ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική εργασία Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Σπυρίδωνα Χ. Γιαννόπουλου Με Αριθμό Μητρώου Τμήματος 6494 Θέμα: «Έλεγχος τριφασικού ac/dc αντιστροφέα από την πλευρά του δικτύου για απευθείας στήριξη της αέργου ισχύος με τοπική παραγωγή αιολικού συστήματος» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:.. Πάτρα, Ιούλιος 2014

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Έλεγχος τριφασικού ac/dc αντιστροφέα από την πλευρά του δικτύου για απευθείας στήριξη της αέργου ισχύος με τοπική παραγωγή αιολικού συστήματος» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών Σπυρίδωνα Χ. Γιαννόπουλου Με Αριθμό Μητρώου Τμήματος 6494 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών στις././2014 Ο Επιβλέπων Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα. Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής... Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής

4

5 Στη γυναίκα μου και την οικογένειά μου

6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ i ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά όλους όσους με βοήθησαν στην εκπόνηση της παρούσης εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον επιβλέποντα καθηγητή μου, κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για τη βοήθεια και την καθοδήγηση που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια της συνεργασίας μας. Τέλος, ευχαριστώ εγκάρδια τους διδακτορικούς φοιτητές του Τμήματος κ. Ιωάννη Μαγγανά και κ. Μιχάλη Μπουρδούλη για τη βοήθεια και την υποστήριξη που μου παρείχαν για την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας.

8 ii ΕΙΣΑΓΩΓΗ

9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ iii ΠΕΡΙΛΗΨΗ Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις της σύγχρονης κοινωνίας σε συνδυασμό με τις ραγδαίες κλιματικές αλλαγές μας οδηγούν στην ανάγκη παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατό πιο οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Έτσι, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερο μερίδιο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλάζοντας συνεχώς τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Τα αιολικά συστήματα, τα οποία αξιοποιούν την κινητική ενέργεια του ανέμου, είναι ένα είδος ΑΠΕ. Στην παρούσα εργασία μελετάμε ένα αιολικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από μία ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν μετατροπέα πηγής τάσης, ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου και μία γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους. Η αυξημένη αξιοπιστία και απόδοση της ΣΜΜΜ την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Στην εργασία αυτή προσομοιώνουμε σε περιβάλλον Matlab/Simulink το σύστημα που περιγράψαμε παραπάνω. Εφαρμόζοντας τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου από την πλευρά της μηχανής προσπαθούμε να πετύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, ενώ στην πλευρά του δικτύου προσπαθούμε μέσω άμεσου ελέγχου ροής ισχύος να πετύχουμε μοναδιαίο συντελεστή ισχύος με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης. Στη συνέχεια, μέσω ενός πρόσθετου ελέγχου προσπαθούμε να κρατήσουμε την τάση στην έξοδο του φίλτρου σταθερή, κατά τη διάρκεια πτώσης της τάσης του δικτύου. Τέλος, παραθέτουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με έναν σύντομο σχολιασμό και τα συμπεράσματα.

10 iv ΕΙΣΑΓΩΓΗ ABSTRACT The continuously increasing energy requirements of modern society combined with the rapid climate changes lead us to the need to produce electrical energy in a more economic and environmentally friendly way. Thus, the Renewable Energy Sources gain an increasing share of electrical energy production, constantly changing the global energy map. Wind power systems, which utilize the kinetic energy of the wind, are a kind of RES. In this thesis we study a wind power system, which comprises a variable speed wind turbine, which uses a permanent magnet synchronous machine, a voltage source converter, an R-L filter in the grid side and a short transmission line. The increased reliability and performance of PMSG make it particularly attractive solution for wind power systems. In this thesis we simulate in Matlab/Simulink environment the system described above. Applying appropriate control techniques on the machine side we try to achieve maximum power harvesting from the wind, while on the grid side we try through direct power flow control to achieve unit power factor with simultaneous control of the dc link voltage. Then, using an additional control we try to keep constant the voltage at the end of the R-L filter during a grid voltage drop. Finally, we present the simulation results along with a brief commentary and the conclusions.

11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ v

12 vi ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετήσουμε ένα αιολικό σύστημα μεταβλητών στροφών που αποτελείται από μία σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, έναν μετατροπέα πηγής τάσης, ένα R-L φίλτρο και μία γραμμή μεταφοράς μικρού μήκους. Στη συνέχεια, θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε τις κατάλληλες τεχνικές ελέγχου, ώστε να επιτύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο στην πλευρά της μηχανής, μοναδιαίο συντελεστή ισχύος με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης στην πλευρά του δικτύου. Επίσης, θα προσπαθήσουμε μέσω ενός επιπλέον ελεγκτή να κρατήσουμε την τάση στην έξοδο του φίλτρου σταθερή, όταν συμβεί μία πτώση τάσης στο δίκτυο. Τέλος, θα υλοποιήσουμε το παραπάνω σύστημα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα το προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου, πτώσεων τάσης του δικτύου και για απευθείας στήριξη της τάσης στην έξοδο του φίλτρου και θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα με έναν σύντομο σχολιασμό. Αναλυτικά, στο Πρώτο Κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με το ενεργειακό πρόβλημα και την κλιματική αλλαγή, τα οποία αποτελούν τα δύο πιο σοβαρά προβλήματα του πλανήτη. Έπειτα, θα κάνουμε μία αναφορά σε όλες τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και θα ασχοληθούμε ιδίως με την αιολική ενέργεια. Κλείνοντας το πρώτο κεφάλαιο θα δούμε στοιχεία που αφορούν τη χρήση και την εξέλιξη της αιολικής ενέργειας στην Ευρώπη και παγκοσμίως. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο θα αναφερθούμε πιο διεξοδικά στην αιολική ενέργεια, ξεκινώντας με την πλήρη μαθηματική ανάλυση του ανέμου και της αιολικής ενέργειας. Ακολούθως, θα παρουσιάσουμε τη δομή και τους τύπους των ανεμογεννητριών, καθώς και τις χρησιμοποιούμενες τοπολογίες στα αιολικά συστήματα. Τέλος, θα κάνουμε μία σύντομη περιγραφή στις μεθόδους ελέγχου που χρησιμοποιούνται σήμερα στις ανεμογεννήτριες. Στο Τρίτο Κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε τη σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη μαζί με το πλήρες μαθηματικό της μοντέλο. Στη συνέχεια, θα παρουσιάσουμε τον μετασχηματισμό Park, μέσω του οποίου μεταφερόμαστε στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων. Έπειτα, θα αναλύσουμε το μοντέλο του μετατροπέα πηγής τάσης και της γραμμής μεταφοράς. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο θα αναλύσουμε τις τεχνικές ελέγχου που θα χρησιμοποιήσουμε. Σκοπός του ελέγχου του συστήματός μας είναι η μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο, μοναδιαίος συντελεστής ισχύος από την πλευρά του δικτύου, ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης και απευθείας στήριξη της τάσης στην έξοδο του φίλτρου. Θα εφαρμόσουμε, λοιπόν, τον κατάλληλο μετασχηματισμό εισόδου για να καταλήξουμε σε γραμμικές διαφορικές εξισώσεις, οι οποίες διέπουν το πλήρες σύστημα. Τέλος, θα υπολογίσουμε τα κέρδη των PI ελεγκτών. Στο Πέμπτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος που θα προσομοιώσουμε, τα τεχνικά χαρακτηριστικά του, καθώς και τα κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και τα συμπεράσματα.

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ vii

14 viii ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 1.1 Το Ενεργειακό Πρόβλημα Τα Αίτια Το Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Το Πρωτόκολλο του Κιότο Ευρωπαϊκές Δεσμεύσεις Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Τα Είδη Τα Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Η Αιολική Ενέργεια.. 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 2.1 Η Περιγραφή του Ανέμου Το Βήμα του Πτερυγίου Η Δομή της Ανεμογεννήτριας Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Τύποι Ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Τύποι Γεννητριών Ασύγχρονη Επαγωγική Γεννήτρια Επαγωγική Γεννήτρια με Ηλεκτρονικά Μεταβαλλόμενη Αντίσταση (OSIG) Επαγωγική Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Κλωβού (SCIG) Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας (DFIG) Σύγχρονη Γεννήτρια Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα (WRSG) Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη (PMSG) Χαρακτηριστικά Μεγέθη Ανεμογεννητριών Ο Έλεγχος στις Ανεμογεννήτριες Ο Μηχανικός Έλεγχος Ο Ηλεκτρονικός Έλεγχος Εφαρμοζόμενες Τοπολογίες στις Ανεμογεννήτριες Τοπολογία Α Τοπολογία Β Τοπολογία Γ Τοπολογία Δ Η Διασύνδεση των Αιολικών Πάρκων.. 60 Σελ.

15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ix ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ 3.1 Οι Εξισώσεις της Σύγχρονης Μηχανής Μόνιμου Μαγνήτη Εισαγωγή στη Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη Ο Μετασχηματισμός Park Οι Εξισώσεις της ΣΜΜΜ στο a-b-c και στο d-q Σύστημα Ο Μετατροπέας Πηγής Τάσης (VSC) Το Μοντέλο του Μετατροπέα στην Πλευρά του Δικτύου στο d-q Πλαίσιο Αναφοράς Το Μοντέλο του Μετατροπέα για Άμεσο Έλεγχο Ροής Ισχύος Η Γραμμή Μεταφοράς Το Μοντέλο της Γραμμής Μεταφοράς.. 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΙΟΛΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΜΗΧΑΝΗ ΜΟΝΙΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΗ 4.1 Έλεγχος Προσανατολισμένος στο Πεδίο (Field Oriented Control) Ο Έλεγχος στην Πλευρά της Μηχανής Ο Έλεγχος του Ρεύματος του d Άξονα Ο Έλεγχος του Ρεύματος του q Άξονα Ο Έλεγχος στην Πλευρά του Δικτύου Ο Έλεγχος της Αέργου Ισχύος Ο Έλεγχος της dc Τάσης Προσδιορισμός των Κερδών των PI Ελεγκτών Έλεγχος του Συστήματος για Απευθείας Στήριξη της Τάσης στην Έξοδο του Φίλτρου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ MATLAB/SIMULINK ΚΑΙ ΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ 5.1 Το Σύστημα της Προσομοίωσης Το Συνολικό Μοντέλο του Συστήματος Τα Τεχνικά Χαρακτηριστικά του Συστήματος Τα Αποτελέσματα της Προσομοίωσης Αποτελέσματα για Βηματική Αλλαγή στην Ταχύτητα του Ανέμου Αποτελέσματα για Βηματική Αλλαγή στην Τάση του Δικτύου Αποτελέσματα Ελέγχου για Απευθείας Στήριξη της Τάσης Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Σελ.

16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ενέργεια και ΑΠΕ 1.1 Το ενεργειακό πρόβλημα Τα Αίτια Η αλόγιστη σπατάλη των ενεργειακών πόρων κατά τη διάρκεια των τεσσάρων τελευταίων δεκαετιών έχει σαν αποτέλεσμα τα σημερινά ενεργειακά αδιέξοδα. Η σπατάλη αυτή οφείλεται κυρίως στην τεράστια παγκόσμια βιομηχανία των ανεπτυγμένων χωρών και στη ραγδαία εξελισσόμενη των αναπτυσσόμενων οικονομιών καθώς και στην υπερκαταναλωτική νοοτροπία της σύγχρονης κοινωνίας. Ο κόσμος σήμερα έχει ανάγκη από ενέργεια εν προκειμένω ηλεκτρική, που είναι μια μορφή καθαρής ενέργειας φιλικής προς το περιβάλλον, σε επαρκείς ποσότητες. Επίσης, απαραίτητη είναι η καλή ποιότητα της παρεχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, μιας και τα σύγχρονα δίκτυα είναι φορτωμένα με μια πληθώρα ηλεκτρονικών συσκευών. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, που σχετίζεται άμεσα με την ποιότητα ζωής και το βιοτικό επίπεδο των ανθρώπων, έχει αυξηθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια. Συγκεκριμένα, το ⅓ της παγκόσμιας παραγόμενης ενέργειας μετατρέπεται σε ηλεκτρική και αξιοποιείται ανάλογα για φωτισμό, θέρμανση, κίνηση κ.ά. Ωστόσο για την κίνηση προτιμούμε άλλες μορφές πιο κατάλληλες, που δεν απαιτούν την ενδιάμεση μετατροπή σε ηλεκτρική μορφή, όπως το φυσικό αέριο. Η παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση εικοσαπλασιάστηκε τα τελευταία 100 χρόνια. Κυρίαρχο ρόλο στην παγκόσμια καταναλισκόμενη ενέργεια έχουν οι Η.Π.Α. με ένα ποσοστό 23%, πράγμα που συμφωνεί με το γεγονός ότι υψηλό βιοτικό επίπεδο συνεπάγεται και υψηλή κατανάλωση σε ενέργεια. Το 2008 η ενέργεια αυτή αντιστοιχούσε σε 132,000 TWh. Σύμφωνα με στοιχεία του ΙΕΑ (International Energy Agency), η μέση κατανάλωση ενέργειας ανά άτομο αυξήθηκε κατά την περίοδο κατά 10%. Ενώ, η αντίστοιχη αύξηση του πληθυσμού της Γης, την ίδια περίοδο, ήταν 27%.

18 2 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Προέλευση αυτής της καταναλισκόμενης ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο είναι το πετρέλαιο με ποσοστό 35%, ακολουθεί ο άνθρακας και το φυσικό αέριο με ποσοστό 22% και 21% αντίστοιχα και στη συνέχεια έχουμε ένα 16% από τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Όμως, αυτό το 16% προέρχεται κυρίως από βιομάζα (10%) και έτσι μόνο ένα μικρό ποσοστό (περί το 6%) απομένει για τις κατεξοχήν ΑΠΕ. Συγκεκριμένα, από τις κατεξοχήν ΑΠΕ το μεγαλύτερο μέρος προέρχεται από υδροηλεκτρικά (3.4%) και ένα μικρό ποσοστό (2.8%) για αιολικά, φωτοβολταϊκά και άλλες σύγχρονες ΑΠΕ. Το υπόλοιπο 6% της παγκόσμιας ενέργειας συμπληρώνεται από την πυρηνική ενέργεια. Τα ίδια στοιχεία για την παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δείχνουν πως οι ανανεώσιμες πηγές συνεισφέρουν κατά 19%, εκ του οποίου το 16% προέρχεται από υδροηλεκτρικά και μόνο το 3% από άλλες ΑΠΕ, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1 Η προέλευση ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως το 2010 Στο σχήμα 1.2 βλέπουμε την προέλευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη. Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι ενώ το 1971 το 49% της ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη παραγόταν από άνθρακα, το 2008 μόνο το 28% της ηλεκτρικής ενέργειας παραγόταν από την πηγή αυτή. Επίσης, οι ΑΠΕ ενώ το 1971 αποτελούσαν το 17% περίπου της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και αποτελούταν μόνο από υδροηλεκτρικά έργα, το 2008 αποτελούσαν και πάλι το 17%, αλλά αυτή τη φορά έχουμε και τη συμμετοχή της γεωθερμικής, της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας καθώς και της βιομάζας. Όπως αντιλαμβανόμαστε υπάρχει αρκετό περιθώριο για την ανάπτυξη σύγχρονων υποδομών σε φωτοβολταϊκά και αιολικά συστήματα.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 3 Σχήμα 1.2 Η προέλευση ηλεκτρικής ενέργειας για την Ε.Ε. κατά τα έτη 1971 και 2008 (Ε.Ε. των 27). (Πηγή EWEA) Η άποψη πως θα πρέπει να κινηθούμε προς αυτή την κατεύθυνση ενισχύεται και από τις πολλές κοινωνικές αντιδράσεις που έχει δημιουργήσει η χρήση της πυρηνικής ενέργειας λόγω του κινδύνου πυρηνικών ατυχημάτων που ενέχει η λειτουργία ενός πυρηνικού εργοστασίου. Παρά τις σύγχρονες μεθόδους ελέγχου που διαθέτουμε για την ασφαλή λειτουργία τέτοιων εργοστασίων, δεν έχουμε εξαλείψει παντελώς τον κίνδυνο ενός πυρηνικού ατυχήματος. Κάποια θλιβερά τέτοια γεγονότα είναι το ατύχημα στο Chernobyl το 1986 και το πρόσφατο ατύχημα στην Fukushima το Οι συνέπειες μόλυνσης του περιβάλλοντος από ένα τέτοιο πυρηνικό ατύχημα είναι ανυπολόγιστες, τρομακτικές και χρόνιες. Οι κάτοικοι των γύρω περιοχών κινδυνεύουν από ανίατες παθήσεις. Για το λόγο αυτό δε θα πρέπει να επενδύουμε στην εξάπλωση της πυρηνικής ενέργειας, αλλά στον περιορισμό της. Από την άλλη πλευρά, οι συνέπειες μόλυνσης του περιβάλλοντος από την καύση του πετρελαίου, του άνθρακα, του λιγνίτη και άλλων ορυκτών καυσίμων δε μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες μιας και παράγουν τεράστιες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ), που όπως θα εξηγηθεί παρακάτω έχει καταστροφικές περιβαλλοντολογικές συνέπειες. Μερικά στατιστικά στοιχεία πάνω στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στη χώρα μας δείχνουν πως μια σύγχρονη λιγνιτική ηλεκτροπαραγωγική μονάδα εκπέμπει περίπου 1 τόνο διοξειδίου του άνθρακα ανά MWh παραγόμενης ενέργειας. Αυτό το στοιχείο σε συνδυασμό με το γεγονός ότι σύμφωνα με τους κανόνες που έχει θέσει η Ευρωπαϊκή Ένωση θα αναγκαζόμαστε να πληρώνουμε δικαιώματα μόλυνσης δημιουργεί σοβαρά προβλήματα. Με σημερινά δεδομένα, τα δικαιώματα μόλυνσης κυμαίνονται γύρω στα 25 ανά εκπεμπόμενο τόνο διοξειδίου του άνθρακα. Το κόστος μόλυνσης μεταφράζεται σε ένα ποσό ύψους 1.4 δις. το χρόνο. Κόστος που θα αναγκάζεται να καταβάλει η Δ.Ε.Η.. Το ελληνικό ηλεκτρικό σύστημα είναι δομημένο ως εξής: έχουμε 12.7 GW εγκατεστημένη ισχύ και μια παραγωγή της τάξης των 60,000 GWh ανά έτος. Συγκριτικά, η αντίστοιχη παγκόσμια παραγωγή σε ηλεκτρική ενέργεια ανέρχεται σε 23 τρις. GWh ανά έτος. Από τα παραπάνω,

20 4 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ μπορούμε να συμπεράνουμε πόσο μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα εκπέμπονται κάθε χρόνο στην ατμόσφαιρα ανά τον κόσμο. Τα παραπάνω στοιχεία σε συνδυασμό με την ανάλυση του προβλήματος που δημιουργεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου, που ακολουθεί παρακάτω, συντελούν στο να συμπεράνουμε πως ούτε περιβαλλοντολογικά επιτρεπτό είναι να εκπέμπουμε με αυτούς τους ρυθμούς διοξείδιο του άνθρακα και άλλους ρύπους για την κάλυψη των ενεργειακών μας αναγκών, ούτε οικονομικά αποδεκτό να ξοδεύουμε τέτοια ποσά για εξαγορά ρύπων και αποκατάστασης του περιβάλλοντος και της δημόσιας υγείας. Αλλά, μας ωθούν να στραφούμε προς μια άλλη φιλική προς το περιβάλλον μορφή ενέργειας που θα απαιτήσει μεν κάποιο αρχικό κόστος υποδομών, θα εξασφαλίσει όμως τη βιωσιμότητα του πλανήτη Το Φαινόμενο του Θερμοκηπίου Το φαινόμενο του θερμοκηπίου οφείλεται σε ορισμένα αέρια τα οποία περιβάλλουν την ατμόσφαιρα της Γης. Τα αέρια αυτά απορροφούν μέρος της επανεκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας από τη Γη προς το διάστημα με αποτέλεσμα να θερμαίνουν την επιφάνεια της Γης και τα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Με αυτόν τον τρόπο, δεν επιτρέπουν τη θερμοκρασία στην επιφάνεια της Γης να φτάσει σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, όπως αυτές που επικρατούν στη μεσόσφαιρα, ένα από τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας που βρίσκεται σε απόσταση km από την επιφάνεια της Γης. Οι θερμοκρασίες που επικρατούν στη μεσόσφαιρα είναι οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που απαντώνται στη Γη και κυμαίνονται από -85 έως -100 ο C. Επομένως, το φαινόμενο του θερμοκηπίου δεν έχει από μόνο του αρνητική σημασία, αλλά θετική. Όμως, η παρέμβαση του ανθρώπου τις τελευταίες δεκαετίες οδήγησε στην υπερβολική αύξηση κάποιων αερίων του θερμοκηπίου και κυρίως του διοξειδίου του άνθρακα, με συνέπεια την αφύσικη αύξηση της θερμοκρασίας. Τα αέρια του θερμοκηπίου είναι οι υδρατμοί (H 2 O) που δημιουργούν το 36-70% του φαινομένου, το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που δημιουργεί το 9-26%, το μεθάνιο (CH 4 ) που δημιουργεί το 4-9%, τα οξείδια του αζώτου, οι χλωροφθοράνθρακες (CFCs) και το όζων (O 3 ) που δημιουργεί το 3-7%. Η κατάχρηση γεωργικών φαρμάκων και λιπασμάτων καθώς και η καύση πετρελαίου, άνθρακα, λιγνίτη και άλλων ορυκτών καυσίμων για ενεργειακούς σκοπούς αύξησαν τις συγκεντρώσεις των αερίων αυτών στην ατμόσφαιρα. Συγκεκριμένα, το διοξείδιο του άνθρακα έχει αυξηθεί κατά 36% από το 1750 και το μεθάνιο κατά 148%, με αποτέλεσμα να αυξάνεται διαρκώς η θερμοκρασία της Γης. Η καύση ορυκτών καυσίμων τα τελευταία 20 χρόνια οφείλεται για τα ¾ της αύξησης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, ενώ για το υπόλοιπο ¼ ευθύνεται η καταστροφή των δασών. Εκτιμάται πως η θερμοκρασία της Γης έχει αυξηθεί κατά 0.8 o C τα τελευταία 100 χρόνια, με τα ⅔ της αλλαγής να συμβαίνουν τις τρεις τελευταίες δεκαετίες. Στο Σχήμα 1.3 βλέπουμε την παγκόσμια μέση θερμοκρασιακή μεταβολή από το 1880 έως το 2010, σε σχέση με τη μέση θερμοκρασία της περιόδου Η μαύρη

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 5 γραμμή είναι η μέση ετήσια θερμοκρασία, ενώ η κόκκινη είναι η μέση τιμή της πενταετίας. Οι πράσινες γραμμές είναι ανακρίβειες στις μετρήσεις. Σχήμα 1.3 Η παγκόσμια μέση θερμοκρασιακή μεταβολή από το 1880 έως σήμερα. (Πηγή NASA GISS) Οι προβλέψεις, όμως, για τη θερμοκρασιακή μεταβολή για τα επόμενα 100 χρόνια κάνουν λόγο για αυξήσεις της τάξης των ο C για τις ελάχιστες εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα (σενάριο καλύτερης περίπτωσης) και της τάξης των o C για τις μέγιστες (σενάριο χειρότερης περίπτωσης). Στο Σχήμα 1.4 φαίνεται μια εκτίμηση για την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της περιόδου σε σχέση με τη μέση θερμοκρασία της περιόδου , όπως αυτή προκύπτει από το κλιματικό μοντέλο HadCM3. Σχήμα 1.4 Η πρόβλεψη της επιφανειακής αύξησης της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια του 21 ου αιώνα σύμφωνα με το μοντέλο HadCM3.

22 6 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Η μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας θα έχει σαν αποτέλεσμα το λιώσιμο των πάγων στις πολικές περιοχές και πιθανή αύξηση των υποτροπικών ερήμων. Ήδη τεράστια παγόβουνα αποκόβονται και κατευθύνονται σε νοτιότερα πλάτη όπου και λιώνουν αυξάνοντας τη στάθμη της θάλασσας. Εκτιμάται ότι η στάθμη της θάλασσας έχει ανέβει cm τα τελευταία 100 χρόνια και σύμφωνα με τον IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) θα αυξηθεί cm τα επόμενα 100. Στο Σχήμα 1.5 βλέπουμε τη μέση μεταβολή του πάχους των παγετώνων στις πολικές περιοχές (σε εκατοστά ανά έτος) και τη συνολική μεταβολή του πάχους τους (σε μέτρα) από το 1950 και έπειτα. Σύμφωνα με δορυφορικές μετρήσεις εκτιμάται ότι οι παγετώνες στην Αρκτική Θάλασσα μειώνονται με ρυθμό 11.5% ανά δεκαετία, σε σχέση με τον μέσο όρο της περιόδου Ακόμα, πολλά είδη του ζωικού βασιλείου απειλούνται με εξαφάνιση λόγω της συντελούμενης κλιματικής αλλαγής. Επιπλέον, πρόσθετη κλιματική αλλαγή θα επηρεάσει ορισμένα οικοσυστήματα, όπως η τούνδρα και οι κοραλλιογενείς ύφαλοι. Σχήμα 1.5 Η μέση μεταβολή ανά έτος και η συνολική μεταβολή του πάχους των παγετώνων από το Οι κλιματικές αλλαγές στον πλανήτη είναι πλέον εμφανείς (θερμότερα καλοκαίρια, ψυχρότεροι χειμώνες, ερημοποίηση μεγάλων περιοχών του πλανήτη, το φαινόμενο El Niño, κ.ά.). Επιπλέον, τα ακραία καιρικά φαινόμενα συνεχώς αυξάνονται (σφοδρές καταιγίδες, πλημμύρες ποταμών, καταστροφικοί τυφώνες, τσουνάμι κ.τ.λ.). Όλα αυτά είναι αποτέλεσμα της κακής διαχείρισης που έκανε τόσα χρόνια ο άνθρωπος. Οι ενεργειακοί πόροι κατασπαταλήθηκαν και το περιβάλλον δε λογαριάστηκε καθόλου. Τα δάση κατακάηκαν χωρίς να ληφθεί ειδική μέριμνα για την προστασία και τη διαφύλαξή τους. Ακόμα και σήμερα κάθε καλοκαίρι καίγονται χιλιάδες στρέμματα δασικής έκτασης. Αυτή τη στιγμή επομένως βιώνουμε τις

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 7 δραματικές συνέπειες των λάθος επιλογών και πολιτικών που ακολουθήσαμε τις τελευταίες δεκαετίες Το πρωτόκολλο του Κιότο Για την αντιμετώπιση των ραγδαίων κλιματικών αλλαγών η διεθνής κοινότητα συμφώνησε στη μείωση των εκπομπών αερίων υπογράφοντας τη σύμβαση πλαίσιο για την κλιματική αλλαγή, γνωστή ως το πρωτόκολλο του Κιότο. Η συμφωνία αυτή επικυρώθηκε από περισσότερες από 100 χώρες στο Κιότο της Ιαπωνίας το Οι ανεπτυγμένες χώρες, λοιπόν, δεσμεύτηκαν να μειώσουν συνολικά τις εκπομπές των 6 κύριων αερίων του θερμοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, υποξείδιο του αζώτου και διάφορα βιομηχανικά φθοριούχα αέρια) κατά 5.2% με βάση τις εκπομπές του 1990 έως το Το πρωτόκολλο δεν έχουν υπογράψει οι Η.Π.Α. και το Αφγανιστάν, ενώ τον Οκτώβριο του 2011 αρκετές άλλες χώρες αρνήθηκαν να συνεχίσουν την περαιτέρω μείωση των εκπομπών τους μετά το Το πρωτόκολλο του Κιότο αποτελεί ένα θετικό βήμα για τη σωτηρία του πλανήτη και για την προώθηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, καθώς αποτελεί την πρώτη συμφωνία που έθεσε συγκεκριμένο στόχο μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου και αναγνώρισε την κοινή αλλά διαφοροποιημένη ευθύνη των διαφόρων χωρών. Σχήμα 1.6 Σχηματική αναπαράσταση εκπομπών GHGs με και χωρίς λήψη μέτρων. Ωστόσο, μια σειρά πολύπλοκων μηχανισμών δημιουργήθηκαν μαζί με το πρωτόκολλο του Κιότο. Οι μηχανισμοί αυτοί δίνουν το δικαίωμα στις ανεπτυγμένες χώρες να εμπορεύονται πιστώσεις μεταξύ τους, δηλαδή όταν μια χώρα καταφέρει να μειώσει σε μεγαλύτερο ποσοστό τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από αυτό για το οποίο δεσμεύτηκε, μπορεί να εμπορευτεί την επιπλέον αυτή ποσότητα με κάποια άλλη χώρα, η οποία δεν κατάφερε να φτάσει τον αρχικό της στόχο.

24 8 1.1 ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Ευρωπαϊκές Δεσμεύσεις Το πιο αποτελεσματικό ρυθμιστικό πλαίσιο για τον περιορισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και την ταυτόχρονη ανάπτυξη των ΑΠΕ έχει πραγματοποιηθεί από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρότεινε το 2007 μια δέσμη μέτρων προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι σοβαρές κλιματικές αλλαγές και ταυτόχρονα να ενισχυθεί η ενεργειακή ασφάλεια και η ανταγωνιστικότητα της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Έτσι, τέθηκαν τρεις στόχοι με χρονικό ορίζοντα το 2020: Η αύξηση του ποσοστού διείσδυσης των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας στην τελική κατανάλωση στο επίπεδο του 20%. Η βελτίωση της απόδοσης των ενεργειακών συστημάτων κατά 20%. Η αύξηση του ποσοστού χρησιμοποίησης των βιοκαυσίμων στις μεταφορές στο 10%. Η ύπαρξη μιας συνισταμένης προσπάθειας από όλα τα κράτη μέλη της Ε.Ε. οδηγεί στη μείωση της εξάρτησης της Ευρώπης από τα ορυκτά καύσιμα με ταυτόχρονη αύξηση των ΑΠΕ. Στο Σχήμα 1.7 φαίνεται η ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση της Ε.Ε. το 2011 και η πρόβλεψη για το Σχήμα 1.7 Πηγή Ευρωπαϊκή Επιτροπή

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Τα Είδη Με τον όρο Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) εννοούμε εκείνες τις πηγές ενέργειας οι οποίες παραμένουν αναλλοίωτες χρονικά ως προς τα αποθέματά τους. Είναι πρακτικά ανεξάντλητες και επηρεάζονται μόνο από τις εκάστοτε καιρικές συνθήκες. Τις διακρίνουμε στα παρακάτω είδη: Ηλιακή Ενέργεια: Είναι η κατεξοχήν Ανανεώσιμη Πηγή Ενέργειας μιας και σχεδόν όλες οι άλλες πηγές ενέργειας σε αυτήν οφείλουν την ύπαρξή τους. Εξαίρεση αποτελούν η γεωθερμική, η πυρηνική και η παλιρροιακή. Εκτιμάται ότι η ισχύς που φτάνει στην επιφάνεια της Γης από τον Ήλιο είναι 174 PW (P=10 15 ). Η ηλιακή ενέργεια, δυστυχώς, είναι λίγο προβληματική στην εκμετάλλευσή της μέχρι σήμερα, αν και τον τελευταίο καιρό γίνονται αξιόλογες προσπάθειες με τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Η εκμετάλλευσή της γίνεται με δύο κυρίως τρόπους: α) με φωτοβολταϊκά συστήματα, που μετατρέπουν άμεσα την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική και β) με ηλιακά θερμικά συστήματα, τα οποία μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμική μέσω συγκεντρωτικών κατόπτρων ή κάποιας άλλης μεθόδου και από εκεί μετατρέπεται σε άλλες μορφές. Το κόστος εγκατάστασης της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας παραμένει αρκετά υψηλό και ανέρχεται σε 5,000 /kwp περίπου. Η παγκόσμια εγκατεστημένη φωτοβολταϊκή ισχύς ξεπερνά τα 40 GWp. Οι ρυθμοί αύξησης της φωτοβολταϊκής ισχύος είναι 60% ετησίως για τα πέντε τελευταία χρόνια. Το μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό πάρκο στον κόσμο βρίσκεται στην Αριζόνα των Η.Π.Α. και είναι ισχύος 290 MWp, ενώ υπό κατασκευή βρίσκεται ένα φωτοβολταϊκό πάρκο ισχύος 550 MWp στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α., το οποίο αναμένεται να λειτουργήσει εντός του Αιολική Ενέργεια: Είναι η κινητική ενέργεια των ανέμων. Δημιουργείται από τη διαφορά θερμοκρασίας και πιέσεως των αερίων μαζών, οι οποίες αναγκάζονται να κινηθούν. Είναι η ανεξάντλητη και σχετικά οικονομική στην εκμετάλλευσή της με ένα κόστος εγκατάστασης περίπου 2 εκατ. /MW (στις Η.Π.Α. το κόστος εγκατάστασης ήταν 2,120 $/kw το 2009 και σημείωσε μια αύξηση 9% σε σχέση με το 2008). Επίσης, η αιολική ενέργεια παράγει μηδενικές εκπομπές σε αέρια του θερμοκηπίου. Το συνολικό διαθέσιμο αιολικό δυναμικό του πλανήτη εκτιμάται πως είναι 5 φορές μεγαλύτερο από τη σημερινή παγκόσμια

26 ΟΙ ΑΠΕ παραγωγή ενέργειας ή 40 φορές μεγαλύτερο από τη σημερινή ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αιολικά πάρκα διακρίνονται σε χερσαία και σε υπεράκτια. Οι άνεμοι που πνέουν στα υπεράκτια πάρκα είναι έως και 90% ισχυρότεροι από αυτούς που πνέουν στα χερσαία. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα, όμως, των χερσαίων αιολικών πάρκων είναι πως δεν κάνουν πλήρη κάλυψη της έκτασης που χρησιμοποιούν, αλλά μόνο ένα μικρό ποσοστό αυτής, αφήνοντας την υπόλοιπη επιφάνεια ελεύθερη για καλλιέργεια και βοσκή. Στις Η.Π.Α. οι κάτοικοι νοικιάζουν καλλιεργήσιμες εκτάσεις για εγκατάσταση αιολικών συστημάτων και πληρώνονται 3,000-5,000 $ για κάθε ανεμογεννήτρια που φιλοξενούν στην έκτασή τους. Ένα χερσαίο αιολικό πάρκο μπορεί να απαριθμεί μερικές εκατοντάδες ανεμογεννήτριες και να καταλαμβάνει έκταση εκατοντάδων τετραγωνικών χιλιομέτρων. Το μεγαλύτερο χερσαίο αιολικό πάρκο στον κόσμο, το οποίο αποτελείται από μια ομάδα αιολικών πάρκων με πάνω από 3,500 ανεμογεννήτριες, βρίσκεται στη Γκανσού της Κίνας και έχει εγκατεστημένη ισχύ 5,160 MW με σχέδια επέκτασης σε 20,000 MW το Το δεύτερο μεγαλύτερο χερσαίο αιολικό πάρκο στον κόσμο βρίσκεται στην Ινδία, εγκατεστημένης ισχύος 1,064 MW. Το μεγαλύτερο υπεράκτιο αιολικό πάρκο στον κόσμο είναι το London Array στο Ηνωμένο Βασίλειο με εγκατεστημένη ισχύ 630 MW. Το πάρκο περιλαμβάνει 175 ανεμογεννήτριες των 3.6 MW της εταιρίας Siemens. Βιομάζα: Αποτελεί την πηγή για το 10% της συνολικής παγκόσμιας ενέργειας. Η βιομάζα προέρχεται κυρίως από ξύλα, αλλά και από επεξεργασμένα ζαχαρότευτλα με τα οποία παράγονται βιοκαύσιμα, όπως η βιοαιθανόλη, που είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτούσια ως καύσιμο για τα αυτοκίνητα, αλλά χρησιμοποιείται συνήθως ως προσθετικό της βενζίνης για τη βελτίωση της απόδοσής της. Το 2010 το 2.7% των καυσίμων που χρησιμοποιήθηκαν στις μεταφορές παγκοσμίως ήταν βιοαιθανόλη, ενώ το ίδιο έτος η παραγωγή βιοαιθανόλης έφτασε τα 86 δισ. λίτρα. Το 2009 παρήχθησαν συνολικά 93 δισ. λίτρα βιοκαυσίμων που ισοδυναμούν με 68 δισ. λίτρα βενζίνης, δηλαδή το 5% της ετήσιας παραγωγής βενζίνης. Σύμφωνα με τον IEA το 2050 πάνω από το 25% της παγκόσμιας ζήτησης καυσίμων θα καλύπτεται από βιοκαύσιμα. Σήμερα, σχεδόν όλη η βενζίνη που πωλείται στις Η.Π.Α. είναι αναμεμειγμένη με 10% βιοαιθανόλη, ένα μείγμα γνωστό ως E10. Τέλος, όλοι οι κατασκευαστές αυτοκινήτων σήμερα στις Η.Π.Α. σχεδιάζουν αυτοκίνητα για δυνατότητα λειτουργίας με πρόσμιξη σε βιοαιθανόλη σε ποσοστό μέχρι και 85% (E85). Γεωθερμική Ενέργεια: Εκμεταλλεύεται κοιτάσματα θερμού αέρα ή ύδατος που αναβλύζουν από τη Γη. Δεν είναι ανεξάντλητη, διότι τα αποθέματα αυτά

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 11 είναι περιορισμένα. Απαντάται κυρίως σε ηφαιστειογενείς περιοχές και χρησιμοποιείται κυρίως σε ατμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής, όπου αντικαθιστά την πρωτογενή πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού. Η γεωθερμική ενέργεια λαμβάνεται αξιοποιώντας τη θερμότητα της ίδιας της Γης, είτε από βάθος χιλιομέτρων στον φλοιό της Γης σε περιοχές με ενεργή ηφαιστειογενή δραστηριότητα, είτε από ρηχά βάθη, όπως οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, που βρίσκονται στα περισσότερα μέρη του πλανήτη. Το κόστος εγκατάστασης ενός τέτοιου εργοστασίου είναι αρκετά υψηλό, όμως το κόστος λειτουργίας του είναι πολύ χαμηλό, οδηγώντας σε χαμηλό κόστος παραγόμενης kwh. Υπάρχουν τρεις τύποι γεωθερμικών εργοστασίων: ξηρού ατμού, πίδακα ύδατος και δυικά. Στην πρώτη κατηγορία, ο εξερχόμενος από το έδαφος ξηρός ατμός χρησιμοποιείται για να οδηγήσει απευθείας μια τουρμπίνα, η οποία είναι συνδεδεμένη με μια γεννήτρια. Στην κατηγορία των γεωθερμικών εργοστασίων τύπου πίδακα ύδατος, νερό θερμοκρασίας μεγαλύτερης των 200 o C εξέρχεται από τη Γη. Καθώς το νερό ανεβαίνει προς την επιφάνεια βράζει. Στη συνέχεια, διαχωρίζεται η αέρια φάση σε διαχωριστές ατμούύδατος και με τον ατμό οδηγείται η τουρμπίνα. Στα δυικά γεωθερμικά εργοστάσια, το θερμό νερό περνά διαμέσου ενός εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος βράζει ένα οργανικό διάλυμα με το οποίο οδηγείται τελικά η τουρμπίνα. Ο συμπυκνωμένος ατμός και το εναπομείναν διάλυμα και στις τρεις κατηγορίες εργοστασίων οδηγούνται πίσω στον θερμό βράχο για να απορροφήσουν περισσότερη θερμότητα. Το μεγαλύτερο γεωθερμικό εργοστάσιο στον κόσμο (1,808 MW) βρίσκεται στην Καλιφόρνια των Η.Π.Α. Η συνολική παγκόσμια εγκατεστημένη γεωθερμική ισχύς υπολογίζεται σε 10.7 GW. Υδροηλεκτρική Ενέργεια: Αποτελεί το 3.4% της συνολικής παραγόμενης ενέργειας το 2010 και είχε συνολική παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύ 1,010 GW. Αυτά αντιστοιχούν στο 16% της παγκόσμιας παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ή στο 76% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας παραγόμενης αποκλειστικά από ΑΠΕ. Επειδή, το νερό είναι 800 φορές πυκνότερο από τον αέρα μπορεί ακόμα και με μικρές ταχύτητες να αποδώσει σημαντικά ποσά ενέργειας. Στο Σχήμα 1.8 βλέπουμε το μερίδιο που είχε η κάθε μορφή ΑΠΕ (παγκοσμίως) στο τέλος του Σε αυτό παρατηρούμε την υδροηλεκτρική ενέργεια να καταλαμβάνει ποσοστό μεγαλύτερο του 50%. Επίσης, στο ίδιο σχήμα βλέπουμε και το μερίδιο που είχε η κάθε μορφή ενέργειας γενικά στη συνολική ενεργειακή πίτα.

28 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.8 Το μερίδιο της κάθε μορφής ΑΠΕ στο τέλος του Η μεγαλύτερη υδροηλεκτρική μονάδα στον κόσμο είναι το Three Gorges στην Κίνα και έχει εγκατεστημένη ισχύ 22.5 GW. Ακολουθεί το Itaipu που βρίσκεται στα σύνορα Βραζιλίας και Παραγουάης με εγκατεστημένη ισχύ 14 GW. Η μεγαλύτερη υδροηλεκτρική μονάδα στις Η.Π.Α. είναι το Grand Coulee με εγκατεστημένη ισχύ 6.8 GW και είναι η 6 η μεγαλύτερη υδροηλεκτρική μονάδα στον κόσμο. Πλεονέκτημα αυτής της μορφής ενέργειας είναι το μηδαμινό κόστος λειτουργίας καθώς και το χαμηλό κόστος της παραγόμενης kwh. Μειονεκτήματα αποτελούν κυρίως η καταστροφή του φυσικού περιβάλλοντος κατά την κατασκευή του φράγματος ενός μεγάλου υδροηλεκτρικού έργου. Στο Σχήμα 1.9 βλέπουμε την εγκάρσια τομή ενός υδροστροβίλου και δίπλα το μέγεθος ενός ανθρώπου για σύγκριση.

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 13 Σχήμα 1.9 Η εγκάρσια τομή ενός υδροστροβίλου. Η μορφολογία του περιβάλλοντος μπορεί πολλές φορές να αλλοιωθεί τελείως κατά τη διάρκεια κατασκευής ενός υδροηλεκτρικού εργοστασίου, μιας και ολόκληρα ποτάμια εκτρέπονται από την πορεία τους για να οδηγηθούν σε πιο πρόσφορα μέρη για την κατασκευή του φράγματος. Τα ποτάμια αφήνουν πίσω τους άνυδρα τα εδάφη απ όπου περνούσαν. Επίσης, πολλοί υδροβιότοποι εξαφανίζονται μετά την κατασκευή του φράγματος. Επιπροσθέτως, υπολογίζεται ότι εκατ. κάτοικοι παγκοσμίως έχουν εκδιωχθεί από τα σπίτια τους για την κατασκευή φραγμάτων στις περιοχές όπου διέμεναν. Η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει επίσης κατηγορηθεί για τη δημιουργία μεθανίου στις τροπικές ζώνες, το οποίο είναι ένα από τα αέρια του θερμοκηπίου. Το μεθάνιο δημιουργείται από αναερόβιες διεργασίες, οι οποίες οφείλονται κυρίως στην αποσύνθεση δέντρων που πέφτουν μέσα στα φράγματα. Εκτιμάται πως η ποσότητα του μεθανίου που παράγεται από μεγάλα φράγματα, που δεν έχουν καθαριστεί πρόσφατα, είναι συγκρίσιμη με την ποσότητα που θα παραγόταν από έναν αντίστοιχο πετρελαϊκό ηλεκτροπαραγωγικό σταθμό. Η κατασκευή ενός μεγάλου φράγματος είναι ιδιαίτερα δαπανηρή και απαιτεί συλλογή κλιματολογικών δεδομένων της περιοχής για τουλάχιστον 50 χρόνια. Τα δεδομένα αυτά είναι απαραίτητα για τη σωστή επιλογή της τοποθεσίας του φράγματος. Στο Σχήμα 1.10 βλέπουμε την εγκάρσια τομή ενός υδροηλεκτρικού σταθμού.

30 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.10 Η τομή ενός υδροηλεκτρικού σταθμού. Ενέργεια των Θαλάσσιων Κυμάτων: Εκμεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των θαλάσσιων κυμάτων. Στο Σχήμα 1.11 βλέπουμε την ελλειπτική τροχιά ενός αντικειμένου που κινείται μέσα στη θάλασσα. Για μεγάλα βάθη (Α) το πλάτος της τροχιάς του αντικειμένου φθίνει γρήγορα όσο αυξάνεται το βάθος, ενώ για μικρά βάθη (Β) η τροχιά του αντικειμένου γίνεται πιο ελλειπτική με την αύξηση του βάθους. Στη δεύτερη περίπτωση ο πυθμένας βρίσκεται στη θέση Β. Συνεπώς, στην επιφάνεια βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του κύματος. Γι αυτό το λόγο, οι σταθμοί παραγωγής είναι επιφανειακοί και βρίσκονται συνήθως σε τοποθεσίες με μεγάλα βάθη, μερικά χιλιόμετρα μακριά από την ακτή. Σχήμα 1.11 Η ελλειπτική τροχιά ενός αντικειμένου σε ένα θαλάσσιο κύμα.

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 15 Το δυναμικό αυτής της πηγής είναι αρκετά ελκυστικό. Υπολογίζεται ότι η διαθέσιμη ισχύς παγκοσμίως ανέρχεται σε 2.7 TW εκ των οποίων με την παρούσα τεχνολογία μόνο το 0.5 TW είναι εκμεταλλεύσιμο. Το πρώτο θαλάσσιο πάρκο που κατασκευάστηκε το 2008 βρισκόταν στην Πορτογαλία και είχε εγκατεστημένη ισχύ 2.25 MW. Το πάρκο έκλεισε δύο μήνες μετά την έναρξη λειτουργίας του λόγω της παγκόσμιας οικονομικής κρίσης. Το 2007 χρηματοδοτήθηκε ένα θαλάσσιο πάρκο ισχύος 3 MW στη Σκωτία. Το πρώτο από τα 66 μηχανήματα που θα διαθέτει το πάρκο ξεκίνησε να λειτουργεί το Παλιρροιακή Ενέργεια: Είναι η μηχανική ενέργεια των παλιρροιών και χρησιμοποιείται για την παραγωγή άλλων πιο εύχρηστων μορφών ενέργειας. Συνήθως, μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η παλιρροιακή ενέργεια είναι η μόνη πηγή ενέργειας, με εξαίρεση τη γεωθερμική και την πυρηνική, η οποία δεν εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια, αλλά τη μηχανική ενέργεια του συστήματος Γης Σελήνης και λιγότερο αυτή του συστήματος Ηλίου Γης. Η παλιρροιακή ενέργεια είναι αρκετά προβλέψιμη σε αντίθεση με άλλες μορφές, όπως η αιολική και η ηλιακή. Μειονεκτήματά της είναι το σχετικά υψηλό κόστος εγκατάστασης και οι περιορισμένες τοποθεσίες με επαρκώς υψηλά εύρη παλιρροιών και ταχυτήτων ροής. Εκτιμάται ότι η παλιρροιακή ροή δημιουργεί σταδιακά απώλειες στη μηχανική ενέργεια του συστήματος Γης Σελήνης με αποτέλεσμα, όπως υποστηρίζουν οι επιστήμονες, την τελική επιβράδυνση της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής της Γης. Ο πρώτος παλιρροιακός σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάστηκε το στη περιοχή Rance της Γαλλίας με εγκατεστημένη ισχύ 240 MW. Το 2011 κατασκευάστηκε το μεγαλύτερο παλιρροιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο, το οποίο βρίσκεται στη Νότιο Κορέα και έχει εγκατεστημένη ισχύ 254 MW. Υπό κατασκευή βρίσκεται ένα παλιρροιακό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επίσης στη Νότιο Κορέα, το οποίο θα έχει εγκατεστημένη ισχύ 840 MW και εκτιμάται πως θα έχει αποπερατωθεί μέχρι το Υπάρχουν τρεις τρόποι εκμετάλλευσης της παλιρροιακής ενέργειας. Ο πρώτος είναι οι γεννήτριες παλιρροιακής ροής (tidal stream generators), οι οποίες εκμεταλλεύονται απευθείας την κινητική ενέργεια του νερού, όπως οι ανεμογεννήτριες την κινητική ενέργεια του ανέμου, Ο δεύτερος είναι ο παλιρροιακός φράχτης (tidal barrage), ο οποίος αξιοποιεί τη δυναμική ενέργεια που υπάρχει στη διαφορά του ύψους μεταξύ χαμηλών και υψηλών παλιρροιών. Σε αυτή την κατηγορία χρησιμοποιούνται οπωσδήποτε φράγματα κατά μήκος ολόκληρης της έκτασης που καταλαμβάνει η παλίρροια. Ο τρίτος τρόπος είναι αυτός της δυναμικής παλιρροιακής ισχύος (dynamic tidal power). Αυτή είναι μια θεωρητική ακόμα τεχνολογία παραγωγής ενέργειας, η οποία θα αξιοποιεί την αλληλεπίδραση μεταξύ κινητικής και δυναμικής ενέργειας κατά τη διάρκεια της παλίρροιας. Προτείνει να κατασκευαστούν πολύ μεγάλα

32 ΟΙ ΑΠΕ φράγματα, μήκους km, από την ακτή κατ ευθείαν προς την ανοιχτή θάλασσα ή τον ωκεανό, χωρίς αυτά να περικλείουν καμία περιοχή. Οι διαφορές των φάσεων της παλίρροιας θα εφαρμόζονται κατά μήκος του φράγματος οδηγώντας σε μια σημαντική διαφορά της στάθμης του νερού στις ρηχές παράκτιες περιοχές. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα, ισχυρά ταλαντευτικά παλιρροιακά ρεύματα παράλληλα προς την ακτή. Τέτοια ρεύματα απαντώνται στο Ηνωμένο Βασίλειο, την Κίνα και την Κορέα. Στο Σχήμα 1.12 βλέπουμε την κάτοψη ενός δυναμικού παλιρροιακού φράγματος. Το μπλε χρώμα συμβολίζει τη χαμηλή και το κόκκινο την υψηλή στάθμη της παλίρροιας αντίστοιχα. Σχήμα 1.12 Η κάτοψη ενός δυναμικού παλιρροιακού φράγματος. Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς σε ΑΠΕ κάθε είδους ήταν το ,320 GW. Σύμφωνα με τον IEA μέχρι το 2060 η φωτοβολταϊκή και ηλιακή θερμική ισχύς θα επαρκούν για σχεδόν όλες τις ηλεκτρικές ενεργειακές και για τις μισές συνολικές ενεργειακές ανάγκες του πλανήτη. Για τις υπόλοιπες μισές θα επαρκούν η αιολική, η υδροηλεκτρική και η βιομάζα. Στο Σχήμα 1.13 φαίνεται η αύξηση της παγκόσμιας εγκατεστημένης ισχύος (σε GW) σε ΑΠΕ κάθε είδους την περίοδο

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 17 Σχήμα 1.13 Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς των διαφόρων μορφών ΑΠΕ από Τα Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Τα βασικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ συνοψίζονται παρακάτω: Είναι ανεξάντλητες. Είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Προσφέρουν ενεργειακή αυτάρκεια. Συμβάλουν στην οικονομική ανάπτυξη. Έχουν χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Είναι διεσπαρμένες σε ευρεία γεωγραφική θέση. Είναι αξιόπιστες. Από τα παραπάνω και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η Ε.Ε. έχει θέσει στόχο μέχρι το 2020 το 20% της ενέργειας να παράγεται από ΑΠΕ και οι εκπομπές σε διοξείδιο του άνθρακα να μειωθούν κατά 20% γίνεται σαφές πως θα πρέπει να στρέψουμε το ενδιαφέρον μας στις ΑΠΕ. Με την προοπτική να πραγματοποιηθούν οι κατάλληλες επενδύσεις για την επίτευξη αυτού του στόχου. Ευρέως αποδεκτή είναι και η άποψη πως ο τομέας της ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να κινηθεί στην κατεύθυνση των μηδενικών εκπομπών σε διοξείδιο του άνθρακα μέχρι το Ποια θα είναι η γραμμή που θα ακολουθηθεί μετά το 2020 είναι δύσκολο να πούμε. Θα ακολουθηθεί μια πορεία μηδενικής εκπομπής με αποκλειστική χρήση ΑΠΕ ή θα συνδυαστεί με κατασκευή νέων πυρηνικών

34 ΟΙ ΑΠΕ εργοστασίων και εργοστασίων δέσμευσης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα; Πάντως ένα σύστημα ισχύος 100% από ΑΠΕ μέχρι το 2050 είναι μια τεχνολογικά επιτρεπτή και οικονομικά αποδεκτή λύση. Μειονέκτημα των ΑΠΕ θεωρείται ο σχετικά χαμηλός βαθμός απόδοσής τους που οφείλεται κυρίως σε ενδογενείς παράγοντες (ανώτατο όριο 44% για τα φωτοβολταϊκά και 59% για τα αιολικά), αλλά και σε τεχνολογικές δυσκολίες που δημιουργούν περαιτέρω μείωσή του. Οι τελευταίες, ενδεχομένως να βελτιωθούν στο μέλλον με τη συμβολή και των σύγχρονων μεθόδων ελέγχου. Επίσης, σχετικά υψηλό παραμένει και το κόστος της παραγόμενης ενέργειας από ΑΠΕ. Ωστόσο, σύμφωνα με τα στοιχεία του AWEA (American Wind Energy Association) για το 2011 το κόστος της αιολικής ενέργειας στις Η.Π.Α. ανέρχεται σε 5-6 ($)/kwh και είναι 2 ($) φθηνότερο από το αντίστοιχο της παραγόμενης ενέργειας από άνθρακα. Επίσης, το κόστος της αιολικής kwh το 2004 είχε μειωθεί στο 1 / 5 του κόστους που είχε το Ακόμη, το 2006 εκτιμήθηκε και συγκρίθηκε το κόστος της αιολική ενέργειας στις Η.Π.Α. με εκείνο του άνθρακα και του φυσικού αερίου και τα αποτελέσματα από τότε δεν ήταν καθόλου αποθαρρυντικά. Για την αιολική ενέργεια προέκυψε κόστος παραγωγής 55.8 $/MWh, για τον άνθρακα 53.1 $/MWh, ενώ για το φυσικό αέριο 52.5 $/MWh. Ένα επιπλέον μειονέκτημα της αιολικής ενέργειας θεωρείται η θνησιμότητα που προκαλούν οι ανεμογεννήτριες σε διερχόμενα πουλιά. Κάτι τέτοιο, όμως, δεν είναι απόλυτα αληθές μιας και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες προκαλούν πολύ μεγαλύτερη θνησιμότητα στα πουλιά. Στο Σχήμα 1.14 βλέπουμε τη θνησιμότητα που προκαλούν στα πουλιά διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες. Από το σχήμα αυτό παρατηρούμε πως οι ανεμογεννήτριες δε βρίσκονται στις πρώτες θέσεις του πίνακα, αλλά στην προτελευταία. Ακόμη, ΜΚΟ προστασίας πουλιών αναγνωρίζουν ότι η κλιματική αλλαγή είναι η κύρια απειλή για την εξαφάνιση πολλών ειδών πουλιών και ότι η αιολική ενέργεια είναι μία παράμετρος κλειδί για την αποτροπή της κλιματικής αλλαγής. Εκτεταμένες προσπάθειες γίνονται, ώστε να αποφεύγεται η εγκατάσταση αιολικών πάρκων σε περιοχές που ενδεχομένως να προσελκύουν μεγάλο αριθμό πουλιών, όπως είναι οι δρόμοι μετανάστευσης αποδημητικών πουλιών. Σχήμα 1.14 Εκτιμώμενη θνησιμότητα πουλιών ανά έτος. (Πηγή EWEA)

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 19 Σημαντική, επίσης, είναι και η αποδοχή της αιολικής ενέργειας από τον κόσμο. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του 2007 η αιολική ενέργεια υποστηρίζεται από το 71% των Ευρωπαίων. Η αποδοχή των υπόλοιπων πηγών ενέργειας, σύμφωνα με τα ίδια στοιχεία, είναι η εξής: το 42% αποδέχεται το φυσικό αέριο, το 26% λέει ναι στον άνθρακα και μόλις το 20% συμφωνεί με την πυρηνική ενέργεια. Αυτό, ενισχύει την άποψη που εκφράσαμε προηγουμένως περί αλλαγής της πολιτικής στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Όσον αφορά τον θόρυβο που προκαλείται από τις ανεμογεννήτριες, αυτός σπάνια ακούγεται σε απόσταση μεγαλύτερη των 300 m. Στο Σχήμα 1.15 βλέπουμε τα επίπεδα θορύβου που δημιουργούνται από διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες. Όπως φαίνεται από το σχήμα, ο θόρυβος ενός αιολικού πάρκου που λειτουργεί σε απόσταση 350 m, είναι ισοδύναμος με τον θόρυβο ενός πολύβουου αυτοκινητόδρομου που βρίσκεται σε απόσταση 5 km. Τέλος, η Γαλλική Ομοσπονδία Υγειονομικής Ασφάλειας, Περιβάλλοντος και Εργασίας (AFSSET) σε μια έκθεσή της καταλήγει: «ο θόρυβος που προκαλείται από τις ανεμογεννήτριες δεν έχει καμία άμεση επίπτωση στην ανθρώπινη υγεία.». Σχήμα 1.15 Συγκριτικός πίνακας του θορύβου κοινότυπων δραστηριοτήτων. (Πηγή CIEMAT)

36 ΟΙ ΑΠΕ Μέριμνα πρέπει, επίσης, να ληφθεί και για το ενεργειακό δίκτυο, το οποίο στην Ευρώπη έχει αρχίσει να γερνά και απαιτείται αντικατάστασή του. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι μέχρι το 2020, εγκατεστημένη ισχύς ίση με το 42% της σημερινής εγκατεστημένης ισχύος της Ευρώπης θα πρέπει να έχει προστεθεί για να αντικαταστήσει παλιές μονάδες και να καλύψει την εκτιμώμενη αύξηση της ζήτησης, θα πρέπει να μας στρέψει προς μία νέα γενιά δικτύων. Σύμφωνα με τον EWEA (European Wind Energy Association), θα πρέπει να πάψουμε να σκεφτόμαστε τα ηλεκτρικά δίκτυα σαν εθνικές υποδομές και να αρχίσουμε να τα αναπτύσσουμε, ώστε να γίνουν ευρωπαϊκές λεωφόροι του εμπορίου ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα νέο, πανευρωπαϊκό δίκτυο, το οποίο θα συνδέει χερσαία και υπεράκτια αιολικά πάρκα και άλλες πηγές με τους καταναλωτές είναι απαραίτητο, ώστε η Ευρώπη να ανταπεξέλθει με την ολοένα αυξανόμενη ποσότητα ενέργειας που θα πρέπει να χειρίζεται. Ένα τέτοιο δίκτυο θα βοηθήσει την Ευρώπη να αυξήσει την ανταγωνιστικότητά της και την ενεργειακή της ασφάλεια Η Αιολική Ενέργεια Η αιολική ενέργεια είναι εκείνη η μορφή ενέργειας που δημιουργείται από την κίνηση αερίων μαζών λόγω της θερμοκρασιακής διαφοράς από περιοχή σε περιοχή. Η διαφορά αυτή δημιουργεί ένα σύστημα υψηλών χαμηλών πιέσεων, το οποίο θέτει σε κίνηση τις αέριες μάζες. Αέριες μάζες κινούνται από την περιοχή των χαμηλών βαρομετρικών προς την περιοχή των υψηλών βαρομετρικών για να καλύψουν τη θέση τους. Το αιολικό δυναμικό της Γης σε χερσαίες και παράκτιες περιοχές εκτιμήθηκε το 2005 ότι ανέρχεται σε 72 TW ή ισοδύναμα, σε 54 δισ. τόνους πετρελαίου το χρόνο. Ιστορικά, η αιολική ενέργεια αξιοποιήθηκε αρχικά από λαούς της Μεσοποταμίας, όπως τους Πέρσες οι οποίοι χρησιμοποιούσαν ανεμόμυλους κατακόρυφου άξονα ήδη από το 200 π.χ.. Ο ανεμοτροχός του Ήρωνος του Αλεξανδρινού σηματοδοτεί μια από τις πρώτες γνωστές στιγμές στην ιστορία μιας ανεμοκίνητης μηχανής. Στην αρχαιότητα, οι ανεμόμυλοι γενικά χρησιμοποιήθηκαν για το άλεσμα δημητριακών και την άντληση νερού. Στη συνέχει ακολουθούν οι σημαντικότεροι χρονολογικοί σταθμοί στην ιστορία της εξέλιξης των ανεμογεννητριών: Τον 7 ο αιώνα, οι πρώτοι ευρέως χρησιμοποιούμενοι ανεμόμυλοι κάνουν την εμφάνισή τους στο Σίσταν, μια περιοχή κοντά στο σημερινό Αφγανιστάν. Η χρήση τους ήταν για άλεσμα σιτηρών και άντληση ύδατος. Στην Ευρώπη κάνουν την εμφάνισή τους γύρω στον 11 ο με 12 ο αιώνα στο άλεσμα των δημητριακών. Στην Αμερική το 1850 εμφανίζεται ένα νέο είδος ανεμόμυλου με πολλά πτερύγια για άντληση ύδατος και κατακλύζει όλη την ύπαιθρο.

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 21 Το 1887 ο Σκωτσέζος James Blyth έκανε πειράματα για την παραγωγή ηλεκτρισμού από την αιολική ενέργεια. Η πρώτη ανεμογεννήτρια ήταν μια συσκευή φόρτισης μπαταριών, με την οποία τροφοδότησε την εξοχική κατοικία του. Το 1888 ο Αμερικανός Charles Brush παρήγαγε ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας μια αιολική μηχανή ύψους 18 m που τροφοδοτούσε μια γεννήτρια 12 kw. Μέσα στη δεκαετία του 1890 ο Δανός Poul la Cour κατασκευάζει ανεμογεννήτριες και παράγει ηλεκτρισμό. Αυτές είναι οι πρώτες ανεμογεννήτριες που μοιάζουν με τις σημερινές. Τη δεκαετία του 1970 μεγάλες βιομηχανίες των Η.Π.Α. συνεργάζονται με τη NASA σε ένα ερευνητικό πρόγραμμα, το οποίο σχεδίασε και δοκίμασε πολλά από τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων ανεμογεννητριών. Το 1979 ξεκινά η σύγχρονη αιολική βιομηχανία. Το 1985 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 15 m και ισχύος 500 kw. Το 2002 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 112 m και ισχύος 4.5 MW. Το 2005 κατασκευάζονται ανεμογεννήτριες διαμέτρου πτερυγίων 126 m και ισχύος 5 MW. Από το 2007 μέχρι σήμερα, η Enercon E-126 είναι η μεγαλύτερης ισχύος ανεμογεννήτρια σε λειτουργία στον κόσμο με ονομαστική ισχύ 7.54 MW, ύψος 198 m και διάμετρο πτερυγίων 126 m. Το 2011 η εταιρία Vestas δημιουργεί ανεμογεννήτριες ισχύος 7 MW για υπεράκτια αιολικά πάρκα με διάμετρο πτερυγίων 164 m και μια επιφάνεια σάρωσης 21,000 m 2. Στο Σχήμα 1.16 που ακολουθεί φαίνεται η εξέλιξη των ανεμογεννητριών από το 1985 έως σήμερα. Σχήμα 1.16 Η εξέλιξη των ανεμογεννητριών με το πέρασμα του χρόνου. (Πηγή EWEA)

38 ΟΙ ΑΠΕ Η παγκόσμια εγκατεστημένη ισχύς σε αιολικά συστήματα στο τέλος του 2012 ανήλθε σε 282,482 MW με πάνω από 200,000 ανεμογεννήτριες και παρήγαγε TWh ενέργειας, δηλαδή περίπου το 2.8% της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας το Στην Κίνα βρίσκονται εγκατεστημένα 91.4 GW, ενώ 61.1 GW βρίσκονται στις Η.Π.Α.. Έτσι, η Κίνα τώρα έχει τη μεγαλύτερη εγκατεστημένη ισχύ σε αιολικά συστήματα στον κόσμο. Στο Σχήμα 1.17 φαίνεται η αύξηση της παγκόσμιας εγκατεστημένης ισχύος από το 1996 έως το Σχήμα 1.17 Η παγκόσμια εγκατεστημένη αιολική ισχύς σε GW κατά τα έτη Τα πρωτεία στην εγκατεστημένη αιολική ισχύ κατείχαν οι Η.Π.Α. τις περιόδους και και η Γερμανία την περίοδο Σύμφωνα με στοιχεία του GWEC (Global Wind Energy Council), οι επενδύσεις σε αιολικά συστήματα παγκοσμίως άγγιξαν τα 25 δισ. το 2007, ενώ ο ρυθμός ανάπτυξης την ίδια χρονιά ήταν 37%, ακολουθώντας το 32% του Ο μέσος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας παγκοσμίως τα προηγούμενα πέντε χρόνια ήταν 27.6%. Οι εκτιμήσεις λένε πως οι ρυθμοί αυτοί θα πέσουν γύρω στο 16%, λόγω της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης. Σήμερα 12,000 MW εγκατεστημένης ισχύος βρίσκονται υπό κατασκευή στις Η.Π.Α. (διπλάσια από όσα κατασκευάζονταν τον ίδιο καιρό την προηγούμενη χρονιά). Ακόμα, το 35% όλων των ενεργειακών εγκαταστάσεων στις Η.Π.Α. από το 2005 και μετά είναι αιολικές και είναι περισσότερες από τις αντίστοιχες νέες εγκαταστάσεις άνθρακα και φυσικού αερίου μαζί. Στην Ευρώπη βρίσκονται εγκατεστημένα πάνω από 100,000 MW και εμφανίζουν ένα μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης της τάξης του 23% τα τελευταία 10 χρόνια. Μόνον η Ευρώπη είχε το 2009, το 48% της παγκόσμιας εγκατεστημένης

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 23 αιολικής ισχύος. Σήμερα, το 28% της ηλεκτρικής ενέργειας της Δανίας, το 19% της Πορτογαλίας, το 16% της Ισπανίας και της Ιρλανδίας και το 9% της Γερμανίας παράγεται από αιολική ενέργεια. Οι επενδύσεις που έγιναν σε χερσαία αιολικά πάρκα στην Ευρώπη το 2009 άγγιξαν τα δισ., ενώ σε υπεράκτια αιολικά πάρκα άγγιξαν τα 1.75 δισ.. Το 2010 οι επενδύσεις σε χερσαία αιολικά πάρκα ήταν δισ., ενώ σε υπεράκτια ήταν 2.65 δισ.. Οι προβλέψεις για τις επενδύσεις του 2020 μιλούν για δισ. σε χερσαία και δισ. σε υπεράκτια αιολικά πάρκα. Όλα τα παραπάνω ποσά αναφέρονται σε παρούσες αξίες ( 2010). Στο Σχήμα 1.18 βλέπουμε την εγκατεστημένη αιολική ισχύ των κρατών μελών της Ε.Ε. τα έτη 2009 και 2010, καθώς και την συνολική εγκατεστημένη ισχύ της Ε.Ε. στο τέλος του Σχήμα 1.18 Συνολική εγκατεστημένη αιολική ισχύς στην Ε.Ε. το (Πηγή EWEA) Το 2013 στον ευρωπαϊκό χάρτη εξέχοντα ρόλο έχει η Γερμανία (34,250 MW) και η Ισπανία (22,959 MW), ενώ ακολουθούν το Ηνωμένο Βασίλειο (10,531 MW), η Ιταλία (8,552 MW) και η Γαλλία (8,254 MW). Στο Σχήμα 1.19 βλέπουμε τον αιολικό χάρτη της Ευρώπης για το 2010.

40 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.19 Η εγκατεστημένη αιολική ισχύς σε MW ανά κράτος στην Ευρώπη το (Πηγή EWEA) Στόχοι της Ε.Ε. για την αιολική ενέργεια μέχρι το 2020, σύμφωνα με τον EWEA αποτελούν: o 230 GW εγκατεστημένης ισχύος, εκ των οποίων 190 GW χερσαία και 40 GW υπεράκτια. o Κάλυψη του % της ευρωπαϊκής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. o Ετήσιες εγκαταστάσεις 24.8 GW και ετήσιες επενδύσεις της τάξης των 26.6 δισ.. o Το 22.9% της ολικής ηλεκτρικής εγκατεστημένης ισχύος στην Ευρώπη να προέρχεται από αιολική ενέργεια. o Παραγωγή 581 TWh ηλεκτρικής ενέργειας, ισοδύναμη με κατανάλωση 131 εκατ. μέσων ευρωπαϊκών νοικοκυριών. o Αποφυγή Mt CO 2 ετησίως. o Εξοικονόμηση κόστους καυσίμου 23.9 δισ. (υποθέτοντας κόστος πετρελαίου, όπως προβλέπει ο IEA, ίσο με 97.4 $ το βαρέλι)., o Εξοικονόμηση 8.5 δισ. ετησίως, κόστος μόλυνσης σε CO 2 (υποθέτοντας κόστος 25 /t εκπεμπόμενου CO 2 ).

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 25 Στο Σχήμα 1.20 φαίνεται το ποσοστό συμμετοχής της κάθε μορφής ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Ε.Ε. το Σχήμα 1.20 Το ποσοστό συμμετοχής των διαφόρων ΑΠΕ στον ενεργειακό χάρτη της Ε.Ε. για το (Πηγή EWEA) Στο Σχήμα 1.21 φαίνεται ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ευρώπης, όπως αυτός προβλέπεται να διαμορφωθεί μέχρι το 2020.

42 ΟΙ ΑΠΕ Σχήμα 1.21 Ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ευρώπης το (Πηγή EWEA) Συνεχίζουμε την πορεία της αιολικής ενέργειας προς το Στο Σχήμα 1.22 που ακολουθεί βλέπουμε τον ευρωπαϊκό ενεργειακό χάρτη ΑΠΕ, όπως εκτιμάται ότι θα έχει διαμορφωθεί μέχρι το έτος Εδώ το δίκτυο είναι ικανό να λειτουργεί 100% με ΑΠΕ, έχοντας εγκατεστημένες τις αναγκαίες διασυνδέσεις και πλήρη ολοκλήρωση της αγοράς ενέργειας. Η αιολική ενέργεια προβλέπεται να καλύπτει το 50% της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας της Ευρώπης. Κυρίαρχο ρόλο στην αιολική ενέργεια θα έχει η Βόρεια Θάλασσα, η Βαλτική Θάλασσα, η Ιβηρική Χερσόνησος, η Νότια Γαλλία και η Κεντρική Ιταλία. Οι μεταβαλλόμενες ΑΠΕ θα αντισταθμίζονται από παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας στην Σκανδιναβία, στις Άλπεις και στην Ιβηρική Χερσόνησο. Τα φωτοβολταϊκά και η ηλιακή θερμική ενέργεια θα έχουν ένα

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΠΕ 27 καθοριστικό ρόλο στην αγορά ενέργειας της Νότιας Ευρώπης. Ενώ, η βιομάζα θα έχει καθοριστικό ρόλο στις αγορές ενέργειας της Κεντρικής και της Ανατολικής Ευρώπης. Σχήμα 1.22 Ο ενεργειακός χάρτης ΑΠΕ της Ευρώπης το (Πηγή EWEA) Συμπερασματικά, καταλήγουμε ότι παρά τα όποια προβλήματα υπάρχουν, όπως το σχετικά υψηλό κόστος εγκατάστασης, τη σχετικά ακριβή τιμή της παραγόμενης kwh, καθώς και την όχι πλήρως ολοκληρωμένη και εξελιγμένη τεχνολογία του αντικειμένου, τα αιολικά συστήματα αποτελούν μια σταθερή, οικονομικά εφικτή και περιβαλλοντικά φιλική λύση. Όπως δείχνουν τα πράγματα, η αιολική ενέργεια ήδη διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην Ελλάδα το αιλικό δυναμικό είναι αρκετά υψηλό, έτσι οι επενδύσεις θα πρέπει να συναντήσουν πρόσφορο έδαφος.

44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Αιολική Ενέργεια και Τύποι Ανεμογεννητριών 2.1 Η Περιγραφή του Ανέμου Άνεμος είναι η εξαναγκασμένη κίνηση των αερίων μαζών λόγω της ανισοκατανομής της θερμοκρασίας στην επιφάνεια της Γης. Η Γη θερμαίνεται ανισομερώς από τον Ήλιο, έτσι οι πόλοι απορροφούν λιγότερη ενέργεια από ότι ο ισημερινός. Σε συνδυασμό με τη διαφορετική θερμοχωρητικότητα που εμφανίζουν οι ωκεανοί από τη στεριά, δημιουργείται ένα παγκόσμιο ατμοσφαιρικό σύστημα μεταγωγής θερμότητας, που εκτείνεται από την επιφάνεια της Γης ως τη στρατόσφαιρα. Η στρατόσφαιρα δρα ως οροφή του συστήματος αυτού. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας, που έχει αποθηκευτεί στις κινήσεις των ανέμων, απαντάται κυρίως σε μεγάλα υψόμετρα, όπου πνέουν συνεχόμενοι άνεμοι με ταχύτητες μεγαλύτερες των 160 km/h. Τελικά, η ενέργεια των ανέμων μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω της συνεχόμενης τριβής τους με τη στεριά αι την ατμόσφαιρα. Επειδή, λοιπόν, ο άνεμος δεν είναι ένα σταθερό, αλλά χρονικά μεταβαλλόμενο φαινόμενο και επειδή δε μεταβάλλεται με προκαθορισμένο τρόπο, αλλά με τυχαίο, για την περιγραφή του χρησιμοποιείται μια γνωστή κατανομή. Η κατανομή που ταιριάζει καλύτερα στην περιγραφή της ταχύτητας του ανέμου είναι η κατανομή Weibull, της οποίας η σ.π.π. δίνεται από την ακόλουθη σχέση: ( ) ( ) ( ) (2.1)

46 Η ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ όπου η ταχύτητα του ανέμου η παράμετρος μορφής η παράμετρος κλίμακας Η κατανομή Rayleigh είναι μία άλλη κατανομή, η οποία αποτελεί υποσύνολο της κατανομής Weibull και προκύπτει για k=2. Η κατανομή αυτή είναι πιο εύχρηστη, διότι είναι πιο απλή από την κατανομή Weibull. Εξαρτάται μόνο από τη μέση ταχύτητα του ανέμου και περιγράφει με ικανοποιητική ακρίβεια το φαινόμενο. Στο Σχήμα 2.1 παρατηρούμε την κατανομή Rayleigh για διαφορετικές τιμές της παραμέτρου κλίμακας. Σχήμα 2.1 Η σ.π.π. της κατανομής Rayleigh για διάφορες τιμές της παραμέτρου κλίμακας. Η μηχανική ισχύς που απορροφάται από τον άνεμο σε μια ανεμογεννήτρια είναι ανάλογη του κύβου της ταχύτητας του ανέμου (κυβικός νόμος) και δίνεται από την ακόλουθη σχέση: (2.2) όπου η πυκνότητα του αέρα η επιφάνεια σάρωσης της ανεμογεννήτριας ο συντελεστής αεροδυναμικής ισχύος η ταχύτητα του ανέμου.

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 31 Η επιφάνεια σάρωσης είναι ένα μέγεθος που εξαρτάται καθαρά από τη γεωμετρία της ανεμογεννήτριας. Για ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα που είναι και οι πλέον συνηθισμένες, η επιφάνεια σάρωσης εξαρτάται από την ακτίνα του πτερυγίου R. Ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p είναι το ποσοστό της εκμεταλλευόμενης ισχύος του ανέμου από την ανεμογεννήτρια. Είναι συνάρτηση δύο μεταβλητών, του β και του λ και δίνεται από την ακόλουθη προσεγγιστική σχέση: ( ) ( ) (2.3) όπου το βήμα του πτερυγίου ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου (tip-speed-ratio) δίνεται από τη σχέση: (2.4) Ο λόγος ταχύτητας ακροπτερυγίου εκφράζει τη γραμμική ταχύτητα στο άκρο του πτερυγίου ως ποσοστό της ταχύτητας του ανέμου και δίνεται από τη σχέση: (2.5) όπου η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του ρότορα η ακτίνα του πτερυγίου η ταχύτητα του ανέμου Το ανώτατο θεωρητικό όριο του συντελεστή C p καλείται όριο του Betz και ισούται με: (2.6) Στην πράξη, όμως, το όριο αυτό είναι πολύ χαμηλότερο και εμφανίζεται για: (2.7)

48 Η ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ οπότε προκύπτει: και (2.8) (2.9) Αυτές οι τιμές είναι σημαντικές, διότι χρησιμοποιούνται στον έλεγχο στροφών, όταν βρισκόμαστε στην περιοχή μέγιστης παραγόμενης ισχύος που είναι και η πιο συνηθισμένη στην πράξη. Στο Σχήμα 2.2 βλέπουμε τον αεροδυναμικό συντελεστή ισχύος για διάφορες τιμές του β και του λ. Η εφαρμοζόμενη μηχανική ροπή στον άξονα του ρότορα δίνεται από την παρακάτω σχέση: (2.10) Σχήμα 2.2 Ο αεροδυναμικός συντελεστή ισχύος C p για μια ανεμογεννήτρια 2.5 MW. 2.2 Το Βήμα του Πτερυγίου Το βήμα του πτερυγίου β είναι η γωνία που αυτό διαγράφει γύρω από τον άξονά του. Είναι πολύ σημαντικό στον έλεγχο της παραγόμενης ισχύος από την ανεμογεννήτρια, διότι από αυτό εξαρτάται, όπως είδαμε, ο αεροδυναμικός συντελεστής C p και συνεπώς η ισχύς που απορροφάται από τον άνεμο, P m. Όταν η ταχύτητα του ανέμου αυξηθεί πολύ και η ανεμογεννήτρια μεταβαίνει από την περιοχή

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 33 μέγιστης παραγόμενης ισχύος στην περιοχή σταθερής ισχύος, τότε λαμβάνει χώρα ο έλεγχος βήματος πτερυγίου (pitch control). Ο έλεγχος βήματος πτερυγίου χρησιμοποιεί κατάλληλο σερβομηχανισμό ή υδραυλικό σύστημα για να περιστρέψει τα πτερύγια γύρω από τον άξονά τους, αυξάνοντας έτσι τη γωνία βήματος πτερυγίου. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται ο αεροδυναμικός συντελεστής ισχύος C p. Έτσι, επιτυγχάνουμε να μειώσουμε την παραγόμενη ισχύ για να μην ξεπεράσει την ονομαστική τιμή της ανεμογεννήτριας. Η εύκολη εκκίνηση της ανεμογεννήτριας και η άμεση διακοπή της παρεχόμενης μηχανικής ισχύος είναι δύο από τα πλεονεκτήματα αυτού του τρόπου ελέγχου της μηχανικής ισχύος Επίσης, προσφέρει τη δυνατότητα στη μηχανική ισχύ να παραμένει στην ονομαστική της τιμή ακόμα και σε ταχύτητες ανέμου πολύ μεγαλύτερες της ονομαστικής. Μειονέκτημά του είναι η απότομη μεταβολή που προξενεί στη μηχανική ισχύ, κατά τις αυξομειώσεις της ταχύτητας του ανέμου. Το γεγονός αυτό στα συστήματα σταθερών στροφών, σε συνδυασμό με τη σχετικά αργή απόκριση του συστήματος στρέψης των πτερυγίων μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα στην παρεχόμενη στο δίκτυο ηλεκτρική ισχύ. Ένα άλλο είδος που χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών είναι ο παθητικός έλεγχος απώλειας στήριξης πτερυγίων (passive stall control) και ο συμπληρωματικός του, ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης πτερυγίων (active stall control). Ο παθητικός έλεγχος είναι πιο δύσκολος στο σχεδιασμό και απαιτεί πολύ καλή αεροδυναμική σχεδίαση του πτερυγίου. Με αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε να περιορίζουμε την απορροφόμενη από τον άνεμο ισχύ ενδογενώς μέσω στροβιλισμών που δημιουργούνται στο πίσω πάνω μέρος του πτερυγίου, μόλις η ταχύτητα του ανέμου υπερβεί την ονομαστική της τιμή. Αυξάνοντας, έτσι, τις δυνάμεις αντίστασης, αναγκάζουμε το πτερύγιο να επιβραδυνθεί, δημιουργούμε δηλαδή απώλεια στήριξης. Αυτός ο τύπος ελέγχου ονομάζεται παθητικός, διότι δε χρησιμοποιείται κανένας μηχανισμός ενεργοποίησης κατά την εφαρμογή του. Πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι κυρίως η απουσία κινουμένων μερών στο ρότορα, η απλότητά της και το χαμηλό της κόστος. Μειονεκτήματά της είναι ο δύσκολος αεροδυναμικός σχεδιασμός, η χαμηλή απόδοση σε μικρές ταχύτητες και η δυσκολία στην εκκίνηση. Επίσης, προκαλεί μεταβολές στην παραγόμενη ισχύ, λόγω μεταβολής της πυκνότητας του αέρα. Τέλος, δύο ακόμη μειονεκτήματα είναι η σαφώς ελαττωμένη παρεχόμενη ισχύς σε σχέση με την ονομαστική στις υψηλές ταχύτητες ανέμου και η απαίτηση ύπαρξης ισχυρής πέδησης. Αντίθετα, ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης, συνίσταται στη χρησιμοποίηση ενεργοποιητών, οι οποίοι περιστρέφουν τα πτερύγια γύρω από τον άξονά τους. Η περιστροφή γίνεται σε αντίθετη, όμως, διεύθυνση από ότι στον έλεγχο γωνίας βήματος. Με αυτόν τον τρόπο, πετυχαίνουμε να αυξάνουμε και πάλι τις δυνάμεις αντίστασης και να επιβραδύνουμε το ρότορα τεχνητά αυτή τη φορά. Πλεονεκτήματα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον παθητικό είναι η ομαλότερη απώλεια στήριξης και η δυνατότητα καλύτερου ελέγχου της ισχύος. Στον ενεργό έλεγχο απώλειας στήριξης, η ισχύς μπορεί να βρίσκεται κοντά στην ονομαστική της τιμή για ταχύτητες ανέμου μεγαλύτερες της ονομαστικής σε αντίθεση με τον παθητικό έλεγχο, όπου η ισχύς πέφτει σε χαμηλότερες τιμές από την ονομαστική, όταν η ταχύτητα του ανέμου ξεπερνά την ονομαστική του τιμή. Επίσης,

50 ΤΟ ΒΗΜΑ ΤΟΥ ΠΤΕΡΥΓΙΟΥ ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης βοηθά κατά την εκκίνηση, μπορεί να ελέγξει μεταβολές στην πυκνότητα του αέρα και έχει πολύ μεγαλύτερη απόδοση στις χαμηλές ταχύτητες του ανέμου σε σχέση με τον παθητικό. Πλεονέκτημα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον έλεγχο βήματος πτερυγίου είναι η αποφυγή των απότομων μεταβολών στην παραγόμενη ισχύ και των καταπονήσεων του κιβωτίου ταχυτήτων. Οι τελευταίες οφείλονται κυρίως στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Μειονέκτημα του ενεργού ελέγχου απώλειας στήριξης σε σχέση με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου είναι οι αυξημένες δυνάμεις που ασκούνται πάνω στα πτερύγια της ανεμογεννήτριας, όταν αυτή οδηγείται σε περαιτέρω απώλεια στήριξης. Ο ενεργός έλεγχος απώλειας στήριξης μπορεί να συνεργάζεται με τον έλεγχο γωνίας βήματος πτερυγίου, ώστε να πετυχαίνει άμεση διακοπή της παραγόμενης ισχύος όταν χρειαστεί. 2.3 Η Δομή της Ανεμογεννήτριας Στο Σχήμα 2.3 βλέπουμε την τυπική μορφή της δομής μιας κλασικής ανεμογεννήτριας. Σχήμα 2.3 Η τυπική μορφή της δομής μια κλασικής ανεμογεννήτριας.

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 35 Από το παραπάνω σχήμα φαίνεται ότι κάνοντας μια τομή στην ανεμογεννήτρια παρατηρούμε την εσωτερική διάταξη των υποσυστημάτων της που βρίσκονται κυρίως στην άτρακτο. Παρατηρούμε, λοιπόν, τα εξής: Τον άξονα χαμηλών και υψηλών στροφών. Το κιβώτιο ταχυτήτων. Τη γεννήτρια. Το φρένο. Το μηχανισμό περιστροφής της ατράκτου. Το μηχανισμό ελέγχου βήματος πτερυγίου. Το ανεμόμετρο. Τον ανεμοδείκτη. Τον ηλεκτρονικό ελεγκτή. Για μια πιο αναλυτική περιγραφή της δομής της ανεμογεννήτριας θα ξεκινήσουμε από τον δρομέα, ο οποίος διαθέτει συνήθως δύο ή τρία πτερύγια προσδεδεμένα σε μία πλήμνη, είτε σταθερά, είτε με δυνατότητα περιστροφής γύρω από το διαμήκη άξονά τους, ώστε να μεταβάλλεται το βήμα πτερύγωσης. Επίσης, το σύστημα μετάδοσης της κίνησης περιλαμβάνει τον κύριο άξονα, τα έδρανά του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, το οποίο προσαρμόζεις την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ανεμογεννήτριας. Η ηλεκτρογεννήτρια είναι μια σύγχρονη ή επαγωγική μηχανή, η οποία συνδέεται με την έξοδο του κιβωτίου πολλαπλασιασμού στροφών. Επιπλέον, το σύστημα πέδης είναι ένα κοινό δισκόφρενο, τοποθετημένο στον κύριο άξονα της γεννήτριας. Το σύστημα προσανατολισμού είναι ένα σύστημα που αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου. Τέλος, όλη η ηλεκτρομηχανολογική εγκατάσταση εδράζεται επάνω στον πύργο, ο οποίος είναι συνήθως μεταλλικός, σωληνωτός ή δικτυωτός. Πιο σπάνια συναντάμε και πύργους από οπλισμένο σκυρόδεμα, ενώ το ύψος του πύργου είναι τέτοιο ώστε ο δρομέας να δέχεται αδιατάρακτη από το έδαφος ροή του ανέμου. 2.4 Κατηγορίες Ανεμογεννητριών Στις μέρες μας υπάρχουν πολλών ειδών ανεμογεννήτριες, όλες όμως κατατάσσονται ανάλογα με τον προσανατολισμό του άξονά τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε δύο βασικές κατηγορίες: Τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα. Τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα.

52 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής του κάθετο ως προς το έδαφος και κατακόρυφο προς τη ροή του ανέμου. Οι πιο γνωστοί τύποι τέτοιων ανεμογεννητριών είναι οι ανεμογεννήτριες τύπου Darrieus και Savonius. Στο Σχήμα 2.4 βλέπουμε μία μεγάλη ανεμογεννήτρια τύπου Darrieus, ενώ στο Σχήμα 2.5 μία συνδυασμένου τύπου ανεμογεννήτρια Darrieus - Savonius. Σχήμα 2.4 Μία μεγάλη ανεμογεννήτρια τύπου Darrieus στο Quebec του Καναδά. Σχήμα 2.5 Μία συνδυασμένου τύπου ανεμογεννήτρια Darrieus - Savonius στην Ταϊβάν.

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 37 Τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι τα εξής: Δεν απαιτείται μηχανισμός προσανατολισμού της μηχανής με τον άνεμο. Η ανεμογεννήτρια έχει συνεπώς την ικανότητα να περιστρέφεται κάθε χρονική στιγμή με άνεμο οποιασδήποτε κατεύθυνσης, γεγονός που δίνει πλεονέκτημα σε μέρη όπου υπάρχει μεγάλη μεταβλητότητα στην κατεύθυνση του ανέμου. Η ηλεκτρική γεννήτρια μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στο έδαφος, κάτι που συνεπάγεται μια απλή και οικονομική σχεδίαση για τον πύργο. Με τη χρησιμοποίηση σύγχρονης γεννήτριας, ο έλεγχος βήματος πτερυγίου παύει να είναι απαραίτητος. Από την άλλη πλευρά, τα μειονεκτήματα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι τα εξής: Πολλές φορές αδυνατούν να εκκινήσουν χωρίς εξωτερική παρέμβαση, διότι έχουν πολύ υψηλή ροπή εκκίνησης. Έτσι, υποχρεωτικά σε αυτήν την περίπτωση λειτουργούν αρχικά ως κινητήρες τραβώντας ρεύμα από το δίκτυο. Έχουν πολύ χαμηλή απόδοση. Γενικά, αυτό ισχύει σε μεγάλο βαθμό για τον τύπο Savonius, όπου η απόδοση δεν ξεπερνάει το 15%, αλλά και στους άλλους τύπους σε μικρότερο βαθμό. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής τους οριζόντιο ως προς το έδαφος και σχεδόν παράλληλο στη ροή του ανέμου. Τα πτερύγιά τους περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα οριζόντιο ως προς το επίπεδο του εδάφους και αποτελούν την πλέον συνηθισμένη εικόνα ανεμογεννήτριας που έχουμε δει σε αιολικά πάρκα ή μεμονωμένα. Αυτή τη στιγμή στην παγκόσμια αγορά έχουν επικρατήσει σε σχέση με τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα. Στο Σχήμα 2.6 βλέπουμε μια ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα

54 ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Σχήμα 2.6 Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα. Τα πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών οριζόντιου άξονα είναι τα εξής: Δεν απαιτούν πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου για να ξεκινήσουν να περιστρέφονται, με αποτέλεσμα και στις πολύ χαμηλές ταχύτητες ανέμου να έχουμε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Έχουν υψηλό αεροδυναμικό συντελεστή και επιπλέον είναι εύκολη η συναρμολόγησή τους. Παρά τα πλεονεκτήματά τους, οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν και κάποια μειονεκτήματα, τα οποία είναι: Η αναγκαστική τοποθέτηση τόσο της γεννήτριας όσο και του κιβωτίου ταχυτήτων πάνω στον πύργο, γεγονός που αυξάνει το κόστος και τη δυσκολία κατασκευής.

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 39 Απαιτείται προσανατολισμός στην κατεύθυνση του ανέμου μέσω ενεργού μηχανισμού περιστροφής. Σήμερα, οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες ανεμογεννήτριες είναι οριζόντιου άξονα με τρία πτερύγια και ονομαστική ισχύ MW. Το εσωτερικό μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα φαίνεται στο Σχήμα 2.7. Σχήμα 2.7 Το εσωτερικό μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα. 2.5 Τύποι Ανεμογεννητριών Ανεμογεννήτριες Σταθερών Στροφών Στις αρχές της δεκαετίας του 1990, οι εγκατεστημένες ανεμογεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούσαν με σταθερή ταχύτητα. Αυτό σημαίνει ότι ανεξάρτητα από την ταχύτητα του ανέμου, η ταχύτητα του δρομέα της ανεμογεννήτριας είναι σταθερή και καθορίζεται από τη συχνότητα του δικτύου, την αναλογία του κιβωτίου ταχυτήτων και το σχεδιασμό της γεννήτριας (αριθμός πόλων, τύπο μηχανής, κ.λπ.). Αντιπροσωπευτικότερος τύπος ανεμογεννήτριας σταθερών στροφών είναι αυτός που χρησιμοποιεί επαγωγική γεννήτρια απευθείας συνδεδεμένη στο δίκτυο, μέσω ενός ηλεκτρονικά ελεγχόμενου προοδευτικού εκκινητή (soft starter) και συστοιχίας πυκνωτών για την αντιστάθμιση της αέργου ισχύος. Είναι σχεδιασμένες να επιτυγχάνουν μέγιστη απόδοση σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου και η

56 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ταχύτητα όπου επιτυγχάνεται η ονομαστική ισχύς, ονομάζεται ονομαστική ταχύτητα του ανέμου. Για τιμές ταχύτητας του ανέμου κάτω από 3 m/s περίπου, η αιολική ενέργεια που είναι διαθέσιμη είναι αρκετά περιορισμένη και οι ανεμογεννήτριες σταματούν τη λειτουργία τους. Σε τιμές ταχύτητας του ανέμου μεγαλύτερες από την ονομαστική, η ανεμογεννήτρια θα πρέπει να περιορίσει την εισερχόμενη ενέργεια στο επίπεδο της ονομαστικής. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με μεταβολή της θέσης των πτερυγίων. Επίσης, μερικοί κατασκευαστές προσαρμόζουν στις ανεμογεννήτριές τους δύο επαγωγικές γεννήτριες, μία μικρή για τις περιόδους με χαμηλές ταχύτητες αέρα και μία μεγαλύτερη για τις περιόδους με υψηλότερες τιμές αέρα. Τέλος, ένας άλλος σχεδιασμός είναι οι επαγωγικές γεννήτριες να έχουν μεταβαλλόμενους πόλους, δηλαδή γεννήτριες που μπορούν να λειτουργήσουν με διαφορετικό αριθμό πόλων, επομένως και με διαφορετική περιστροφική ταχύτητα. Πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας ανεμογεννητριών είναι το χαμηλό κόστος (εγκατάστασης και συντήρησης) και η αξιοπιστία του συστήματος. Μειονεκτήματα αποτελούν οι μεγάλες διαταραχές που προκαλούν στο δίκτυο, η μεγάλη ζήτηση αέργου ισχύος από τη μηχανή, καθώς επίσης και η αδυναμία ρύθμισης της αέργου ισχύος του δικτύου. Η άεργος ισχύς σε μια επαγωγική μηχανή εξαρτάται από την τάση του δικτύου στο σημείο σύνδεσης, την ταχύτητα της μηχανής και την ενεργό ισχύ που αυτή παράγει. Η ζήτηση αέργου ισχύος στις επαγωγικές μηχανές αυξάνεται όσο αυξάνεται η ενεργός ισχύς της μηχανής. Οι διαταραχές που εισάγουν στο δίκτυο οφείλονται στις μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Οι μεταβολές αυτές δημιουργούν μεταβολές στην παραγόμενη ισχύ, οι οποίες γίνονται αντιληπτές από το δίκτυο, διότι οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου είναι άμεσα συνδεδεμένες σε αυτό. Ιδιαίτερο πρόβλημα δημιουργούν κυρίως σε μικρά δίκτυα, στα οποία προκαλούν διακυμάνσεις στην τάση. Επίσης, οι απότομες μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου λόγω του ότι οι μηχανές αυτές λειτουργούν με πολύ μικρή ολίσθηση της τάξης του 1-2%, δημιουργούν μεγάλες καταπονήσεις στο κιβώτιο ταχυτήτων και στα μηχανικά μέρη της ανεμογεννήτριας γενικότερα. Επιπλέον, είναι δυνατόν να προκαλέσουν αστάθεια τάσης σε ένα ασθενές δίκτυο, όταν ένα σφάλμα συμβεί σε αυτό. Η απότομη βύθιση της τάσης που θα δημιουργήσει το σφάλμα θα επιφέρει μια στιγμιαία ανισορροπία μεταξύ παραγόμενης και καταναλισκόμενης ισχύος. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα την επιτάχυνση της γεννήτριας με συνέπεια την αύξηση της παραγωγής ενεργού ισχύος. Όμως, η περαιτέρω αύξηση της ενεργού ισχύος σύμφωνα με όσα είπαμε προηγουμένως, θα δημιουργήσει μια επιπλέον αύξηση αέργου ισχύος από το δίκτυο. Αυτό, όμως, θα επιφέρει βύθιση της τάσης Ανεμογεννήτριες Μεταβλητών Στροφών Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών οι ανεμογεννήτριες με μεταβλητή ταχύτητα έχουν γίνει ο κυρίαρχος τύπος μεταξύ των εγκατεστημένων ανεμογεννητριών. Οι ανεμογεννήτριες αυτού του τύπου μπορούν να λειτουργήσουν

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 41 σε ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων του ανέμου με σκοπό να επιτύχουν τη μέγιστη αεροδυναμική απόδοση. Οι ανεμογεννήτριες μεταβλητών στροφών αξιοποιούν τις σύγχρονες τεχνικές ελέγχου και την τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος, ούτως ώστε να πετύχουν ενεργό έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής του ρότορά τους ανάλογα με την ταχύτητα του ανέμου, προσπαθώντας παράλληλα να μεγιστοποιήσουν την απορρόφηση ενεργού ισχύος από τον άνεμο. Πλεονεκτήματα αυτής της κατηγορίας ανεμογεννητριών είναι η δυνατότητά τους να λειτουργούν στο βέλτιστο συντελεστή αεροδυναμικής ισχύος, να μεγιστοποιούν την ετήσια παραγωγή ενέργειας και να πετυχαίνουν έλεγχο της αέργου ισχύος του δικτύου. Έτσι, βελτιώνουν την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος και μειώνουν τις καταπονήσεις στην ανεμογεννήτρια. Μειονεκτήματα αυτής της κατηγορίας είναι το αυξημένο κόστος σε σχέση με την πρώτη κατηγορία, λόγω των ηλεκτρονικών ισχύος και του ελέγχου, αλλά και οι αυξημένες απώλειες στους μετατροπείς. Το κόστος βέβαια των ηλεκτρονικών ισχύος έχει μειωθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια και παύει να είναι πλέον απαγορευτικό. Στο Σχήμα 2.8 φαίνεται το διάγραμμα μηχανικής ισχύος ταχύτητας του ανέμου. Στο διάγραμμα αυτό διακρίνουμε τις εξής τρεις περιοχές: α) μη λειτουργίας, αριστερά του και δεξιά του, β) την περιοχή μέγιστης παραγόμενης ενέργειας, που βρίσκεται ανάμεσα στις τιμές της ταχύτητας του ανέμου και και γ) την περιοχή σταθερής ισχύος, που βρίσκεται ανάμεσα στις ταχύτητες και. Στην περιοχή μη λειτουργίας, η λειτουργία της ανεμογεννήτριας διακόπτεται λόγω πολύ χαμηλής ταχύτητας του ανέμου και συνεπώς πολύ χαμηλής αεροδυναμικής ισχύος, η οποία δεν επαρκεί για να υπερνικήσει τις απώλειες λόγω τριβών. Στην περιοχή μέγιστης παραγόμενης ενέργειας, μπορούν να ρυθμιστούν κατάλληλα οι στροφές της ανεμογεννήτριας, ώστε να πετύχουμε μέγιστη απορρόφηση ισχύος από τον άνεμο. Στην περιοχή σταθερής ισχύος, εφαρμόζουμε κάποιο είδους μηχανικού ελέγχου για τη διατήρηση της ισχύος εξόδου σε σταθερά επίπεδα και ίσα με τα ονομαστικά, ώστε να μην επιβαρύνουμε την ανεμογεννήτρια. Σχήμα 2.8 Η καμπύλη ισχύος ταχύτητας για μια τυπική ανεμογεννήτρια.

58 ΤΥΠΟΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 2.6 Τύποι Γεννητριών Μια ανεμογεννήτρια μπορεί να εξοπλιστεί με οποιονδήποτε τύπο τριφασικής γεννήτριας. Σήμερα, στη διεθνή αγορά, ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος γεννήτριας είναι οι επαγωγικές γεννήτριες, ενώ υπάρχει ένα μικρό, αλλά συνεχώς αυξανόμενο, ποσοστό χρήσης σύγχρονων γεννητριών με μόνιμο μαγνήτη. Οι γενικές κατηγορίες γεννητριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανεμογεννήτριες είναι οι εξής: Ασύγχρονες (επαγωγικές) γεννήτριες: Επαγωγικές γεννήτριες βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG). Επαγωγικές γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRIG). Επαγωγικές γεννήτριες διπλής τροφοδοσίας (DFIG). Επαγωγικές γεννήτριες με ηλεκτρονικά μεταβαλλόμενη αντίσταση (OSIG). Σύγχρονες γεννήτριες: Σύγχρονες γεννήτριες δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG). Σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Άλλοι τύποι γεννητριών: Γεννήτριες υψηλής τάσης (HVG). Γεννήτριες μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης (SRG). Γεννήτριες εγκάρσιας τομής (TFG) Ασύγχρονη Επαγωγική Γεννήτρια Ο τύπος της γεννήτριας που χρησιμοποιείται περισσότερο στις ανεμογεννήτριες σήμερα είναι η ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια και κυρίως η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) σε ποσοστό μεγαλύτερο από 70%. Η ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια προσφέρει απλότητα στο μηχανικό κομμάτι, ευρωστία, αλλά και χαμηλό κόστος λόγω του μεγάλου αριθμού παραγωγής. Ωστόσο, για τη λειτουργία τους είναι απαραίτητη η κατανάλωση αέργου ισχύος, η οποία παρέχεται είτε από το υπάρχον δίκτυο, είτε από συστοιχίες πυκνωτών, είτε από ένα κατάλληλο σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος. Στην περίπτωση της διέγερσης μιας ασύγχρονης επαγωγικής γεννήτριας με εναλλασσόμενο ρεύμα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται περιστρέφεται με ταχύτητα που καθορίζεται από τον αριθμό των πόλων και τη συχνότητα του ρεύματος, δηλαδή τη σύγχρονη ταχύτητα. Έτσι, αν ο ρότορας περιστρέφεται με

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 43 ταχύτητα που υπερβαίνει τη σύγχρονη ταχύτητα, ένα ηλεκτρικό πεδίο επάγεται μεταξύ του δρομέα και του στρεφόμενου πεδίου του στάτη από τη σχετική κίνηση (ολίσθηση), γεγονός που προκαλεί ένα ρεύμα στα τυλίγματα του δρομέα. Η αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου του δρομέα με το πεδίο του στάτη έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία ροπής στο δρομέα Επαγωγική Γεννήτρια με Ηλεκτρονικά Μεταβαλλόμενη Αντίσταση (OSIG) Η επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα (OSIG) έχει την ικανότητα να μεταβάλλει την ολίσθηση (θετική) απλά και αξιόπιστα και να επιλέγει τη βέλτιστη τιμή γι αυτήν, με αποτέλεσμα μικρότερες διαταραχές στη ροπή και στην εξαγόμενη ενέργεια. Έτσι, μειώνεται το φορτίο στην ανεμογεννήτρια εξαιτίας των ριπών ανέμου με απλό τρόπο (σε σύγκριση με άλλες πολύπλοκες διατάξεις). Με τη γεννήτρια αυτού του τύπου μπορούμε με μια απλή τοπολογία του κυκλώματος του δρομέα να έχουμε αρκετά μεγάλο εύρος ταχύτητας. Επίσης, με τη συγκεκριμένη γεννήτρια μειώνονται και τα μηχανικά φορτία και κατ επέκταση οι διαταραχές στην ενέργεια που οφείλονται στις ριπές του ανέμου. Ωστόσο, επειδή πρόκειται για μία ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια, είναι απαραίτητο ένα κύκλωμα αντιστάθμισης αέργου ισχύος. Επιπλέον, η μεταβολή της ταχύτητας κυμαίνεται γύρω στο 10% και είναι άμεσα εξαρτώμενη από την τιμή της αντίστασης. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί και η έλλειψη αξιόλογου ελέγχου της ενεργού και αέργου ισχύος, αλλά και οι απώλειες σημαντικού ποσού ενέργειας πάνω στη μεταβλητή αντίσταση με τη μορφή θερμότητας Επαγωγική Γεννήτρια Βραχυκυκλωμένου Κλωβού (SCIG) Η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού (SCIG) χρησιμοποιήθηκε στην αρχή σε ανεμογεννήτριες σταθερών στροφών, διότι η ταχύτητά της μεταβάλλεται μόνο κατά ένα μικρό ποσοστό εξαιτίας της ολίσθησής της, η οποία οφείλεται στις αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου. Χαρακτηριστικά τους είναι η μηχανική απλότητα, η υψηλή απόδοσης και το ελάχιστο κόστος συντήρησης. Ωστόσο, η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού έχει απότομες αλλαγές στη ροπή, εξαιτίας των διαταραχών του ανέμου (η ολίσθηση δε μπορεί να μεταβάλλει περισσότερο την τιμή της) με αποτέλεσμα οι διαταραχές αυτές να περνούν στο δίκτυο. Το πιο σημαντικό μειονέκτημά τους είναι η ανάγκη για παροχή ρεύματος μαγνήτισης, από το δίκτυο, στα τυλίγματα του στάτη, κάτι που οδηγεί τον συντελεστή ισχύος υπό πλήρες φορτίο σε χαμηλές τιμές (μη αποδεκτές από τις εταιρίες ηλεκτρισμού). Επίσης, σε υψηλές ταχύτητες ανέμου η ανεμογεννήτρια με

60 ΤΥΠΟΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού μπορεί να παρέχει περισσότερη ενεργό ισχύ μόνο με επιπλέον κατανάλωση αέργου ισχύος από το δίκτυο, γεγονός που επιδεινώνει τον συντελεστή ισχύος της ανεμογεννήτριας υπό πλήρες φορτίο και θέτει σε αστάθεια το δίκτυο, στο οποίο είναι συνδεδεμένη. Έτσι, είναι απαραίτητη η παροχή αέργου ισχύος μέσω συστοιχιών πυκνωτών παράλληλων με τη γεννήτρια. Επίσης, με τη χρήση πλήρως ελεγχόμενου back-to-back μετατροπέα ισχύος με IGBT είναι δυνατός ο έλεγχος της ενεργού και αέργου ισχύος και η προσαρμογή τους στις εκάστοτε συνθήκες ανέμου, αλλά και στις απαιτήσεις του δικτύου. Συνεπώς, δίνεται τότε η δυνατότητα η επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά Επαγωγική Γεννήτρια Διπλής Τροφοδοσίας (DFIG) Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας (DFIG) είναι η πιο διαδεδομένη σε σχέση με τις υπόλοιπες γεννήτριες, αφού κάνει ικανοποιητική ρύθμιση των στροφών σε ένα εύρος ταχυτήτων ±30% της ονομαστικής. Η εφαρμογή της αποτελεί εξέλιξη της επαγωγικής γεννήτριας με ηλεκτρικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, με την έννοια ότι η μεταβλητή αντίσταση στο δρομέα έχει αντικατασταθεί από έναν back-to-back IGBT μετατροπέα πηγής τάσης συνδεδεμένο στο δίκτυο. Κατά τη λειτουργία της γεννήτριας, τόσο στη μόνιμη κατάσταση, όσο και σε περιπτώσεις σφάλματος, ο μετατροπέας και οι ελεγκτές καθορίζουν απολύτως τη συμπεριφορά της. Έτσι, ο μετατροπέας στην πλευρά του δρομέα ελέγχει την ενεργό και άεργο ισχύ της γεννήτριας μέσω ελέγχου του ρεύματος του δρομέα, ενώ ταυτόχρονα ο μετατροπέας στην πλευρά του δικτύου ελέγχει την τάση στη dc διασύνδεση και εξασφαλίζει λειτουργία με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Η επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας έχει δύο περιοχές λειτουργίας ανάλογα με την ολίσθηση (θετική αρνητική ολίσθηση). Έτσι, η ροή ισχύος του δρομέα έχει διαφορετική κατεύθυνση αναλόγως με την περιοχή λειτουργίας. Στην περιοχή θετικής ολίσθησης (υπερσύγχρονη λειτουργία) έχουμε ροή ισχύος από τον δρομέα μέσω του μετατροπέα στο δίκτυο, ενώ στην περιοχή αρνητικής ολίσθησης (υποσύγχρονη λειτουργία) έχουμε ροή ισχύος με αντίθετη φορά. Ωστόσο, και στις δύο περιοχές λειτουργίας ο στάτης παρέχει ισχύ στο δίκτυο. Πλεονέκτημα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας είναι ότι στην περιοχή θετικής ολίσθησης η αυξημένη ισχύς του δρομέα οδηγείται στο δίκτυο, κάτι που δε συμβαίνει στην επαγωγική γεννήτρια με ηλεκτρικά μεταβαλλόμενη αντίσταση δρομέα, όπου η επιπλέον ισχύς του δρομέα χάνεται με τη μορφή θερμότητας στην αντίσταση. Επίσης, η ύπαρξη του αντιστροφέα στην πλευρά του δικτύου μπορεί να βοηθήσει στην αντιστάθμιση της αέργου ισχύος, προσφέροντας την άεργο ισχύ που ζητά ο στάτης ή και απορροφώντας την επιπλέον άεργο ισχύ του δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο πετυχαίνουμε ρύθμιση του συντελεστή ισχύος. Η δυνατότητα προσφοράς και απορρόφησης αέργου ισχύος έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ευστάθειας

61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 45 του δικτύου, διότι η μηχανή είναι σε θέση να υποστηρίζει το δίκτυο σε περίπτωση σφάλματος. Επιπλέον, η παραγωγή αέργου ισχύος σε μια επαγωγική γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας μπορεί να ελεγχτεί από το ρεύμα του δρομέα, διότι σε αυτόν τον τύπο μηχανής, η άεργος ισχύς εξαρτάται σε πολύ μικρότερο βαθμό από την παραγόμενη ενεργό ισχύ από ότι στην επαγωγική γεννήτρια βραχυκυκλωμένου κλωβού. Μειονεκτήματα της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας είναι η ύπαρξη δακτυλιοφόρου δρομέα, που σημαίνει αυξημένο κόστος κατασκευής και συντήρησης, η συχνή αλλαγή ψυκτρών που απαιτείται, καθώς και αύξηση του κόστους της λόγω των ελεγκτών και του μετατροπέα ισχύος. Στο Σχήμα 2.9 φαίνεται η τοπολογία της επαγωγικής γεννήτριας διπλής τροφοδοσίας. Σχήμα 2.9 Η τοπολογίας της διάταξης DFIG Σύγχρονη Γεννήτρια Παρά το γεγονός ότι μια σύγχρονη γεννήτρια είναι πολύ πιο ακριβή και πολύπλοκη μηχανικά από μία ασύγχρονη επαγωγική γεννήτρια, έχει το πλεονέκτημα ότι δε χρειάζεται να της δίνεται ρεύμα μαγνήτισης από το κύκλωμα του στάτη. Έτσι, το μαγνητικό της πεδίο δημιουργείται από τη χρήση μόνιμων μαγνητών ή μέσω συμβατικών τυλιγμάτων στο δρομέα. Επιπλέον, μπορεί να γίνει χρήση της χωρίς την ύπαρξη κιβωτίου ταχυτήτων, αρκεί να έχει επαρκές μεγάλο αριθμό πόλων. Η σύγχρονη γεννήτρια είναι η πιο κατάλληλη για έλεγχο πλήρους ισχύος και μπορεί να λειτουργήσει σε ανεμογεννήτρια με μεταβλητή ταχύτητα. Ο ηλεκτρονικός μετατροπές ισχύος με τον οποίο συνδέεται στο δίκτυο η σύγχρονη γεννήτρια έχει ως πρώτο στόχο να κάνει απόσβεση των διαταραχών της ισχύος που οφείλονται στις ριπές του ανέμου και των μεταβατικών φαινομένων που έρχονται από το δίκτυο.

62 ΤΥΠΟΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Επίσης, έχει ως δεύτερο στόχο να ελέγχει τη μαγνήτιση και να αποφεύγει ενδεχόμενα προβλήματα παραμένοντας σύγχρονη με τη συχνότητα του δικτύου Σύγχρονη Γεννήτρια Δακτυλιοφόρου Δρομέα (WRSG) Η σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα (WRSG) αποτελεί το βασικότερο τύπο γεννήτριας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έχει τα τυλίγματα του στάτη απευθείας συνδεδεμένα στο δίκτυο και η ταχύτητα περιστροφής της ρυθμίζεται από τη συχνότητα του δικτύου. Επίσης, τα τυλίγματα του δρομέα διεγείρονται από συνεχές ρεύμα με τη χρήση δακτυλίων ολίσθησης και ψυκτρών ή μέσω ενός διεγέρτη χωρίς ψύκτρες με ένα στρεφόμενο ανορθωτή. Το βασικό τους πλεονέκτημα έναντι των ασύγχρονων γεννητριών είναι ότι δε χρειάζονται επιπλέον μέτρα αντιστάθμισης για την άεργο ισχύ. Στη σύγχρονη γεννήτρια δακτυλιοφόρου δρομέα το πεδίο διέγερσης παράγεται στα τυλίγματα του δρομέα και περιστρέφεται με σύγχρονη ταχύτητα. Τέλος, η ταχύτητα της σύγχρονης γεννήτριας καθορίζεται από τη συχνότητα του στρεφόμενου πεδίου και του αριθμού των πόλων της Σύγχρονη Γεννήτρια Μόνιμου Μαγνήτη (PMSG) Πολλά ερευνητικά άρθρα έχουν προτείνει την εφαρμογή των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη (PMSG) σε ανεμογεννήτριες, λόγω του ότι είναι αυτοδιεγειρόμενες και λειτουργούν με υψηλό συντελεστή ισχύος και σε υψηλή απόδοση. Ο στάτης των σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη αποτελείται από συμβατικό τριφασικό τύλιγμα και ο δρομέας τους από ένα σύστημα πόλων μαγνήτη, που μπορεί να είναι έκτυποι ή κυλινδρικοί. Για μηχανές με χαμηλή ταχύτητα είναι σύνηθες να χρησιμοποιούνται έκτυποι πόλοι και ιδίως για εφαρμογές με ανεμογεννήτριες. Οι σύγχρονες γεννήτριες μόνιμου μαγνήτη έχουν υψηλότερη απόδοση από τις ασύγχρονες επαγωγικές γεννήτριες, διότι είναι αυτοδιεγειρόμενες και συνεπώς η διέγερση παρέχεται χωρίς καμία επιπλέον παροχή ενέργειας. Οι γεννήτριες αυτού του τύπου πετυχαίνουν πλήρη ρύθμιση στροφών και πλήρη αποσύζευξη μηχανής και δικτύου, επιτρέποντας την ξεχωριστή αντιστάθμιση αέργου ισχύος στη μηχανή και στο δίκτυο. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να πετυχαίνουμε ανεξάρτητο έλεγχο του συντελεστή ισχύος από την πλευρά της μηχανής και από την πλευρά του δικτύου. Σημαντικό πλεονέκτημα αποτελεί η απουσία κιβωτίου ταχυτήτων, καθώς και η απουσία δακτυλιοφόρου δρομέα. Επίσης, πλεονέκτημα των σύγχρονων γεννητριών μόνιμου μαγνήτη είναι η απουσία εξωτερικής διεγέρσεως, η οποία αυξάνει τον βαθμό απόδοσης και την αξιοπιστία της μηχανής. Μειονέκτημα αποτελεί το αυξημένο κόστος των υλικών των μόνιμων μαγνητών. Επιπλέον, υπάρχει κίνδυνος απομαγνήτισης των μαγνητών αυτών σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, η διέγερση

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 47 των γεννητριών αυτού του τύπου είναι σταθερή και αμετάβλητη, χωρίς καμία δυνατότητα ελέγχου. Ένα, ακόμη, μειονέκτημα των γεννητριών αυτών είναι ότι απαιτείται χρήση ενός ηλεκτρονικού μετατροπέα πλήρους κλίμακας για την προσαρμογή της τάσης και της συχνότητας της γεννήτριας στην τάση και στη συχνότητα του δικτύου αντίστοιχα. Αυτό προσδίδει επιπρόσθετο κόστος στην ανεμογεννήτρια. Στο Σχήμα 2.10 φαίνεται η τοπολογία της διάταξης σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη με μετατροπέα πλήρους κλίμακας. Σχήμα 2.10 Η τοπολογία της διάταξης PMSG με μετατροπέα πλήρους κλίμακας. Το ποσοστό κάθε τύπου ανεμογεννήτριας στην αγορά αιολικής ενέργειας για το έτος 2002 φαίνεται στο Σχήμα Παρατηρούμε ότι οι γεννήτριες μεταβλητών στροφών καταλαμβάνουν το 72%, εκ του οποίου η ασύγχρονη γεννήτρια διπλής τροφοδοσίας κατέχει το μεγαλύτερο μέρος (50%) και ακολουθούν τα συστήματα που αξιοποιούν μετατροπέα πλήρους κλίμακας (20%). Τέλος, τα συστήματα σταθερών στροφών καταλαμβάνουν ποσοστό 28%. Πάνω από το 75% όλων των συστημάτων αξιοποιούν ηλεκτρονικά ισχύος. Σχήμα 2.11 Το ποσοστό κάθε ανεμογεννήτριας στην αγορά αιολικής ενέργειας το 2002.

64 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 2.7 Χαρακτηριστικά Μεγέθη Ανεμογεννητριών Όπως είδαμε, κάθε τύπος ανεμογεννήτριας εμφανίζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Ο διαχειριστής του δικτύου παρέχει έναν κώδικα στους κατασκευαστές, ο οποίος περιέχει τους κανονισμούς που απαιτούνται για τη διασύνδεση του αιολικού πάρκου με το σύστημα μεταφοράς του δικτύου. Οι κανονισμοί, συνήθως, ζητούν συγκεκριμένο συντελεστή ισχύος, σταθερή συχνότητα και συγκεκριμένη δυναμική συμπεριφορά του αιολικού πάρκου κατά τη διάρκεια κάποιου σφάλματος στο δίκτυο. Η τελευταία απαίτηση είναι γνωστή ως αδιάλειπτη συνέχιση της λειτουργίας υπό μειωμένη τάση (low voltage ride through) και απαιτεί προσομοιώσεις ολόκληρου του αιολικού πάρκου για να εξασφαλίσει μια ευσταθή συμπεριφορά κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος. Στο Σχήμα 2.12 τον βρετανικό κανονισμό για την τάση και τον συντελεστή ισχύος στο σημείο σύνδεσης. Σχήμα 2.12 Ο βρετανικός κανονισμός για την τάση και τον συντελεστή ισχύος. Στη συνέχεια βλέπουμε στο Σχήμα 2.13 τον γερμανικό κανονισμό (VDN) για τη συνεχή λειτουργία υπό μειωμένη τάση. Παρατηρούμε ότι ο κανονισμός απαιτεί συνέχιση της λειτουργίας για απομένουσα τάση δικτύου 15% της αρχικής για χρόνο 500 ms περίπου. Απαιτεί αδιάλειπτη λειτουργία όταν η τάση συνεχίζει να αυξάνεται με ρυθμό 25% της ονομαστικής ανά δευτερόλεπτο και αδιάλειπτη συνέχιση της λειτουργίας για τάση δικτύου 85% της ονομαστικής.

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ 49 Σχήμα 2.13 Ο γερμανικός κανονισμός για αδιάλειπτη λειτουργία υπό μειωμένη τάση. Ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος μιας ανεμογεννήτριας είναι ο παράγοντας χωρητικότητας. Ορίζεται ως ο λόγος της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας προς τη θεωρητικά παραγόμενη. Η θεωρητικά παραγόμενη προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της ονομαστικής ισχύος της ανεμογεννήτριας επί τις ώρες του έτους. Όμως, μιας και ο άνεμος δεν είναι σταθερός, η ενέργεια που θα παράγεται από αυτόν δε θα είναι σταθερή. Τυπικοί παράγοντες χωρητικότητας είναι της τάξης του 20-40%. Έτσι, η πραγματική μέση ετήσια ισχύς της ανεμογεννήτριας είναι ένα ποσοστό της ονομαστικής το ποσοστό αυτό είναι ο παράγων χωρητικότητας. Ο παράγοντας χωρητικότητας εξαρτάται από την περιοχή που βρίσκεται η ανεμογεννήτρια, αλλά και από το μέγεθός της. Μικρές ανεμογεννήτριες έχουν υψηλότερους παράγοντες χωρητικότητας, αλλά παράγουν λιγότερη ενέργεια σε υψηλές τιμές ανέμου. Αντίστοιχα, μεγάλες ανεμογεννήτριες έχουν υψηλότερο κόστος και παράγουν λίγη παραπάνω ενέργεια. Συνεπώς, θα πρέπει να επιλέγεται μια μέση λύση. Η διείσδυση της αιολικής ενέργειας είναι ένα άλλο χαρακτηριστικό μέγεθος του συστήματος και ορίζεται ως ο λόγος της παραγόμενης αιολικής ενέργειας προς τη συνολικά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια. Δεν υπάρχει ένα συγκεκριμένο ανώτατο όριο διείσδυσης, αλλά εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του εκάστοτε δικτύου. Πάντως, ένα ποσοστό διείσδυσης έως 20% σπάνια δημιουργεί προβλήματα. Τα προβλήματα εγείρονται λόγω της μεταβλητότητας του ανέμου και της αναγκαιότητας ύπαρξης ισοζυγίου μεταξύ παραγόμενης και καταναλισκόμενης ισχύος για τη διασφάλιση της ευστάθειας του συστήματος. Καθώς το ποσοστό διείσδυσης αυξάνεται πέρα του 20%, το αυξανόμενο κόστος, η ανάγκη αποθήκευσης ενέργειας, η ανάγκη αναβάθμισης του δικτύου και η αδυναμία της υπάρχουσας παραγωγής να