάρκεια ζωής και ο συνολικός αριθµός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης που µπορεί να υποστηρίξει ένα σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας είναι επίσης µια κρίσιµη παράµετρος επιλογής. Για το σκοπό αυτό, παρουσιάζεται στο Σχήµα 23 η σχέση µεταξύ διάρκειας ζωής και µέγιστου αριθµού κύκλων (για βάθος εκφόρτισης 80%) για τα διάφορα συστήµατα αποθήκευσης. Σχήµα 23: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης µε βάση τη διάρκεια ζωής και το µέγιστο αριθµό κύκλων. Σύµφωνα µε τις πληροφορίες του σχήµατος, παρότι τα περισσότερα των χηµικών συστηµάτων εµφανίζουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα όπως η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, η διάρκεια ζωής τους δεν ξεπερνά τα 15 χρόνια. Στον αντίποδα, τα µηχανικά και ηλεκτρικά συστήµατα (εκτός από τους σφονδύλους), εµφανίζουν διάρκεια ζωής µεγαλύτερη των 20 ετών, µε τεχνολογίες όπως η αντλησιοταµίευση να φτάνουν σε επίπεδα των ετών. Εν συνεχεία, τα χηµικά συστήµατα, εξαιρουµένης της τεχνολογίας PSB, περιορίζονται όχι µόνο από τη διάρκεια ζωής αλλά και από τον µέγιστο αριθµό κύκλων που µπορούν να εκτελέσουν (λιγότεροι από 1000 κύκλοι ανά χρόνο λειτουργίας κατά µέσο όρο αριστερά της κόκκινης καµπύλης) µε τις µπαταρίες µολύβδου-οξέος να χαρακτηρίζονται ως τα συστήµατα µε τη µικρότερη διάρκεια ζωής και δυνατότητα εκτέλεσης κύκλων. Από την άλλη πλευρά, οι σφόνδυλοι, οι υπερπυκνωτές και τα συστήµατα αποθήκευσης σε µαγνητικό πεδίο µπορούν να επαναλάβουν µεταξύ 2,500 και 3,500 κύκλους το χρόνο. 6.5 Κόστος Ενέργειας και Ισχύος Το αρχικό κόστος επένδυσης ενός συστήµατος αποθήκευσης εκφράζεται συνήθως ως το άθροισµα του ενεργειακού κόστους (ανά µονάδα ενέργειας, /kwh) και του κόστους ισχύος (ανά µονάδα ισχύος, /kw). Επιπλέον αυτών, στο αρχικό κόστος επένδυσης συµµετέχουν επίσης τα βοηθητικά συστήµατα λειτουργίας ενώ για τον υπολογισµό του κόστους παραγωγής σε επίπεδο κύκλου ζωής πρέπει να ληφθούν επίσης υπόψη παράµετροι όπως οι ανάγκες συντήρησης, η διάρκεια ζώης του συστήµατος σε σχέση µε το χρονικό ορίζοντα της επένδυσης και η τιµή αγοράς της ενέργειας για τη φόρτιση του συστήµατος. Σε κάθε περίπτωση, σηµαντικό ρόλο αποκτά, ιδιαίτερα για µεγάλης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 33

34 κλίµακας εγκαταστάσεις, η παρουσία οικονοµιών κλίµακας. Στο πλαίσιο αυτό, στο Σχήµα 24 παρουσιάζεται η κατάταξη των συστηµάτων αποθήκευσης αναφορικά µε το ενεργειακό και το κόστος ισχύος. Τα συστήµατα που κινούνται προς τα αριστερά του οριζόντιου άξονα και συνεπώς εµφανίζουν χαµηλές τιµές κόστους ισχύος θεωρούνται κατάλληλα για εφαρµογές ποιότητας ισχύος ενώ τα συστήµατα που κινούνται προς τα κάτω στον κατακόρυφο άξονα θεωρούνται κατάλληλα για εφαρµογές διαχείρισης ενέργειας. Συνολικά, τα µεγάλης κλίµακας συστήµατα (PHS, CAES, FC- HS) χαρακτηρίζονται από χαµηλότερο ενεργειακό κόστος ενώ τα µικρότερης (σφόνδυλοι, υπερπυκνωτές, αποθήκευση σε µαγνητικό πεδίο) από χαµηλότερο κόστος ισχύος. Σχήµα 24: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης µε βάση το ενεργειακό και το κόστος ισχύος. 6.6 Ωφέλιµη (Αξιοποιήσιµη) Ενέργεια και Χρόνος Απόκρισης Λαµβάνοντας υπόψη το βαθµό απόδοσης κατά το στάδιο της εκφόρτισης καθώς και το µέγιστο βάθος εκφόρτισης ενός συστήµατος αποθήκευσης, είναι δυνατός ο υπολογισµός του πραγµατικά αξιοποιήσιµου (ωφέλιµου) ποσού ενέργειας που βρίσκεται αποθηκευµένο σε ένα τέτοιο σύστηµα. Το αποτέλεσµα του υπολογισµού αυτού δίνεται στο αριστερό µισό του Σχήµατος 25, σε σχέση µε την αντίστοιχη κλίµακα ενεργειακής χωρητικότητας που κάθε σύστηµα εξυπηρετεί. Σηµειώνεται στο σηµείο αυτό πως στο συγκεκριµένο σχήµα πραγµατοποιείται ταυτόχρονα και διαχωρισµός µεταξύ των συστηµάτων που εξυπηρετούν εφαρµογές διαχείρισης ενέργειας (αριστερό µισό) και των συστηµάτων που εξυπηρετούν εφαρµογές ισχύος (δεξί µισό). Για την πρώτη οµάδα συστηµάτων µελετάται η πραγµατικά αξιοποιήσιµη ενέργεια και για τη δεύτερη η δυνατότητα άµεσης απόκρισης του εκάστοτε συστήµατος, στοιχεία δηλαδή που είναι ιδιαίτερα κρίσιµα για την κάθε οµάδα αντίστοιχα. Αναφορικά µε την πρώτη οµάδα συστηµάτων, οι τεχνολογίες υδρογόνου εµφανίζουν τη χαµηλότερη αξιοποίηση αποθηκευµένης ενέργειας, µε την αποθήκευση ενέργειας µε συµπιεσµένο αέρα (λόγω της ανάγκης για διατήρηση των επιθυµητών επιπέδων πίεσης του άερα) και τις µπαταρίες µολύβδου-οξέος (εξαιτίας της αδυναµίας τους να εκτελέσουν βαθιές εκφορτίσεις) να ακολουθούν. Αντίθετα, τα στοιχεία ροής και η Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 34

35 αντλησιοταµίευση εµφανίζουν υψηλή εκµετάλλευση των αποθεµάτων τους, µε την τεχνολογία VRB να πλησιάζει το 90%. Τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας σε µαγνητικό πεδίο από την άλλη πλευρά φέρονται να αποδίδουν τα µεγαλύτερα ποσά ισχύος αποκρινόµενα άµεσα, µε τους σφονδύλους να παρουσιάζουν σχετική καθυστέρηση στην ανάληψη φορτίου. Σχήµα 25: Κατάταξη συστηµάτων αποθήκευσης µε βάση την ωφέλιµη ενέργεια και το χρόνο απόκρισης. Σε συνέχεια των ανωτέρω, στο Σχήµα 26 παρουσιάζονται επίσης οι συνολικοί βαθµοί απόδοσης ανά εξεταζόµενη τεχνολογία. Οι σφόνδυλοι και τα ηλεκτρικά συστήµατα µαζί µε τις µπαταρίες νατρίου-θείου και ιόντων λιθίου εµφανίζουν βαθµό απόδοσης υψηλότερο του 80% που στην περίπτωση των τεχνολογιών υδρογόνου µειώνεται δραµατικά στα όρια του 50%. Τέλος, οι υπόλοιπες των τεχνολογιών εµπίπτουν στο εύρος µεταξύ 60% και 85%. 100% Cycle Efficiency 80% 60% 40% 20% PHS CAES FC-HS Na-S L/A VRB PSB Zn-Br Ni-Cd Li-ion SMES Flywheels SC Σχήµα 26: Συνολικός βαθµός απόδοσης για τα εξεταζόµενα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 35