ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Transcript

1 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΩΝ ΠΗΓΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Δημήτρης Ιψάκης 1,2, Σπύρος Βουτετάκης 1, Πάνος Σεφερλής 1,3, Φώτης Στεργιόπουλος 1, Σημίρα Παπαδοπούλου 1,4, Κώστας Ελμασίδης 5 Χρυσοβαλάντης Κεϊβανίδης 5 1 Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Τ.Α.), Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών (Ι.Τ.ΧΗ.Δ.) Τ.Θ. 6361, 571 Θέρμη, Θεσσαλονίκη 2 Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τ.Θ. 1517, 54124, Θεσσαλονίκη 3 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τ.Θ. 484, 54124, Θεσσαλονίκη 4 Τμήμα Αυτοματισμού, Αλεξάνδρειο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Θεσσαλονίκης (Α.Τ.Ε.Ι.Θ.), Τ.Θ. 141, 574, Θεσσαλονίκη 5 Συστήματα Sunlight A.B.E.E., Τ.Θ. 672, Νέο Όλβιο, Ξάνθη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην συγκεκριμένη εργασία, μελετώνται τρεις διαφορετικές στρατηγικές μέθοδοι διαχείρισης της ενέργειας σε Αυτόνομο Σύστημα Παραγωγής Ενέργειας. Το ολοκληρωμένο σύστημα αποτελείται από φωτοβολταϊκή συστοιχία και ανεμογεννήτριες για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές (Α.Π.Ε.), από συσκευή ηλεκτρόλυσης τύπου PEM (Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzer), από κυψέλη καυσίμου τύπου PEM (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), από την μονάδα αποθήκευσης του υδρογόνου καθώς και από το συσσωρευτή μολύβδου-οξέος (Pb-H 2 SO 4 ). Τα αποτελέσματα από τη σύγκριση των διαφόρων στρατηγικών λειτουργίας του συστήματος, φανέρωσαν σημαντικές πληροφορίες για τις ενεργειακές ανάγκες που δεν μπορούν να καλυφθούν από το υποσύστημα των Α.Π.Ε., καθώς και για την παραγωγή υδρογόνου κατά τη χρονική διάρκεια των τεσσάρων μηνών. Επιπλέον, προσδιορίσθηκαν εκείνες οι μεταβλητές που επηρεάζουν την λειτουργία του συστήματος και που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν κατά τον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση του ολοκληρωμένου συστήματος. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η χρήση ολοκληρωμένων συστημάτων εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε. για την παραγωγή υδρογόνου μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού και χρήσης του σε κυψέλες καυσίμου, αποτελεί μία αξιόπιστη λύση για την παραγωγή ενέργειας φιλικής προς το περιβάλλον. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης φωτοβολταϊκών συστημάτων και ανεμογεννητριών περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων τη μηδενική εκπομπή αέριων ρύπων, την υψηλή διάρκεια ζωής και το σχετικά μικρό κόστος συντήρησης και διατήρησης μίας τέτοιας μονάδας. Επιπλέον, η παραγωγή υδρογόνου μέσω της διάσπασης του νερού δεν προκαλεί την εκπομπή αέριων ρύπων όπως άλλες μέθοδοι [1,2]. Μερικές από τις εφαρμογές αυτών των συστημάτων αφορούν την ηλεκτροδότηση απομακρυσμένων περιοχών που δεν έχουν σύνδεση στο κύριο δίκτυο

2 ηλεκτροδότησης, την τροφοδότηση τηλεπικοινωνιακών σταθμών καθώς και την αφαλάττωση του νερού που απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας για να πραγματοποιηθεί. Υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας μελετήθηκαν και στο παρελθόν, όπου κάθε υποσύστημα ξεχωριστά αποτέλεσε πεδίο έρευνας και σχολιασμού χωρίς όμως να γίνει εκτενής μελέτη του ολοκληρωμένου συστήματος [3,4]. Σε αυτή την ερευνητική εργασία εξετάζονται διάφορα σενάρια λειτουργίας με στόχο την μελέτη της λειτουργίας του συσσωρευτή μολύβδου-οξέος καθώς και της πρόβλεψης της παραγωγής και κατανάλωσης του υδρογόνου κατά την διάρκεια τεσσάρων μηνών λειτουργίας του ολοκληρωμένου συστήματος. 2. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ολοκληρωμένη μονάδα που μελετάται σε αυτήν την εργασία, βρίσκεται εγκατεστημένη στην περιοχή Νέο Όλβιο της Ξάνθης στην εταιρία Συστήματα Sunlight. Μέρος της παραγόμενης ενέργεια από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία και τις ανεμογεννήτριες, οδηγείται για την κάλυψη των αναγκών του φορτίου σταθερής ισχύος 1kW, ενώ τυχόν περίσσεια ενέργειας οδηγείται σε συσκευή ηλεκτρόλυσης ισχύος 4.2kW p για την παραγωγή υδρογόνου. Το υδρογόνο αποθηκεύεται υπό πίεση σε κυλίνδρους από όπου τροφοδοτείται σε κυψέλη καυσίμου ισχύος 4kW p για εκ νέου παραγωγή ενέργειας. Λόγω των καιρικών συνθηκών και των μεταβολών τους κατά την διάρκεια του χρόνου, η όλη μονάδα συνοδεύεται από τον συσσωρευτή μολύβδου-οξέος χωρητικότητας 3Ah, 48V, του οποίου η λειτουργία έγκειται στην κάλυψη αναγκών που δεν μπορούν να καλυφθούν από το υποσύστημα των Α.Π.Ε.. Με στόχο την μεγαλύτερη αξιοπιστία και προστασία του συστήματος, μία βοηθητική συσκευή παροχής ενέργειας (Diesel Generator) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη αναγκών που δεν μπορούν να καλυφθούν από το σύστημα. Η ενδεχόμενη χρήση της όμως, θα προκύψει κατά την μελέτη του ολοκληρωμένου συστήματος. Τέλος, σε περίπτωση που υπάρχει μεγάλη περίσσεια ενέργειας που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί, τότε αυτή οδηγείται προς άλλες χρήσεις στο σύστημα. Σχήμα 1: Διάγραμμα του ολοκληρωμένου συστήματος εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε. 3. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΟΥ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΧΡΟΝΙΚΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΕΣΣΑΡΩΝ ΜΗΝΩΝ Ο σχεδιασμός και η ανάλυση ενός τόσο πολύπλοκου συστήματος απαιτεί την ύπαρξη κατάλληλων μαθηματικών μοντέλων με στόχο την μελέτη της λειτουργίας του κάθε υποσυστήματος ξεχωριστά [5,6]. Η θεωρητική μελέτη και η προσομοίωση του ολοκληρωμένου συστήματος πραγματοποιήθηκε με χρήση του υπολογιστικού προγράμματος Matlab.

3 3.1 Σύστημα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Η αποδιδόμενη ισχύς από την φωτοβολταϊκή συστοιχία δίδεται από την εξίσωση (1): P pv = V pv I pv ηconv (1) όπου I pv δηλώνει το ρεύμα λειτουργίας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε Α, V pv την τάση λειτουργίας της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε Volt και η conv δηλώνει την απόδοση του μετατροπέα DC/DC~9-95% [3]. Αντίστοιχα η ισχύς εξόδου από τις ανεμογεννήτριες δίνεται από την εξής σχέση [7]: ρ Α w 3 Pm = c p ( λ, β ) vwind ηinv (2) 2 όπου P m δηλώνει την μηχανική ισχύ εξόδου της ανεμογεννήτριας σε Watt, c p τον συντελεστή λειτουργίας της ανεμογεννήτριας, ρ την πυκνότητα του αέρα σε kg/m 3, Α την επιφάνεια σάρωσης της ανεμογεννήτριας σε m 2, v wind την ταχύτητα ανέμου σε m/s, λ το πηλίκο ταχύτητας άκρου ως προς την ταχύτητα του ανέμου (tip speed ratio), β την κλίση πτερυγίων (blade pitch angle) και η inv δηλώνει την απόδοση του μετατροπέα ΑC/DC~9-95%. Από τις παραπάνω εξισώσεις προσδιορίζεται η αποδιδόμενη ισχύς για το σύστημα των Α.Π.Ε. στα σχήματα 2 και Output Power, Watt Output Power, Watt Σχήμα 2: Αποδιδόμενη ισχύς από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία κατά τη διάρκεια τεσσάρων μηνών Σχήμα 3: Αποδιδόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες κατά τη διάρκεια τεσσάρων μηνών 3.2 Σενάρια Λειτουργίας του Αυτόνομου Συστήματος Παραγωγής Ενέργειας Η συνολική ισχύς, P RES προσδιορίζεται από το άθροισμα P pv και P m. Οι ενεργειακές ανάγκες, P load, του φορτίου είναι σταθερές και ίσες με 1kW. Η περίσσεια και το έλλειμμα ισχύος (ή ενέργειας) προσδιορίζονται από την σχέση (3): P = P RES P load (3) Βάση της παραπάνω σχέσης και με βάση τους αλγόριθμους διαχείρισης της ενέργειας μελετώνται ταυτόχρονα όλα τα υποσυστήματα της μονάδας. Χρησιμοποιούνται δύο όρια για την κατάσταση φόρτισης (State-of-Charge, SOC) του συσσωρευτή: SOC min (84%), όπου ενέργεια πρέπει να δοθεί από την κυψέλη καυσίμου εφόσον Ρ< και SOC max (91%), όπου η συσκευή ηλεκτρόλυσης λειτουργεί εφόσον υπάρχει ικανή περίσσεια ενέργειας. Τονίζεται ότι η κυψέλη καυσίμου αποδίδει ισχύ ίση με 1kW (εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά) ενώ το όριο SOC max μπορεί να ξεπερασθεί

4 εάν υπάρχει περίσσεια ενέργειας. Τα βασικά βήματα των τριών στρατηγικών διαχείρισης της ενέργειας είναι τα εξής: 1 ος Αλγόριθμος διαχείρισης της ενέργειας Εάν SOC min <SOC<SOC max, τότε ο συσωρευτής φορτίζει από την περίσσεια ενέργειας ή εκφορτίζει για να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες του συστήματος. Εάν SOC SOC min, τότε η κυψέλη καυσίμου καλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες και φορτίζει τη μπαταρία εφόσον υπάρχει έλλειμμα ενέργειας. Εάν SOC SOC max τότε η περίσσεια ενέργειας (Ε=P t) οδηγείται στη συσκευή ηλεκτρόλυσης εφόσον P min,elec P P max,elec, για την παραγωγή υδρογόνου. Εάν P<P min,elec τότε η περίσσεια ενέργειας οδηγείται προς φόρτιση του συσσωρευτή και εάν P>P max,elec τότε παρέχεται ισχύς στη συσκευή ηλεκτρόλυσης ίση με P max,elec και η υπόλοιπη ενέργεια οδηγείται για περαιτέρω φόρτιση [5, 6]. 2 ος Αλγόριθμος διαχείρισης της ενέργειας Εάν SOC min <SOC<SOC max ή εάν SOC SOC min, τότε ο αλγόριθμος είναι ίδιος με τον πρώτο. Εάν SOC SOC max τότε η περίσσεια ενέργειας οδηγείται στην συσκευή ηλεκτρόλυσης εφόσον P min,elec P P max,elec. Εάν P<P min,elec τότε ο συσσωρευτής παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια (εκφόρτιση) για λειτουργία της συσκευής ηλεκτρόλυσης και εάν P>P max,elec τότε στη συσκευή ηλεκτρόλυσης παρέχεται ισχύς ίση με P max,elec και η υπόλοιπη ενέργεια οδηγείται για περαιτέρω φόρτιση. 3 ος Αλγόριθμος διαχείρισης της ενέργειας Εάν SOC SOC max ο συσσωρευτής αποσυνδέεται από την παροχή ενέργειας των Α.Π.Ε. και το σύστημα των Α.Π.Ε. καλύπτει μόνο την λειτουργία της συσκευής ηλεκτρόλυσης εάν P min,elec <P RES <P max,elec και ο συσσωρευτής καλύπτει τις ανάγκες του φορτίου. Εάν P RES <P min,elec, τότε η περίσσεια ενέργεια χάνεται, Ε loss, (οδηγείται προς άλλες χρήσεις) και εάν P RES >P max,elec τότε τότε στην συσκευή ηλεκτρόλυσης παρέχεται ισχύς ίση με P max,elec και η υπόλοιπη ενέργεια οδηγείται προς άλλες χρήσεις. Εάν SOC min <SOC<SOC max τότε ο συσωρευτής φορτίζει από την περίσσεια ενέργειας ή εκφορτίζει για να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες του συστήματος ενώ εάν SOC min SOC ο συσσωρευτής παύει να καλύπτει το φορτίο και η κυψέλη καυσίμου καλύπτει τις ανάγκες του φορτίου και το σύστημα των Α.Π.Ε. φορτίζει τον συσσωρευτή σε περίπτωση ελλείμματος ενέργειας. 3.3 Υποσύστημα Υδρογόνου Η μαθηματική εξίσωση που περιγράφει τη σχέση του παραγόμενου ή καταναλισκόμενου υδρογόνου και του ηλεκτρικού ρεύματος είναι [2]: nc I nh = nf (4) 2 n F όπου n H2 δηλώνει την ροή του υδρογόνου σε mol s -1, n c τον αριθμό των κελλίων, n τον αριθμό των ηλεκτρονίων (n = 2), F η σταθερά του Faraday As mol -1 και n F η απόδοση Faraday (στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου η σταθερά Faraday ορίζεται ως 1/n F ). Τα απαιτούμενα όρια λειτουργίας της συσκευής ηλεκτρόλυσης είναι από το 25% (15 Watt) ως το 1% (42 Watt) της ονομαστικής ισχύος. Όπως παρατηρείται στα σχήματα 4 και 5, η μείωση του υδρογόνου οφείλεται στη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου και η αύξηση στη παραγωγή υδρογόνου κατά τη λειτουργία της ηλεκτρόλυσης. Όπως παρατηρείται στον τρίτο αλγόριθμο η κατανάλωση υδρογόνου είναι πολύ μεγαλύτερη από την παραγωγή του και υπάρχει μεγάλη έλλειψη στο τέλος των τεσσάρων μηνών. Η μονάδα αποθήκευσης στην αρχή της μελέτης θεωρείται πως βρίσκεται στο 9% της ονομαστικής χωρητικότητας της.

5 Total Hydrogen, Nm st Algorithm 2 nd Algorithm 3 rd Algorithm Storage Pressure, bar st Algorithm 2 nd Algorithm 3 rd Algorithm -1 Σχήμα 4: Παραγωγή και κατανάλωση υδρογόνου κατά τη διάρκεια τεσσάρων μηνών Σχήμα 5: Πίεση της μονάδας αποθήκευσης κατά τη διάρκεια των τεσσάρων μηνών 3.4 Επίδραση Μεταβλητών στη Λειτουργία του Αυτόνομου Συστήματος Παραγωγής Ενέργειας Η μελέτη του ολοκληρωμένου συστήματος απαιτεί την ανάλυση του ελάχιστου ορίου της κατάστασης φόρτισης SOC min καθώς και της ισχύος εξόδου της κυψέλης καυσίμου. Πολύ χαμηλό όριο SOC min μπορεί να προκαλέσει μείωση της διάρκειας ζωής του συσσωρευτή ενώ υψηλή ισχύς από την κυψέλη καυσίμου θα ανάγκαζε την κυψέλη καυσίμου να λειτουργεί για μικρότερο χρονικό διάστημα αλλά ταυτόχρονα θα απαιτούσε μεγάλες ποσότητες αποθηκευμένου υδρογόνου [5,6]. Από τον πίνακα 1 παρατηρείται πως μείωση στο SOC min προκαλεί μείωση του παραγόμενου και καταναλισκόμενου υδρογόνου αλλά αύξηση στο συνολικό υδρογόνο ενώ η αύξηση της ισχύος της κυψέλης καυσίμου, προκαλεί αύξηση του παραγόμενου και καταναλισκόμενου υδρογόνου αλλά μείωση στο συνολικό υδρογόνο. Στον τρίτο αλγόριθμο η κυψέλη καυσίμου αποδίδει πάντα ισχύ ίση με P load οπότε και δεν μελετάται η επίδραση της ισχύος της κυψέλης καυσίμου. H 2,-Elec, Νm 3 H 2 -FC, Νm 3 H 2 Tot, Νm 3 E Loss, kwh 1 ος Αλγόριθμος SOC min =84% 2 ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος SOC min =8% 2 ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος SOC min =76% 2 ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος P FC =1kW 1 ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος P FC =2kW 1 ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος P FC =4kW 1 ος Αλγόριθμος ος Αλγόριθμος Πίνακας 1: Αποτελέσματα για την παραγωγή και κατανάλωση υδρογόνου για τρεις τιμές του SOC min και για τρεις τιμές της ισχύος της κυψέλης καυσίμου

6 4. Συμπεράσματα-Μελλοντικά Βήματα Στην συγκεκριμένη εργασία παρουσιάστηκαν τα αποτελέσματα λειτουργίας ενός Αυτόνομου Συστήματος Παραγωγής Ενέργειας για χρονική περίοδο τεσσάρων μηνών. Η αυτονομία λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου με βάση το αποθηκευμένο υδρογόνο υπολογίσθηκε για τον πρώτο και δεύτερο αλγόριθμο στις 85.6kWh και 39.2kWh (περίπτωση για SOC min =84% και ισχύς εξόδου της κυψέλης καυσίμου ίση με 1kW). Με στόχο την προστασία του συσσωρευτή η βοηθητική συσκευή ενέργειας (Diesel Generator) θα μπορούσε να υποβοηθά το σύστημα σε περιπτώσεις μεγάλου ελλείμματος ενέργειας και κυρίως ελλείμματος σε υδρογόνο. Σε μελλοντική ερευνητική εργασία νέοι αλγόριθμοι διαχείρισης της ενέργειας θα αναπτυχθούν και θα συγκριθούν μεταξύ τους με στόχο την βελτιστοποίηση του ολοκληρωμένου συστήματος και την ανάπτυξη κατάλληλου συστήματος ρύθμισης ( plant-wide model based control strategy). ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παραπάνω αναφερθείσα μελέτη, συντελείται με την συμμετοχή του ΕΚΕΤΑ/ΙΤΧΗΔ και της εταιρίας Συστήματα Sunlight Α.Β.Ε.Ε. στα πλαίσια του Γ' Κ.Π.Σ.-Π.Ε.Π. Ανατολικής Μακεδονίας-Θράκης, με την συγχρηματοδότηση της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης (Γ.Γ.Ε.Τ./ΥΠ.ΑΝ). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. D. Ipsakis, P. Kechagiopoulos, C. Martavaltzi, S. Voutetakis, P. Seferlis, P. Daoutidis, F. Stergiopoulos, Study of an integrated system for the production of hydrogen by autothermal reforming of methanol, ESCAPE-17, 27-3 May 27, Romania 2. Δ. Ιψάκης, Π. Κεχαγιόπουλος, Χ. Μαρταβαλτζή, Φ. Στεργιόπουλος, Θ. Ιωαννίδης, Σ., Μελέτη μονάδας παραγωγής υδρογόνου μέσω αναμόρφωσης της μεθανόλη, 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Κατάλυσης, 6-7 Οκτωβρίου 26, Λευκάδα 3. Ø. Ulleberg, Stand-Alone Power Systems for the Future: Optimal Design, Operation & Control of Solar-Hydrogen Energy Systems. PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology, 1998, Trondheim 4. Μ. Kolhe, K. Agbossou, J. Hamelin, Τ.Κ. Bose, Analytical model for predicting the performance of photovoltaic array coupled with a wind turbine in a stand-alone renewable energy system based on hydrogen, 23, Renewable energy 28, pp D. Ipsakis, C. Elmasides, F. Stergiopoulos, S. Voutetakis, P.Seferlis, Simulation of a stand-alone power system using renewable energy sources and hydrogen storage, 1th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, ISCHIA Island Gulf οf Naples June 27, Italy 6. D. Ipsakis, F. Stergiopoulos, S. Voutetakis, C. Elmasides, P. Seferlis, S. Papadopoulou, Study of an autonomous power system based on solar and wind energy with hydrogen as the intermittent energy source for future use, 4 th Dubrovnik Conference on Sustainable Development of Energy Water and Environmental Systems, June , Dubrovnik, Croatia 7. Η. Siegfried, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley & Sons Ltd, 1998