ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΥΡΙΑΚΟΥ ΝΕΟΚΛΗ ΤΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Α.Μ.: 6923 ΘΕΜΑ «ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΚΥΠΡΟ» Επιβλέπουσα: ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Επίκουρη Καθηγήτρια Πάτρα : Απρίλιος 2014

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΚΥΠΡΟ» του φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΚΥΡΙΑΚΟΥ ΝΕΟΚΛΗ ΤΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Α.Μ.: 6923 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις :.././.. Η επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Ελευθερία Πυργιώτη Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής 1

3 Ευχαριστίες : Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτρια μου και επιβλέπουσα της διπλωματικής εργασίας κ. Ελευθερία Πυργιώτη για την καθοδήγηση και τις συμβουλές όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας όπως και τον διδακτορικό φοιτητή Ιωάννη Ναξάκη για την εμπιστοσύνη και υπομονή που έδειξε προς το πρόσωπο μου κατά την διάρκεια της συνεργασίας μας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους μου και τους συμφοιτητές μου για την στήριξη και την βοήθεια τους κατά την διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων. Αφιερωμένη : στους γονείς μου Χαράλαμπο και Ελευθερία για την εμπιστοσύνη και την στήριξη που μου παρείχαν όλα αυτά τα χρόνια. 2

4 Αριθμός διπλωματικής εργασίας Θέμα : «ΕΞΟΜΟΙΩΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΚΥΠΡΟ» Φοιτητής :ΚΥΡΙΑΚΟΣ ΝΕΟΚΛΗ ΤΟΥ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ Επιβλέπουσα :ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια δίνεται μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη ηλεκτρικών συστημάτων φιλικών προς το περιβάλλον. Στην κατεύθυνση αυτή πραγματοποιείται προοδευτική αντικατάσταση συστημάτων συμβατικών πηγών ενέργειας (όπως το πετρέλαιο) με νέα ανανεώσιμων. Σε αυτή την εργασία έχει μελετηθεί, με την βοήθεια του προγράμματος προσομοίωσης βελτιστοποίησης HOMER, η λειτουργία διαφόρων αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων με στόχο την κάλυψη των ηλεκτρικών αναγκών (φορτίου) μιας μικρής κοινότητας. Ως περιοχή μελέτης έχει επιλεγεί η Χούλου, μια κοινότητα που βρίσκεται στην Πάφο της Κύπρου. Η Χούλου κατοικείται όλο το χρόνο. Σε αυτή τη περιοχή, κατά την τουριστική περίοδο, το καλοκαίρι, παρατηρείται απότομη αύξηση σε απαιτήσεις φορτίου. Τα δεδομένα έχουν συλλεχθεί από την Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου (Α.Η.Κ.). Η μελέτη διεξήχθη αρχικά με βάση το υπάρχον εγκατεστημένο σύστημα και έπειτα για τρία εναλλακτικά σχέδια προτάσεις που βασίζονται σε αντικατάσταση συμβατικών με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι συνδυασμοί είναι οι εξής: α) Προϋπάρχον σύστημα (Ντίζελ), β) Φωτοβολταϊκά - Ντίζελ - Μπαταρίες, γ) Ανεμογεννήτρια - Ντίζελ - Μπαταρίες, δ) Ανεμογεννήτρια - Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες. Ακολούθως, παρουσιάζεται μια εκτενής αναφορά του προγράμματος HOMER Οι τρεις βασικές λειτουργίες, του προγράμματος είναι η προσομοίωση, η βελτιστοποίηση και η ανάλυση ευαισθησίας. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προκύπτουν με βάση το χαμηλότερο συνολικό καθαρό κόστος (Net Present Cost - NPC). Στο τελευταίο μέρος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα ηλιακά και αιολικά δεδομένα της εξεταζόμενης περιοχής εισάγονται αυτόματα στο 3

5 πρόγραμμα και έχουν ως πηγή πληροφοριών την NASA. Τα είδη των ανεμογεννητριών, των φωτοβολταϊκών πάνελ, των μετατροπέων, των μπαταριών και των γεννητριών καθώς και τα χρηματοοικονομικά στοιχεία που συγκεντρώθηκαν για την εκτέλεση των προσομοιώσεων προήλθαν από εταιρείες της Κύπρου. Τέλος, γίνεται μια σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται, με στόχο την εξεύρεση του βέλτιστου συνδυασμού που θα ταιριάζει στην περιοχή, με βασικά κριτήρια το συνολικό κόστους της επένδυσης, το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας, την ποσότητα των ρύπων που εκπέμπονται στο περιβάλλον και την ετήσια παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας σε kwh.. 4

6 Techno-economics study of hybrid system combined with renewable energy sources ABSTRACT Nowadays there is great emphasis on building environmentally friendly electric systems by replacing the conventional energy sources with renewable. In this project, the function of various autonomous systems has been studied, to cover the electric load requirements of a small community using HOMER simulation program. Study area has been chosen Choulou, a community located in Paphos (Cyprus). The Choulou inhabited all year round. It is observed sudden increase in load requirements during the summer months due to the tourist season. Data have been collected from E.A.C. (Electricity Authority of Cyprus). The study was conducted for the existing installed system in the region as well as three alternative designs of this based on renewable energy sources. The combinations are the following: Primary installed System-Diesel System, Photovoltaic Diesel System- Batteries, Wind Turbine- Diesel System- Batteries, Wind Turbine Photovoltaic Batteries Subsequently is presented an extensive report of HOMER program. The three main functions, incurred by HOMER, are the simulation, optimization and sensitivity analysis which are evidential in this work. The simulation results in this work are based on the lowest total net cost (NPC). In the last part, we present the HOMER simulations results. The solar and wind data of the area examined is granted by NASA sources and are automatically inserted in the program. The types of wind turbines, photovoltaic panels, batteries inverters and generators as well as the financial item are setted as data on the program to perform the simulations which were gathered by Cyprus companies. Finally, a comparison is made between the obtained results by the aim of finding the optimal combination of the region, with essential criteria overall the investment cost, the surplus electricity, the quantity of pollutants emitted into the environment and the annual production of electricity in kwh. 5

7 Πίνακας Περιεχομένων Κατάλογος Συντομογραφιών 7 Κεφάλαιο1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ(ΑΠΕ) 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΑΠΕ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Εκμετάλλευση Ηλιακής Ενέργειας ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Πυριτίου Μονοκρυσταλλικά Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Πολυκρισταλλικά Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Τεχνολογία των Λεπτών Μεμβρανών Υβριδικά Φωτοβολταϊκά Στοιχεία Πλαίσια τεχνολογίας ομάδας lll lv Τρόποι χρήσης Φωτοβολταϊκών Συστημάτων ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Οι Κυριότερες Κατηγορίες και Μέρη Ανεμογεννητριών ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Τύποι Συσσωρευτών Συσσωρευτές μολύβδου οξέος Συσσωρευτές νικελίου καδμίου ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 27 Κεφάλαιο2 ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 31 6

8 Κεφάλαιο3 Η ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ 3.1 ΚΥΠΡΟΣ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΑΘΕΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΟΛΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΠΕ ΚΑΙ ΤΗΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 38 Κεφάλαιο4 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ - ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ HOMER 4.1 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ HOMER Εισαγωγή Προσομοίωση Βελτιστοποίηση Ανάλυση Ευαισθησίας ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 51 Κεφάλαιο5 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΟΙΚΩΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΤΟ ΑΙΟΛΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ 57 7

9 5.6 ΤΕΧΝΟ - ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Προϋπάρχον σύστημα Φορτίο Ντίζελ Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Προσομοίωση Προϋπάρχον συστήματος Οικονομική προσέγγιση Σύστημα Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Προσομοίωση Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες Οικονομική προσέγγιση Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Προσομοίωση Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Οικονομική προσέγγιση Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Προσομοίωση Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Οικονομική προσέγγιση 76 Κεφάλαιο6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ 6.1 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ 81 8

10 Κατάλογος Συντομογραφιών ΑΠΕ : Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Α/Γ : Ανεμογεννήτρια Α.Η.Κ: Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου ΡΑΕΚ: Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας Κύπρου ΣΗΕ: Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας Φ/Β : Φωτοβολταϊκό COE: Cost Of Energy Κόστος ανά kwh CRF: Capital Recovery Factor Παράγοντας Ανάκτησης Κεφαλαίου FF : Συντελεστής Πλήρωσης FV : Future Value Μελλοντική Αξία Του Συστήματος LCC: Life Cycle Cost Κόστος Κύκλου Ζωής NPC: Net Present Cost Συνολικό Καθαρό Κόστος NREL: National Renewable Energy Laboratory PVF: Present Value Factor Παράγοντας Παρούσας Αξίας 9

11 Κεφάλαιο 1 [ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ] 10

12 1.1ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [16] [4] Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι οι ενεργειακές πηγές, οι οποίες υπάρχουν σε αφθονία στο φυσικό μας περιβάλλον. Ως ΑΠΕ ορίζονται οι πιο κάτω : Αιολική ενέργεια, που αξιοποιείται μέσω ανεμογεννητριών, οι οποίες μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική Ηλιακή ενέργεια, που αξιοποιείται μέσω φωτοβολταϊκής συστοιχίας, όπου μετατρέπουν απευθείας την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Γεωθερμική ενέργεια, είναι γενικά η θερμότητα των εσωτερικών στρωμάτων της γης, η οποία γίνεται εκμεταλλεύσιμη όταν υπάρχουν κατάλληλες γεωλογικές συνθήκες. Ενέργεια από βιομάζα, η οποία συνιστάται από υπολείμματα φυτών και τα απορρίμματα ζωικών οργανισμών, όπου με κατάλληλες χημικές ή βιολογικές διεργασίες παράγει τα βιοκαύσιμα. Τα τελευταία χρόνια γίνεται ολοένα πιο επιτακτική η ανάγκη αξιοποίησης εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Εξαιτίας της συνεχώς αυξανόμενης ενεργειακής ζήτησης, σε συνδυασμό με τη μείωση των αποθεμάτων συμβατικών καυσίμων και τις δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον από την εκτεταμένη χρήση τους, το παγκόσμιο ενδιαφέρον στρέφεται στην ανάπτυξη τεχνολογιών των προς εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Το ενδιαφέρον αυτό ενισχύεται από το γεγονός ότι σε πολλές περιπτώσεις η τεχνολογία των ΑΠΕ όχι μόνο είναι οικονομικά εφικτή αλλά και αρκετά αποδοτική. Πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Συμβολή στην μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ανανεώσιμους ενεργειακούς πόρους. Συμβολή στην καταστολή του φαινομένου του θερμοκηπίου καθώς συνεισφέρουν στην μείωση εκπομπής επιβλαβών αερίων. Χαμηλό λειτουργικό κόστος που δεν επηρεάζεται από τις διακυμάνσεις της διεθνούς οικονομίας και την τιμή των συμβατικών καυσίμων. Δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης των ενεργειακών πόρων με διαφορετικές λύσεις για διαφορετικές ενεργειακές ανάγκες. Συνεισφορά στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτησίας και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο. Συνεισφορά στην αναβάθμιση κοινωνικά και οικονομικά περιοχών με την δημιουργία θέσεων εργασίας και προσέλκυση ανάλογων επενδύσεων. 11

13 Μειονεκτήματα των ΑΠΕ Η παροχή και απόδοση της αιολικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους και από τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά της εκάστοτε περιοχής. Χαμηλός συντελεστής απόδοσης. Αλλοίωση περιβαλλοντικής αισθητικής. 1.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΑΠΕ[4][15] [16] Το γεγονός ότι η ηλεκτρική ενέργεια είναι η πιο εύχρηστη και φιλική προς τον άνθρωπο μορφή ενέργειας, καθώς και το ότι η παραγωγή της από συμβατικές(κάρβουνο, πετρέλαιο) ή και πυρηνικές πηγές γίνεται τόσο οικονομικότερη όσο αυξάνει το μέγεθος των Σταθμών Παραγωγής, οδήγησε στην ανάπτυξη των σύγχρονων διασυνδεδεμένων Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας(ΣΗΕ).Οι ΑΠΕ καθώς και οι εγκαταστάσεις συμπαραγωγής θερμότητας ηλεκτρισμού, αποτελούν μονάδες μικρής σχετικά ισχύος και είναι διάσπαρτες σε διάφορες περιοχές και θέσεις. Επιπλέον, σχεδόν για το σύνολο τους, η αποδοτική τους εκμετάλλευση επιβάλλει την σύνδεση και παράλληλη λειτουργία τους στο δίκτυο του ΣΗΕ, το οποίο έτσι λειτουργεί ως αποθήκη πολύ μεγάλης χωρητικότητας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την Αιολική και Ηλιακή παραγωγή καθώς και των θαλάσσιων κυμάτων, για τις οποίες ο έλεγχος του ρυθμού παροχής της πρωτογενούς ενέργειας είναι αδύνατος. Η αδυναμία του ελέγχου του ρυθμού της ροής της πρωτογενούς ενέργειας, σε ορισμένες ΑΠΕ αποτελεί ένα σοβαρό μειονέκτημα αυτών, δεδομένου ότι η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται και καταναλώνεται ταυτόχρονα, ενώ η αποθήκευση της σε μεγάλες σχετικά ποσότητες είναι τεχνικά δύσκολη αλλά αυξάνει και το κόστος. Το μειονέκτημα αυτό αναδεικνύεται ιδιαίτερα στις περιπτώσεις μικρών αυτόνομων ΣΗΕ όπου η παραγωγή από ΑΠΕ μπορεί να καλύψει μεγάλο ποσοστό της κατανάλωσης. Στις περιπτώσεις αυτές προσφέρεται ιδιαίτερα η έστω αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Οπωσδήποτε οι αποκεντρωμένες μονάδες παραγωγής των ΑΠΕ με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους, στις οποίες πρέπει να προστεθούν και οι μονάδες συμπαραγωγής έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην λειτουργία των ΣΗΕ. Οι επιπτώσεις αυτές περιορίζονται στο δίκτυο διανομής, όταν η συνολική τους ισχύ είναι σχετικά μικρή. Η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική επιτυγχάνεται με κατάλληλες ηλεκτρικές μηχανές(γεννήτριες), ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της πηγής μηχανικής ενέργειας. Εάν η ΑΠΕ παράγει θερμότητα, χρησιμοποιείται κατάλληλος στρόβιλος για την μετατροπή της σε μηχανική και ακολούθως σε ηλεκτρική, όπως προηγουμένως. Τέλος, στην περίπτωση που η ΑΠΕ παράγει απευθείας ηλεκτρική ενέργεια είναι συχνά αναγκαία η μετατροπή της σε εναλλασσομένου ρεύματος. 12

14 1.3 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΡΓΕΙΑ [4] Ο ήλιος αποτελεί ανεξάντλητη πηγή ενέργειας γι αυτό και σήμερα υπάρχουν πολλά διαφορετικά συστήματα τα οποία επωφελούνται από αυτήν την ενέργεια. Τα τελευταία χρόνια η υπερκατανάλωση των συμβατικών πηγών ενέργειας αλλά και η εμφάνιση των περιβαλλοντικών προβλημάτων όπως το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η όξινη βροχή, κλπ οδήγησε σταδιακά στην συστηματική αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ειδικότερα της ηλιακής ακτινοβολίας. Με την πάροδο των χρόνων, η τεχνολογία οδήγησε στην βελτιστοποίηση της κατασκευής, της απόδοσης αλλά και του κόστους των Φ/Β στοιχείων. Για το λόγο αυτό τα Φ/Β συστήματα καθίστανται περιζήτητα σε ολοένα και μεγαλύτερο πλήθος εφαρμογών. Η ελάττωση του κόστους των Φ/Β πλαισίων αλλά και τα υψηλά επίπεδα ηλιοφάνειας είναι οι κύριοι λόγοι για την ανάπτυξη και την εφαρμογή των Φ/Β συστημάτων στην Κύπρο Εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας [1] [4] Η εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας γίνεται κατά διάφορους τρόπους σε δύο κύριες κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε εσωτερική ενέργεια δομικών κατασκευών(παθητικά ηλιακά συστήματα) και στη δεύτερη, αυτά που προκαλούν μετατροπή της, σε άλλης μορφής ενέργεια ή χρησιμοποιούν θερμικό ρευστό σε κίνηση(ενεργά ηλιακά συστήματα). Στα ενεργά συγκαταλέγονται αυτά που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε εσωτερική ενέργεια θερμικού ρευστού(θερμοσυφωνικά συστήματα) και αυτά που μετατρέπουν το ηλιακό φώς απευθείας σε ηλεκτρισμό(φωτοβολταϊκά συστήματα). 1.4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Φ/Β ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ [1] Το ηλιακό φώς είναι ουσιαστικά μικρά πακέτα ενέργειας που λέγονται φωτόνια. Τα φωτόνια περιέχουν διαφορετικά ποσά ενέργειας ανάλογα με το μήκος κύματος του ηλιακού φάσματος. Όταν τα φωτόνια προσκρούσουν σε ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο(που είναι ουσιαστικά ένας ημιαγωγός), άλλα ανακλώνται, άλλα το διαπερνούν και άλλα απορροφώνται από το φωτοβολταϊκό. Αυτά τα τελευταία φωτόνια είναι που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτόνια αυτά αναγκάζουν τα φωτόνια του φωτοβολταϊκού να μετακινηθούν σε άλλη θέση και ως γνωστόν ο ηλεκτρισμός δεν είναι τίποτε άλλο παρά κίνηση ηλεκτρονίων. Σε αυτήν την απλή αρχή της φυσικής βασίζεται μια από τις πιο εξελιγμένες τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρισμού στις μέρες μας. 13

15 Εικόνα 1.1: Μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική (Πηγή: Το ελάχιστο τμήμα κάθε Φ/Β συστήματος καλείται Φ/Β στοιχείο(cell) ή κύτταρο ή κυψελίδα. Το Φ/Β στοιχείο είναι μια ημιαγωγική διάταξη ή μια επαφή μετάλλου με ημιαγωγικό ή οργανικό διάλυμα, που μετατρέπει την απορροφούμενη στο χώρο της επαφής τους, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα σύνολο από Φ/Β στοιχεία, που αποτελούν μια ολοκληρωμένη μονάδα, τοποθετημένα σε ένα μεταλλικό πλαίσιο συνδεδεμένα, συνήθως σε σειρά ή και παράλληλα, ώστε η συνολική τάση να είναι ικανή να καλύψει τις απαιτήσεις φόρτισης αποτελεί τη βασική δομική μονάδα κάθε Φ/Β συστήματος και ονομάζεται Φ/Β πλαίσιο(module). Με την ίδια λογική ένα σύνολο πλαισίων ηλεκτρολογικά συνδεδεμένων μεταξύ τους αποτελούν την Φ/Β συστοιχία(array). Τα Φ/Β πλαίσια μιας συστοιχίας, μπορεί να είναι τοποθετημένα είτε σε μια ενιαία μηχανική κατασκευή είτε σε σύνθετη αποτελούμενη από μικρότερα ολοκληρωμένα τμήματα(panels). Εικόνα 1.2 : Φωτοβολταϊκό κύτταρο πλαίσιο συστοιχία 14

16 1.4.1 Φωτοβολταϊκά στοιχεία πυριτίου Το πιο συνηθισμένο μέχρι σήμερα υλικό κατασκευής Φ/Β στοιχείων είναι το πυρίτιο. Τα είδη κυψελών που χρησιμοποιούνται σήμερα στην αγορά είναι τα εξής: Μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πολυκρισταλλικού πυριτίου Λεπτής μεμβράνης Υβριδικά Μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία: Αποτελούνται από μεγάλους κρυστάλλους με ομοιόμορφο γαλάζιο ή μπλε χρώμα. Έχουν το πλεονέκτημα της καλύτερης σχέσης απόδοσης/ επιφάνειας, η απόδοση τους κυμαίνεται από 13% και 18%, ενώ χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος κατασκευής. Εικόνα 1.3:Μονοκρυσταλλικό πλαίσιο Πολυκρισταλλικά φωτοβολταϊκά στοιχεία: Κατασκευάζονται από ράβδους λιωμένου και επανακρυσταλλομένου πυριτίου. Για την παραγωγή τους οι ράβδοι του πυριτίου κόβονται σε λεπτά τμήματα. Τα πολυκρισταλλικά αποτελούνται από επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές, που όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση των στοιχείων τους. Το πολυκρισταλλικό πυρίτιο είναι χαμηλότερης ποιότητας από το μονοκρυσταλλικό έχοντας ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων περίπου 10% και 14%. Έχουν χαμηλό κόστος κατασκευής, αφού η μέθοδος παραγωγής τους είναι φθηνότερη από αυτήν των μονοκρυσταλλικών. 15

17 Εικόνα1.4:Πολυκρισταλλικό πλαίσιο Τεχνολογία των λεπτών μεμβρανών: Χρησιμοποιεί πολύ λεπτά στρώματα ημιαγωγού και με τον τρόπο αυτό μειώνεται το κόστος. Τα πιο γνωστά υλικά που χρησιμοποιούνται στις κυψέλες αυτές είναι: Άμορφο πυρίτιο(a-si) Τελουριούχο κάδμιο(cdte) Αρσενικούχο Γάλλιο(GaAs) Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός(cis) Ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο άμορφου πυριτίου έχει απόδοση 6 και 8% ενώ το σημαντικότερο τους πλεονέκτημα είναι το γεγονός ότι δεν επηρεάζεται πολύ από τις υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης πλεονεκτεί στην αξιοποίηση της απόδοσης του σε σχέση με τα κρυσταλλικά Φ/Β, όταν υπάρχει διάχυτη ακτινοβολία(συννεφιά). Το μειονέκτημα τους είναι η χαμηλή τους ενεργειακή πυκνότητα καθώς και η διάρκεια ζωής τους. Σήμερα η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται για την παρασκευή σύνθετων φωτοβολταϊκών στοιχείων, με διαδοχικές ενώσεις 2 ή 3 στρωμάτων με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα έτσι ώστε να αξιοποιείται μεγαλύτερο τμήμα του ηλιακού φάσματος. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνεται η κατασκευή εύκαμπτων, σταθερής μορφής και ασυνήθιστου μεγέθους πλαισίων. Εικόνα 1.5: Πλαίσιο άμορφου πυριτίου 16

18 Υβριδικά φωτοβολταϊκά στοιχεία: Συνδυάζει τις τεχνολογίες των λεπτών μεμβρανών και των μονοκρυσταλλικών, αξιοποιώντας τα πλεονεκτήματα και των δυο τεχνολογιών. Έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης ανά απαιτούμενη επιφάνεια. Από την άλλη πλευρά το αρκετά υψηλότερο κόστος τους σε σχέση με τις προηγούμενες τεχνολογίες αποτελεί το βασικό τους μειονέκτημα. Εικόνα 1.6:Υβριδικό πλαίσιο Πλαίσια τεχνολογίας ομάδας lll lv Το βασικό υλικό κατασκευής τους ανήκει στην τρίτη ή τέταρτη ομάδα του περιοδικού πίνακα. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται, όπως το αρσενιούχο γάλλιο, έχουν απόδοση γύρω στο 25%. Εκτός όμως από την υψηλή τους απόδοση παρουσιάζουν και υψηλό κόστος Τρόποι χρήσης φωτοβολταϊκών συστημάτων [4] Τα φωτοβολταϊκά μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες: α) Τα διασυνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα. β) Τα αυτόνομα συστήματα Τα διασυνδεδεμένα συστήματα είναι συνδεδεμένα με το δίκτυο της Α.Η.Κ και η ενέργεια που παράγεται περνάει σε αυτό ενώ στα αυτόνομα η ενέργεια που παράγεται καταναλώνεται από τον ίδιο τον καταναλωτή. Το διασυνδεδεμένο σύστημα αποτελείται από: α) Φωτοβολταϊκό πλαίσιο β) Πίνακα ελέγχου γ) Αντιστροφέα τάσης δ) Μετρητή Α.Η.Κ Το αυτόνομο σύστημα αποτελείται από: α) Φωτοβολταϊκό πλαίσιο β) Πίνακα ελέγχου 17

19 γ) Αντιστροφέα τάσης δ) Ρυθμιστή φόρτισης ε) Συσσωρευτές Εικόνα 1.7: Εγκατάσταση Φ/Β σε κατοικία (Πηγη: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ[2], [3] Η αιολική ενέργεια είναι η ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση των αέριων μαζών της ατμόσφαιρας. Είναι από τις πλέον γνωστές και από τις παλαιότερες χρησιμοποιούμενες μορφές ενέργειας. Η αρχαιότερη μορφή εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας ήταν τα ιστία(πανιά) των πρώτων ιστιοφόρων πλοίων και πολύ αργότερα οι ανεμόμυλοι στην ξηρά. Οι ανεμόμυλοι έδιναν κάποτε κίνηση στις τεράστιες μυλόπετρες, που άλεθαν το σιτάρι μετατρέποντας το σε αλεύρι. Μικρές αντλίες χρησιμοποιούσαν την δύναμη του ανέμου για να ανεβάσουν το νερό από τα πηγάδια. Πριν 25 χρόνια περίπου οι πρώτες σύγχρονες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιήθηκαν στις Η.Π.Α. Από τότε πολλές ακόμη έχουν μπει σε λειτουργία σε ολόκληρο τον κόσμο. Οι ανεμογεννήτριες είναι μηχανές μετατροπής της κινητικής ενέργειας του ανέμου σε μηχανική ενέργεια. Αν η παραγόμενη μηχανική ενέργεια χρησιμοποιείται απευθείας από κάποιον μηχανισμό, όπως από μία αντλία, τότε η μηχανή συνήθως αναφέρεται σαν ανεμόμυλος (wind mill). Αν η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική, η μηχανή ονομάζεται ανεμογεννήτρια 18

20 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ταυτόχρονη εξοικονόμηση σημαντικών ποσοτήτων συμβατικών καυσίμων, που συνεπάγεται συναλλαγματικά οφέλη. Υπολογίζεται ότι είναι δυνατό μερικές χιλιάδες ανεμογεννήτριες να παράγουν την ενέργεια που δίνει η καύση μερικών εκατομμυρίων βαρελιών πετρελαίου ή η λειτουργία ενός μικρού πυρηνικού εργοστασίου. Σημαντικό περιορισμό της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Δημιουργία πολλών νέων θέσεων εργασίας, αφού εκτιμάται ότι για κάθε νέο ΜW αιολικής ενέργειας δημιουργούνται 14 νέες θέσεις εργασίας. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μεταβλητότητα τους ανάλογα με τις γεωγραφικές συνθήκες. Ακόμη για κάποιους προσβάλλουν την αισθητική, πρόβλημα το οποίο με την εξέλιξη της τεχνολογίας έχει ξεπεραστεί. Προκαλούν θανάτους πτηνών, έρευνες δείχνουν ότι η κλιματική αλλαγή είναι η κύρια απειλή για την εξαφάνιση πολλών ειδών πουλιών και ότι η αιολική ενέργεια αποτελεί λύση για την αποτροπή αυτής της κλιματικής αλλαγής. Ωστόσο γίνονται προσπάθειες, ώστε να αποφεύγεται η εγκατάσταση αιολικών πάρκων σε περιοχές που ενδεχομένως να προσελκύουν μεγάλο αριθμό πουλιών. Θόρυβος από τη λειτουργία των ανεμογεννητριών, οι σπάνιες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές στο ραδιόφωνο, τηλεόραση, τηλεπικοινωνίες, που επιλύονται όμως με την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Η μεταβλητότητα του ανέμου προκαλεί σημαντικές διακυμάνσεις στην ισχύ που απομαστεύεται από τον άνεμο, με αποτέλεσμα την εμφάνιση μηχανικών και ηλεκτρικών ταλαντώσεων καθώς και τη μείωση της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος η οποία τροφοδοτείται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Το πρόβλημα αυτό είναι ακόμα πιο έντονο στην περίπτωση της διεσπαρμένης παραγωγής, όπου τα δίκτυα με τα οποία συνδέονται τα αιολικά πάρκα είναι συνήθως ασθενή δίκτυα απομακρυσμένων περιοχών Οι κυριότερες κατηγορίες και μέρη ανεμογεννητριών [2] [17] Οι επικρατέστεροι τύποι ανεμογεννητριών ταξινομούνται κυρίως σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με την ροή των ανέμων. Έτσι οι κυριότεροι τύποι ανεμογεννητριών είναι οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα εμφανίζουν το σημαντικό πλεονέκτημα της αυτόματης προσαρμογής στην διεύθυνση του ανέμου, δεδομένου ότι ο άξονας είναι κάθετος σε αυτή, καθώς και στην επιφάνεια της γης. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα τους παράλληλα προς την κατεύθυνση του ανέμου, ενώ σε μερικές περιπτώσεις έχουμε ανεμογεννήτριες των οποίων ο άξονας είναι παράλληλος προς την επιφάνεια της γης και κάθετος προς την κατεύθυνση του ανέμου. 19

21 Εικόνα 1.8: Α/Γ οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα (Πηγή: Στην αγορά έχουν επικρατήσει οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα, με δύο ή τρία πτερύγια. Μια τυπική ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα αποτελείται από τα εξής μέρη: Πύργος: Μπορεί να είναι μεταλλικός αλλά και από οπλισμένο σκυρόδεμα για Α/Γ μεγάλης ισχύος. Βασικής σημασίας για την επιλογή του πύργου είναι ο προβλεπόμενος τρόπος μεταφοράς και εγκατάστασης του, σε συνδυασμό με την όλη συναρμολόγηση της Α/Γ και την έδραση του. Δρομέας: Αποτελείται από δύο ή τρία πτερύγια από ενισχυμένο πολυεστέρα. Τα πτερύγια συνδέονται πάνω σε μια πλήμνη είτε σταθερά, είτε με την δυνατότητα να περιστρέφονται γύρω από το διαμήκη άξονα τους μεταβάλλοντας το βήμα. Σύστημα μετάδοσης της κίνησης: Αποτελείται από τον κύριο άξονα, τα έδρανα του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών, το οποίο προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στη σύγχρονη ταχύτητα της ηλεκτρογεννήτριας. Η ταχύτητα παραμένει σταθερή κατά την κανονική λειτουργία της μηχανής. Σύστημα προσανατολισμού: Αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με την διεύθυνση του ανέμου. Ηλεκτρονικός πίνακας και πίνακας ελέγχου: Είναι τοποθετημένοι στη βάση του πύργου. Το σύστημα ελέγχου παρακολουθεί, συντονίζει και ελέγχει όλες τες λειτουργίες τις ανεμογεννήτριας, φροντίζοντας και την απρόσκοπτη λειτουργία τους. Ηλεκτρική γεννήτρια: Συνδέεται με την έξοδο του πολλαπλασιαστή και μετατρέπει την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. 20

22 Εικόνα 1.9:Βασικά μέρη ανεμογεννήτριας (Πηγή: ΚΑΠΕ) 1.6 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ [9] [11] Οι συσσωρευτές είναι απαραίτητοι για την ύπαρξη αποθηκευτικών μέσων σε ένα υβριδικό σύστημα. Επειδή τα αυτόνομα συστήματα δεν έχουν την δυνατότητα ανταλλαγής ενέργειας με το δίκτυο χρειάζεται να αποθηκεύουν μια ποσότητα από την περίσσεια της ηλεκτρικής τους παραγωγής, ώστε να χρησιμοποιηθεί όταν η ζήτηση είναι μεγαλύτερη από την παραγωγή. Το πλήθος των μπαταριών που πρέπει να προνοείται για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, εξαρτάται από τις τοπικές συνθήκες και απαιτήσεις, το μέγιστο πλήθος των πιθανών συνεχών ημερών συννεφιάς, τις αιχμές της κατανάλωσης και τον βαθμό αξιοπιστίας που θα πρέπει να παρουσιάζει το σύστημα, σε συνδυασμό με την ύπαρξη ή όχι βοηθητικών πηγών ενέργειας. Η αυτοδυναμία για τα αυτόνομα συστήματα είναι τουλάχιστον 2 έως 5 ημέρες. Κύριος σκοπός μιας μπαταρίας λοιπόν είναι η συσσώρευση της ηλεκτρικής ενέργειας με παράλληλη δυνατότητα συνεχούς απόδοσης της. Αυτό επιτυγχάνεται όταν η μπαταρία έχει τις εξής ιδιότητες: Ικανοποιητική υψηλή δεκτικότητα φόρτισης : Χαρακτηρίζεται από την όσο δυνατό υψηλή ένταση ρεύματος φόρτισης με αποφυγή πτώσης τάσης στο εσωτερικό της. Ο συντελεστής απόδοσης της φόρτισης βρίσκεται στο 90% περίπου. Επίσης η μπαταρία πρέπει να μπορεί να φορτίζεται και με ρεύμα χαμηλής τάσης. Μεγάλη αντοχή σε κύκλους φόρτισης - εκφόρτισης: Ο αριθμός των κύκλων εξαρτάται κατά κύριο λόγο από το βάθος εκφόρτισης. Δηλαδή, όσο πιο μικρό το βάθος εκφόρτισης, τόσο μεγαλύτερος είναι ο κύκλος ζωής της μπαταρίας. 21

23 Δυνατότητα επαρκούς επαναφόρτισης : Είναι δεδομένη όταν παρατηρείται για γρήγορη επαναφόρτιση μέχρι την ονομαστική της χωρητικότητα, με αμελητέες απώλειες στη συσσωρευμένη χωρητικότητα. Απλή και αξιόπιστοι λειτουργία: Είναι επιθυμητή, δηλαδή στην διάρκεια ενός έτους μπορεί να γίνει συμπλήρωση υγρών μια με δυο φορές και πρέπει να διατηρήσουμε την μπαταρία καθαρή, να μην έχουμε υπερχείλιση υγρών και να αποφεύγουμε τυχόν βραχυκυκλώματα των πόλων Τύποι Συσσωρευτών Υπάρχουν πολλά συστήματα συσσωρευτών αλλά τα πλέον χρησιμοποιούμενα σήμερα είναι του Mολύβδου θειικού οξέως (Pb-H2S04) και νικελίου καδμίου (Ni- Cd). Κριτήριο για την επιλογή μπαταριών σε ένα Φ/Β σύστημα είναι ο υψηλός βαθμός απόδοσης, η ικανότητα κύκλων και η μεγάλη διάρκεια ζωής Συσσωρευτές μολύβδου οξέος Οι συσσωρευτές μολύβδου-οξέος αποτελούν την παλαιότερη και πιο διαδεδομένη μορφή επαναφορτιζόμενων ηλεκτροχημικών συσκευών. Έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε αυτόνομα υβριδικά συστήματα και αποτελούν πλέον ώριμη τεχνολογία. Η βασικότερη αιτία της τόσο ευρείας διάδοσης των μπαταριών μολύβδου οξέος είναι το μικρό κόστος τους συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες μπαταριών. Επιπρόσθετα, οι μπαταρίες αυτές χαρακτηρίζονται από υψηλούς βαθμούς απόδοσης της τάξης του 70-90%, καθώς και από υψηλή αξιοπιστία. Επίσης, πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας αυτής είναι οι μικροί ρυθμοί αυτοεκφόρτισης που παρουσιάζει και η εξαιρετική συμπεριφορά στην παροχή βηματικής τάσης. Από την άλλη μεριά, οι εφαρμογές τους για διαχείριση ενέργειας μεγάλης κλίμακας είναι πολύ περιορισμένες εξαιτίας της μικρής διάρκειας ζωής τους (25 χρόνια) και της χαμηλής ειδικής ενέργειας, που εν γένει κυμαίνεται μεταξύ 25 και 50 Wh/kg. Επιπρόσθετα αρνητικά χαρακτηριστικά αποτελούν η μειωμένη απόδοση σε πολύ χαμηλές και πολύ υψηλές θερμοκρασίες (σύνηθες θερμοκρασιακό εύρος 20 ο C έως 50 ο ), η χρήση μη φιλικών προς το περιβάλλον υλικών, η ανάγκη για συχνή αναπλήρωση νερού και το συνιστώμενο μικρό βάθος εκφόρτισης. Γενικά, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι ελκυστικές ως διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας για εφαρμογές ισχύος 100 kw έως 10 MW Συσσωρευτές νικελίου καδμίου Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου (NiCd) κατατάσσονται μαζί με τις μολύβδου οξέος από άποψη δημοτικότητας και τεχνολογικής ωριμότητας, αφού χρησιμοποιούνται για περίπου εκατό χρόνια. Σε κατάσταση πλήρους φόρτισης το θετικό ηλεκτρόδιο περιέχει υδροξείδιο του νικελίου και το αρνητικό κάδμιο. Η ονομαστική τάση εκφόρτισης του κελιού είναι 1,2 Volt σε ρυθμό εκφόρτισης 0,2C και ελαττώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Συγκριτικά με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος, οι νικελίου καδμίου έχουν μεγαλύτερες τιμές ειδικής ενέργειας (50-75 Wh/kg), μεγαλύτερη διάρκεια ζωής 22

24 ( κύκλοι), υποστηρίζουν υψηλότερους ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης, αλλά έχουν μικρότερη απόδοση (60-75%) είναι και πιο ακριβές. Επιπλέον πλεονεκτήματα τους αποτελούν η αυξημένη αξιοπιστία και οι πολύ μικρές ανάγκες συντήρηση, η δυνατότητα βαθιάς εκφόρτισης και η εξαιρετική παροχή βηματικής τάσης. Το βασικό μειονέκτημα τους είναι το σχετικά υψηλό κόστος εξαιτίας της ακριβής κατασκευαστικής διαδικασίας. Επιπλέον, το κάδμιο είναι ένα βαρύ τοξικό μέταλλο που εισάγει προβλήματα διάθεσης και ανακύκλωσης των μπαταριών νικελίου καδμίου. Οι διάφοροι τύποι συσσωρευτών μολύβδου οξέος χωρίζονται στις εξής κατηγορίες σε σχέση με την τεχνολογία τους: Συσσωρευτές ανοιχτού τύπου. Συσσωρευτές κλειστού τύπου με αναπνοή. Συσσωρευτές στεγνού τύπου με βαλβίδα υπερπίεσης. 1.7 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ [9] [11] Η καλή λειτουργία και η αυξανόμενη απόδοση των υβριδικών συστημάτων υποβοηθείται συχνά με την χρησιμοποίηση ειδικών διατάξεων, συνήθως ηλεκτρονικών ισχύος, που επεξεργάζονται την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει η κάθε ενεργειακή πηγή. Ο ρυθμιστής φόρτισης(charge controller) της μπαταρίας είναι μια τέτοια διάταξη και έχει ως στόχο να αποτρέψει την υπερφόρτιση και την βαθιά εκφόρτιση της μπαταρίας. Σε περίπτωση που χρησιμοποιούνται στο υβριδικό σύστημα και ανεμογεννήτριες, πριν το ρυθμιστή φόρτισης συνδέεται και ένας ανορθωτής τάσης(rectifier) ο οποίος μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα που παράγει η μηχανή σε συνεχές, προκειμένω, μέσω του ρυθμιστή φόρτισης, η περίσσεια ενέργεια να οδηγηθεί και να αποθηκευτεί κατάλληλα στην συστοιχία των μπαταριών. Ο ρυθμιστής φόρτισης φροντίζει να διατηρείται η τάση εξόδου της ενεργειακής πηγής, είτε αυτή προέρχεται από Φ/Β, είτε από ανορθωμένη τάση ανεμογεννήτριας, στην επιθυμητή τιμή, έχοντας ταυτόχρονα την ικανότητα, όταν οι συσσωρευτές του συστήματος φορτιστούν πλήρως, να διοχετεύει την περίσσεια του ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται στην εκάστοτε ενεργειακή πηγή σε κατάλληλες αντιστάσεις ή προς τη γη, προστατεύοντας έτσι του συσσωρευτές από τους κινδύνους της υπερφόρτισης. Η τάση φόρτισης των συσσωρευτών μπορεί να ανεξαρτητοποιηθεί εντελώς από την τάση εξόδου της Φ/Β γεννήτριας, με την παρεμβολή ενός μετατροπέα συνεχούς ρεύματος. Ο μετατροπέας αυτός παραλαμβάνει την τάση που δίνει η Φ/Β γεννήτρια, που είναι αναγκαστικά ασταθής λόγω των διακυμάνσεων της ηλιακής ακτινοβολίας, την μετατρέπει στην ευνοϊκή τάση για την φόρτιση των συσσωρευτών και τη σταθεροποιεί, ώστε να εξασφαλίζονται οι βέλτιστες συνθήκες φόρτισης. 23

25 Παρόλο που ένα υβριδικό σύστημα μπορεί να λειτουργήσει χωρίς ρυθμιστή φόρτισης και αυτό συμβαίνει συχνά σε μικρά συστήματα, η μακροχρόνια λειτουργία των αυτόνομων υβριδικών συστημάτων απαιτεί τη λειτουργία ρυθμιστή φόρτισης, λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη το υψηλό κόστος αγοράς των συσσωρευτών. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός ρυθμιστή φόρτισης είναι τα εξής: Μικρή εσωτερική κατανάλωση ρεύματος (<5 ma). Υψηλό βαθμό απόδοσης (96% 98%). Διακοπή του φορτίου αν εμφανιστεί βαθιά εκφόρτιση. Τακτική φόρτιση σε υψηλότερη τάση. Προστασία από αντίστροφη πολικότητα. Προστασία από υπερφόρτιση. Λειτουργία σε θερμοκρασίες 0 c - 50 c. Όσο αυξάνει η πολυπλοκότητα ενός αυτόνομου συστήματος, τότε πρέπει να λαμβάνονται περισσότερα υπόψη στο σχεδιασμό του. Με κατάλληλη διαχείριση της ενέργειας η χρήση των συλλεκτών και η διάρκεια ζωής ευαίσθητων μονάδων του συστήματος μπορούν να βελτιωθούν. Για το λόγο αυτό συνίσταται το σύστημα να έχει πίνακα ελέγχου(control panel) που να πληροφορεί το χρήστη για την τρέχουσα κατάσταση του και να του δίνει συμβουλές για το πώς να αντιδράσει σε περίπτωση ανάγκης. Ο πίνακας ελέγχου είναι η μονάδα στην οποία φαίνεται η κατάσταση του συστήματος κάθε στιγμή. Έχει επικοινωνία με όλες τις μονάδες και μπορεί σε περίπτωση που εμφανισθεί κάποιο πρόβλημα να διακόψει τη λειτουργία, ώστε να προστατευθεί το σύστημα. Συγκεκριμένα για τα Φ/Β συστήματα, εκτός από το ρυθμιστή τάσης, υπάρχουν και άλλες ηλεκτρονικές διατάξεις, όπως είναι οι ρυθμιστές ισχύος, γνωστοί ως ΜΡΡΤ (Μaximum power point trackers, δηλαδή διατάξεις παρακολούθησης του σημείου της μέγιστης ισχύος). 0 προορισμός τους είναι να επιδιώκουν τη λειτουργία της Φ/Β γεννήτριας στο σημείο της καμπύλης τάσης έντασης που αντιστοιχεί στη μέγιστη απόδοση, όσο επιτρέπει ο συντελεστής πλήρωσης (FF). Στη συνέχεια, με τον μετατροπέα τάσης, η τάση εξόδου της Φ/Β γεννήτριας μετατρέπεται στην απαιτούμενη για τη φόρτιση των συσσωρευτών του συστήματος. Πάντως, το κόστος των διατάξεων αυτών είναι σημαντικό, και έτσι, συνήθως παραλείπονται στα σχετικά μικρής ισχύος Φ/Β συστήματα. Τέλος, μια πολύ σημαντική διάταξη στο σχεδιασμό ενός αξιόπιστου αυτόνομου συστήματος ηλεκτροπαραγωγής αποτελεί ο αντιστροφέας τάσης (inverter). Η συγκεκριμένη ηλεκτρονική συσκευή έχει τη ικανότητα να μετατρέπει το συνεχές ρεύμα των συσσωρευτών ή της εξόδου της Φ/Β γεννήτριας σε εναλλασσόμενο εξυπηρετώντας κατάλληλα το εναλλασσόμενο φορτίο του δικτύου. Κύρια κίνητρα για την προτίμηση της εναλλασσόμενης τάσης, και την τοποθέτηση μεταλλακτών και μετασχηματιστών, είναι ότι οι ηλεκτρικές συσκευές του εμπορίου είναι συνήθως κατασκευασμένες για εναλλασσόμενο ρεύμα και έχουν μικρότερο κόστος από τις αντίστοιχες του συνεχούς ρεύματος. Επίσης, η ανύψωση της τάσης, που γίνεται συγχρόνως με τη μετατροπή της από συνεχή σε εναλλασσόμενη, συνεπάγεται μείωση των απωλειών στους αγωγούς του δικτύου. Σημειώνεται, πάντως, ότι και η λειτουργία των παραπάνω διατάξεων συνοδεύεται με συχνά αξιόλογες απώλειες. Γενικά, 24

26 συντελεστής απόδοσης των διαφόρων ηλεκτρονικών ισχύος που αναφέρθησαν είναι συνήθως περίπου 90-95%, εφόσον λειτουργούν κοντά στην ονομαστική τους ισχύ, αλλά γίνεται πολύ μικρότερος όταν η ισχύς είναι μειωμένη. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένας αντιστροφέας τάσης αυτόνομου συστήματος είναι τα ακόλουθα: Μεγάλο εύρος τάσης εισόδου (10% με +30% της ονομαστικής τάσης). Τάση εξόδου όσο το δυνατόν πιο κοντά στην καμπυλοειδή κυματομορφή. Μικρή διακύμανση στην συχνότητα και τάση εξόδου. ±8% σταθερότητα τάσης, ±2% σταθερότητα συχνότητας. Υψηλός βαθμό απόδοσης στα μερικά φορτία. Βαθμό απόδοσης τουλάχιστον 90% στο 10% του φορτίου. Ικανότητα να υπομένει μικρής διάρκειας υπερφορτώσεις για τις συνθήκες εκκίνησης συσκευών (π.χ. 2 με 3 φορές την ονομαστική ένταση του ρεύματος για 5s για το ψυγείο και το πλυντήριο). Ελάχιστες δυνατές υπερτάσεις για επαγωγικά και χωρητικά φορτία. Ικανότητα να αντέχει βραχυκύκλωμα. 25

27 Κεφάλαιο 2 [ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ] 26

28 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ [4] [10] Ο στοχαστικός χαρακτήρας πολλών μορφών ΑΠΕ θέτει ορισμένους τεχνικοοικονομικούς και λειτουργικούς περιορισμούς κατά την χρήση τους για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών. Για παράδειγμα η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας προϋποθέτει τη χρήση αποθηκευτικών μέσων εξαιτίας της διακύμανσης στην διάθεση της. Το ίδιο ισχύει και για την αιολική ενέργεια. Παρ όλα αυτά, υπάρχουν άλλες μορφές ΑΠΕ που παρουσιάζουν μεγαλύτερη σταθερότητα και υπάρχει καλύτερη προβλεψιμότητά τους, όπως η γεωθερμία και η βιομάζα. Τα παραπάνω έχουν οδηγήσει στην έρευνα και ανάπτυξη των υβριδικών συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία γενικά ορίζονται ως εκείνα τα συστήματα παραγωγής ενέργειας όπου υπάρχουν περισσότερες από μια ηλεκτρικές γεννήτριες διαφορετικής τεχνολογίας ως προς το εν χρήσει καύσιμο. Τα μη διασυνδεδεμένα συστήματα παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ ικανοποιούν την ζήτηση για ενέργεια άμεσα χωρίς την χρήση μεγάλων γραμμών μεταφοράς. Ο συνδυασμός διαφορετικών, αλλά συμπληρωματικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας βασιζόμενων σε ΑΠΕ ή και συνδυασμούς ανανεώσιμων και μη πηγών ενέργειας είναι γνωστός σαν υβριδικό σύστημα ενέργειας. Συνήθως, τα υβριδικά συστήματα περιλαμβάνουν δύο ή και περισσότερες ΑΠΕ συνδυασμένες με συμβατικές τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας όπως είναι οι ντηζελογεννήτριες. Ο σχεδιασμός ενός υβριδικού συστήματος πρέπει να λαμβάνει υπόψη ένα αριθμό παραγόντων όπως: Την εθνική πολιτική για την προώθηση των υβριδικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας και γενικότερα για την προώθηση των ΑΠΕ. Τα χαρακτηριστικά του φορτίου και η τοποθεσία στην οποία βρίσκεται(ημερήσιες kwh, peak). Τη διαθεσιμότητα και την εκμετάλλευση των δυνατοτήτων των ΑΠΕ. Το ποσοστό διείσδυσης της τεχνολογίας των ΑΠΕ ενέργειας στα υβριδικά συστήματα. Το κόστος εγκατάστασης και το κόστος λειτουργίας συντήρησης, καθώς και την αξιοπιστία και την επίδραση στο περιβάλλον. 2.2 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ[4] Τα υβριδικά συστήματα εκμεταλλεύονται τα καλύτερα χαρακτηριστικά της κάθε τεχνολογίας και παρέχουν ενέργεια τέτοιας ποιότητας όπως αυτής του δικτύου, με ένα εύρος από 1kWμέχρι πολλές εκατοντάδες kw. Έτσι μπορούν να αναπτυχθούν σαν αυτόνομα συστήματα μέσα σε μικρά συστήματα διανομής ενέργειας (mini-grids) ή να ενταχθούν σε υπάρχουσες θερμικές μονάδες βασιζόμενες στο πετρέλαιο μετά από τις απαραίτητες επεμβάσεις στο υπάρχον σύστημα. Τα υβριδικά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή σε περιοχές όπου η σύνδεση τους με το ηλεκτρικό δίκτυο αλλά και η μεταφορά του καυσίμου θεωρούνται αντιοικονομικές 27

29 επιλογές. Παρέχουν επίσης την δυνατότητα μελλοντικής σύνδεσης με το δίκτυο στις περιοχές που γίνεται η εγκατάσταση τους. Επιπλέον λόγω της υψηλής αποδοτικότητας τους και της αξιοπιστίας τους, τέτοιου τύπου συστήματα μπορούν να φανούν χρήσιμα σαν μια αποτελεσματική λύση παροχής ισχύος σε περιπτώσεις διακοπών παροχής ή ακόμη και σε εξειδικευμένους καταναλωτές, όπως οι τηλεπικοινωνιακοί σταθμοί και οι νοσοκομειακές μονάδες. Όπως προαναφέρθηκε, ένα τυπικό υβριδικό σύστημα συνδυάζει δύο ή και περισσότερες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας. Από ΑΠΕ υπάρχει η χρήση Φωτοβολταϊκών, ανεμογεννητριών ή μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών και από τις συμβατικές τεχνολογίες, υπάρχει συνήθως η χρήση ντηζελογεννητριών, μονάδες όπου παράγουν ενέργεια από τη χρήση βιομάζας και οι κυψέλες καυσίμου. Επίσης περιλαμβάνονται ηλεκτρονικά ισχύος (όπως ανορθωτές, αντιστροφείς, ρυθμιστές τάσης) και μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας. Τα υβριδικά συστήματα που παρέχουν τεχνολογία με καύσιμο λειτουργούν με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση, επειδή προβλέπεται παραγωγή ενέργειας από αυτό μόνο σε περιόδους υψηλής ζήτησης φορτίου ή χαμηλού ανανεώσιμου δυναμικού. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει τη μειωμένη κατανάλωση καυσίμου σε σχέση με μια αυτόνομη μονάδα συμβατικής τεχνολογίας μόνη της. Σχετικά με τους παράγοντες που καθορίζουν το κόστος ηλεκτροδότησης μιας περιοχής είναι: η εγκατάσταση γραμμών μεταφοράς ενέργειας υψηλής και μέσης τάσης, η δημιουργία υποσταθμών, η δημιουργία δικτύου διανομής, το μέγεθος του φορτίου που πρέπει να καλυφθεί, η απόσταση του φορτίου από την υπάρχουσα γραμμή μεταφοράς και το είδος του εδάφους που πρέπει να διασχιστεί. Τα υβριδικά συστήματα συνήθως εφαρμόζονται σε αγροτικές περιοχές αποκομμένες από το δίκτυο. Επειδή οι περιοχές αυτές δεν παρουσιάζουν μεγάλο φορτίο και συνήθως βρίσκονται μακριά από το υπάρχον δίκτυο καθιστάτε αντιοικονομική η δημιουργία δικτύου για την ηλεκτροδότηση τέτοιον κοινοτήτων ακόμη και κατοικιών. Έτσι η παροχή ενέργειας από υβριδικά συστήματα, βασιζόμενα σε ΑΠΕ είναι πιο οικονομική σε αυτές τις περιπτώσεις και πιο φιλική προς το περιβάλλον. Η αύξηση της αξιοπιστίας αυτών των συστημάτων, οι ασήμαντες απώλειες μεταφοράς και η χρήση αειφόρων πηγών ενέργειας παίζουν σημαντικό ρόλο για να αποτελέσουν τα υβριδικά συστήματα την καλύτερη αποκεντρωμένη λύση. Τα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο υβριδικά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής μπορεί να εγκαθίστανται είτε αποκλειστικά για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είτε ως συστήματα υποστήριξης σε περιπτώσεις διακοπής του ηλεκτρικού δικτύου, είτε μπαίνουν σε λειτουργία τις ώρες αιχμής όταν η τιμή της kwhείναι υψηλή. Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν μονάδες ΑΠΕ οι οποίες είτε διασυνδέονται απευθείας στο δίκτυο, είτε αποθηκεύουν την ενέργεια τους σε μέσα αποθήκευσης ώστε να χρησιμοποιηθεί όταν αυτό κριθεί απαραίτητο. Συνήθως οι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή αυτή είναι η τιμή της παραγόμενηςkwhαπό την κάθε μορφή ΑΠΕ και το φορτίο που πρέπει να καλυφθεί όταν αυτό κριθεί απαραίτητο. Τέτοια μικρής κλίμακας συστήματα χρησιμοποιούνται τα τελευταία χρόνια ευρέως στις αναπτυσσόμενες χώρες, όπου η ταχεία αύξηση της ζήτησης σε ισχύ προκαλεί συχνά προβλήματα αστάθειας δικτύου που μπορούν να οδηγήσουν μέχρι την κατάρρευσή 28

30 του. Ακόμη η χρησιμοποίηση συμβατικών πηγών ενέργειας επιβαρύνει το περιβάλλον κοντά σε κατοικημένες περιοχές. Η σημαντικότερη διαφορά του αυτόνομου σε σχέση με ένα διασυνδεδεμένο υβριδικό σύστημα είναι ότι πρέπει να μπορεί να παρέχει όλη την ενέργεια που ζητείται οποιαδήποτε χρονική στιγμή ή να κάνει αποκοπή φορτίου όταν αυτό δεν είναι εφικτό. Επιπλέον, πρέπει να έχει την ικανότητα ρύθμισης συχνότητας και παραγωγής άεργου ισχύος ώστε να ρυθμίζει την τάση του δικτύου. Όταν η ηλεκτρική παραγωγή από τις μονάδες ΑΠΕ του συστήματος ξεπερνά το φορτίο, η περίσσεια ενέργειας πρέπει να αποθηκευτεί ή και να απορριφθεί με κάποιον τρόπο ώστε να μην προκαλέσει αστάθεια στο σύστημα. Τα αυτόνομα δίκτυα δεν έχουν άπειρο ζυγό, οπότε επηρεάζονται έντονα από την σύνδεση επιπρόσθετου φορτίου ή γεννήτριας. Για τους παραπάνω λόγους, τα περισσότερα αυτόνομα συστήματα περιλαμβάνουν διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας και συστήματα ελέγχου και διαχείρισης φορτίου. Εικόνα2.1: Υβριδικό σύστημα (Πηγή: NORA GREEN TECHNOLOGY) 29

31 Κεφάλαιο Σχήμα 2.1: Αναπαράσταση αυτόνομου υβριδικού συστήματος με συσσωρευτή και dc σύνδεση 30

32 Κεφάλαιο 3 [H ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΤΗΣ ΚΥΠΡΟΥ] 31

33 3.1 ΚΥΠΡΟΣ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΑΘΕΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [10] Η Κύπρος βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα της μεσογείου, νότια της Τουρκίας. Η συνολική επιφάνεια της Κύπρου είναι 9250 km^2, και το μήκος της ακτογραμμής της είναι 648km. Η μορφολογία της Κύπρου περιλαμβάνει πεδινά εδάφη στα κεντρικά σημεία του νησιού με παρουσία βουνών στα βόρια και στα νότια, καθώς επίσης και διακεκομμένες πεδινές περιοχές στα νότια σημεία. Το μεγαλύτερο υψόμετρο είναι στα 1951m. Στην Κύπρο καταλυτική επίδραση στον τομέα της ενέργειας έχουν, η σχεδόν αποκλειστική εξάρτηση της χώρας από τα εισαγόμενα ενεργειακά προϊόντα, η έντονη κυριαρχία του πετρελαίου στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η ταχεία αύξηση της ενεργειακής ζήτησης και ότι είναι απομονωμένη από τα ευρωπαϊκά δίκτυα μεταφοράς ενέργειας λόγω της γεωγραφικής της θέσης. Σχήμα 3.1: Συνολική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε (GWh) μέχρι το έτος 2019 (ΑΗΚ & άλλοι) (Πηγή: ΡΑΕΚ) Σχήμα 3.2: Αδειοδοτημένες μονάδες ηλεκτρικής ενέργειας συμβατικές μονάδες. (Πηγή: ΡΑΕΚ) 32

34 3.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΠΟΛΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΣΤΟΧΟΙ [12] [13] [14] Η Κύπρος εντάχθηκε στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2004 και υιοθέτησε την Ευρωπαϊκή πολιτική για τις ΑΠΕ. Η ενεργειακή πολιτική της Κύπρου είναι πλήρως εναρμονισμένη με την Ευρωπαϊκή ενεργειακή πολιτική με κύριους άξονες την εξασφάλιση υγιούς ανταγωνισμού στην αγορά, στη διασφάλιση προμήθειας της ενέργειας και την ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών της χώρας με όσο το δυνατό μικρότερη επιβάρυνση στην οικονομία και στο περιβάλλον. Οι στόχοι της Ευρωπαϊκής Ένωσης σε εθνικό και κοινοτικό επίπεδο για το 2020 είναι: 20% μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε σχέση με τα επίπεδα του % συμμετοχή των ΑΠΕ στην τελική ενεργειακή κατανάλωση. 20% εξοικονόμηση ενέργειας. 10% συμμετοχή των ΑΠΕ, στην συνολική κατανάλωση μεταφορών. Για την περίπτωση της Κύπρου προτείνει ως δεσμευτικό στόχο το 13% της τελικής ενεργειακής κατανάλωσης να προέρχεται από ΑΠΕ μέχρι το 2020 και 10% συμμετοχή των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση των μεταφορών. Μέχρι το 2020 αναμένεται να εγκατασταθούν στην Κύπρο συστήματα ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ συνολικής δυναμικότητας 584MW που θα περιλαμβάνουν: Αιολικά πάρκα 300MW Εμπορικά φωτοβολταϊκά 192MW Μονάδες βιομάζας/βιοαερίου 17MW Ηλιοθερμικό σταθμό 75MW (πηγή ο ενεργειακός τομέας της Κύπρου) Ένας πολύ σημαντικός στόχος πολιτικής εξοικονόμησης ενέργειας που θα κληθεί η Κύπρος να υλοποιήσει, αφορά την εναρμόνιση με την οδηγία 2002/91/ΕΚ για την Ενεργειακή Αποδοτικότητα των Κτιρίων(EPBD). To δυναμικό εξοικονόμησης στα κτήρια είναι πολύ σημαντικό γιατί δεν υπήρχαν κανονισμοί για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων πριν από την ένταξη της Κύπρου στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Έτσι η εφαρμογή της οδηγίας των κτιρίων αναμένεται να έχει ένα πολύ σημαντικό αποτέλεσμα. 33

35 3.3 ΝΟΜΟΘΕΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΠΕ ΚΑΙ ΤΗΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ [12] [13] [14] Δημιουργία ειδικού ταμείου ΑΠΕ και ΕΞΕ για την ενθάρρυνση και προώθηση της χρήσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας και της Εξοικονόμησης Ενέργειας. Η Αρχή Ηλεκτρισμού είναι υποχρεωμένη να αγοράζει την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια από ΑΠΕ σε μια ορισμένη τιμή που ορίζεται από την ΡΑΕΚ(Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας Κύπρου). Καθορισμός των διαδικασιών αδειοδότησης και σύνδεσης συστημάτων ΑΠΕ(φωτοβολταϊκά, αιολικά, βιομάζα) με το δίχτυο διανομής της ΑΗΚ(Αρχή Ηλεκτρισμού Κύπρου). Σχέδια παροχής χορηγιών για Εξοικονόμηση Ενέργειας και ενθάρρυνση χρήσης των ΑΠΕ: παροχή οικονομικών κινήτρων με την μορφή κρατικών ενισχύσεων για ενθάρρυνση επενδύσεων στους τομείς της Εξοικονόμησης Ενέργειας και Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Σχήμα 3.3: Πλάνο Ανάπτυξης ΑΠΕ: Σχέδιο Παροχής Χορηγιών για ηλεκτροπαραγωγή από μεγάλα εμπορικά αιολικά, ηλιοθερμικά, φωτοβολταϊκά συστήματα και την αξιοποίηση βιομάζας και βιοαερίου(πηγή : 34

36 Πίνακας 3.1: Εκτιμώμενη πορεία ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές στη θέρμανση και ψύξη, στην ηλεκτροπαραγωγή και στις μεταφορές για την επίτευξη του στόχου 13% ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας το 2020.(Πηγή : Πίνακας 3.2: Σενάριο για την εκτιμώμενη πορεία της ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές στις μεταφορές για την επίτευξη του στόχου 10% ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση ενέργειας στις μεταφορές το 2020(Πηγή : 35

37 Πίνακας 3.3: Εκτίμηση συνολικού μεριδίου (εγκαταστημένη δυναμικότητα) που αναμένεται από κάθε τεχνολογία ανανεώσιμης ενέργειας και ενδεικτική ενδιάμεση πορεία για τα μερίδια ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές στην ηλεκτροπαραγωγή(πηγή : 36

38 Κεφάλαιο 4 [ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ HOMER] 37

39 4.1 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ HOMER Εισαγωγή [6[ [7] ΤοHOMER(Micropower Optimization Model) είναι ένα υπολογιστικό μοντέλο που αναπτύχθηκε από το αμερικανικό Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (National Renewable Energy Laboratory,NREL) για να βοηθήσει στο σχεδιασμό συστημάτων και να διευκολυνθεί η σύγκριση των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Το HOMER επιτρέπει στον σχεδιαστή να συγκρίνει πολλές διαφορετικές σχεδιαστικές επιλογές με βάση την τεχνική και οικονομική αξία τους.βοηθά επίσης στην κατανόηση και ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων της αβεβαιότητας ή αλλαγές στις εισόδους. Τα συστήματα ενέργειας που χρησιμοποιούνται, παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, ενδεχομένως και θερμότητα, για την εξυπηρέτηση ενός φορτίου σε κοντινή απόσταση. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιοδήποτε συνδυασμό τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και αποθήκευσης και μπορεί να είναι συνδεδεμένο στο δίκτυο ή αυτόνομο. Το HOMERμπορεί να προσομοιώσει διασυνδεδεμένα και αυτόνομα συστήματα που εξυπηρετούν ηλεκτρικά και θερμικά φορτία, και περιλαμβάνουν οποιονδήποτε συνδυασμό από φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες, ενέργεια από βιομάζα, κελιών καυσίμου, μπαταρίες κ.α. Η ανάλυση και ο σχεδιασμός συστημάτων παραγωγής ενέργειας είναι αρκετά ενδιαφέροντα και ποικίλλουν, λόγω του μεγάλου αριθμού επιλογών σχεδιασμού και βασικών παραμέτρων, όπως το μέγεθος φορτίων και η μελλοντική μορφή καυσίμου. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας προσθέτουν περεταίρω πολυπλοκότητα, επειδή η ισχύς εξόδου τους δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται από την εποχή και την διαθεσιμότητα της πηγής. Το HOMERέχει ως σκοπό να ξεπεράσει αυτές τις προκλήσεις. Το HOMER εκτελεί τρείς κύριους στόχους :προσομοίωση, βελτιστοποίηση και ανάλυση ευαισθησίας. Στη διαδικασία της προσομοίωσης, το πρόγραμμα μοντελοποιεί την απόδοση ενός συστήματος κάθε ώρα του έτους για να καθορίσει το κόστος πραγματοποίησης και του κύκλου ζωής του. Κατά την διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER προσομοιώνει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις συστημάτων και αναζητεί εκείνοι που πληροί τους τεχνικούς περιορισμούς με το χαμηλότερο κόστος κύκλου ζωής του. Κατά την διαδικασία ανάλυσης ευαισθησίας, το HOMER εκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις με μια σειρά από παραδοχές για την εκτίμηση των επιπτώσεων της αβεβαιότητας ή αλλαγές στις εισόδους του μοντέλου. Το πιο κάτω σχήμα απεικονίζει τη σχέση μεταξύ προσομοίωσης, βελτιστοποίησης και ανάλυσης ευαισθησίας. Το οβάλ βελτιστοποίησης περικλείει το οβάλ προσομοίωσης για να δείξει ότι μια βελτιστοποίηση αποτελείται από πολλαπλές προσομοιώσεις. Ομοίως το οβάλ ανάλυσης ευαισθησίας περιλαμβάνει το οβάλ βελτιστοποίησης επειδή μια ανάλυση ευαισθησίας αποτελείται από πολλές βελτιστοποιήσεις. 38

40 Εικόνα 4.1: Εννοιολογική σχέση μεταξύ προσομοίωσης, βελτιστοποίησης και ανάλυσης ευαισθησίας Προσομοίωση Η θεμελιώδη ικανότητα του HOMER είναι η προσομοίωση μιας μακρόχρονης λειτουργίας ενός συστήματος παραγωγής ενέργειας. Οι λειτουργίες της βελτιστοποίησης και της ανάλυσης ευαισθησίας, στηρίζονται σε αυτήν την ικανότητα προσομοίωσης. Το HOMER μπορεί να προσομοιώσει μια μεγάλη ποικιλία συστημάτων, η οποία περιλαμβάνει οποιοδήποτε συνδυασμό από φωτοβολταϊκή συστοιχία, μια ή περισσότερες ανεμογεννήτριες, μια συστοιχία μπαταριών, μέχρι τρείς ντιζελογεννήτριες, ένα AC-DC μετατροπέα κ.α. Το σύστημα μπορεί να είναι είτε διασυνδεδεμένο με το δίκτυο της Α.Η.Κ είτε αυτόνομο και μπορεί να εξυπηρετεί DCκαι ACφορτία καθώς και θερμικά φορτία. Στα πιο κάτω σχηματικά διαγράμματα απεικονίζονται μερικά παραδείγματα των τύπων των συστημάτων που μπορεί το HOMERνα προσομοιώσει. 39

41 Εικόνα 4.2:Παραδείγματα των τύπων των συστημάτων που μπορεί το HOMER να προσομοιώσει Εικόνα4.3:Παραδείγματα των τύπων των συστημάτων ενωμένα με το δίκτυο που μπορεί το HOMER να προσομοιώσει Στο πρόγραμμα η διαδικασία προσομοίωσης εξυπηρετεί δυο σκοπούς. Πρώτον προσδιορίζει αν το σύστημα είναι εφικτό. Το HOMER θεωρεί ότι το σύστημα είναι εφικτό εάν μπορεί επαρκώς να εξυπηρετήσει τα ηλεκτρικά και θερμικά φορτία και να ικανοποιήσει οποιοδήποτε άλλο περιορισμό που επιβάλλεται από το χρήστη. Δεύτερον, εκτιμά το κόστος του κύκλου ζωής του συστήματος, το οποίο είναι το συνολικό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας του συστήματος κατά τη διάρκεια ζωής του. Το HOMERμοντελοποιεί μια διαμόρφωση συστήματος εκτελώντας ωριαίες προσομοιώσεις για ένα έτος. Με αυτές τις προσομοιώσεις το HOMER υπολογίζει τις διαθέσιμες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, συγκρίνοντας τις με το ηλεκτρικό φορτίο, και αποφασίζει τι θα κάνει την επιπλέον ενέργεια σε περιόδους που παράγεται αρκετή 40

42 ή πως θα παράγει περισσότερη σε περιόδους που έχουμε έλλειψη. Όταν ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί ενός έτους, το HOMER καθορίζει αν το σύστημα ικανοποιεί τους περιορισμούς που επιβάλλονται από το χρήστη όσον αφορά το φορτίο που καλύφτηκε και τις εκπομπές ρύπων. Το HOMER υπολογίζει επίσης τις ποσότητες που απαιτούνται για τον υπολογισμό του κόστους κύκλου ζωής του συστήματος, όπως η ετήσια κατανάλωση καυσίμου, η ετήσιες ώρες λειτουργίας της γεννήτριας, η αναμενόμενη διάρκεια ζωής των μπαταριών ή η ποσότητα ενέργειας που αγοράζεται ετησίως από το δίκτυο. Η ποσότητα που το HOMER χρησιμοποιεί για να αντιπροσωπεύει το κόστος του κύκλου ζωής του συστήματος είναι το συνολικό καθαρό παρόν κόστος (NPC). Αυτή η ενιαία αξία περιλαμβάνει όλες τις δαπάνες και τα έσοδα που συμβαίνουν εντός της διάρκειας του έργου. Το συνολικό καθαρό παρόν κόστος περιλαμβάνει το αρχικό κόστος κεφαλαίου των τμημάτων του συστήματος, το κόστος συντήρησης και των καυσίμων, το κόστος οποιονδήποτε δεδομένων αντικατάστασης που εμφανίζονται μέσα στη διάρκεια ζωής του έργου, και το κόστος αγοράς ενέργειας από το δίκτυο. Οποιοδήποτε εισόδημα από την πώληση της ενέργειας στο δίκτυο μειώνει το συνολικό NPC. Το HOMER έχει ως δεδομένο πως το σύστημα λειτουργεί πάνω από ένα έτος και υποθέτει ότι η κατανάλωση καυσίμων, ο ρυθμός και η απόδοση των μπαταριών καθώς και η παραγωγή πλεονάσματος είναι αντιπροσωπευτικά κάθε χρόνου στη διάρκεια ζωής του προγράμματος. Δεν εξετάζει τις αλλαγές με την πάροδο του χρόνου όπως η αύξηση του φορτίου, η αύξηση των τιμών του καυσίμου ή η επιδείνωση της απόδοσης των μπαταριών ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΊΗΣΗ Ενώ η διαδικασία της προσομοίωσης μοντελοποιεί μια συγκεκριμένη ρύθμιση του συστήματος, η διαδικασία της βελτιστοποίησης καθορίζει την καλύτερη δυνατή διαμόρφωση του συστήματος. Στο HOMER η βέλτιστη διαμόρφωση είναι εκείνοι που πληροί τους καθορισμένους από το χρήστη περιορισμούς στην χαμηλότερη συνολική καθαρή παρούσα αξία. Η εύρεση της βέλτιστης διαμόρφωσης του συστήματος μπορεί να περιλαμβάνει την απόφαση σχετικά με την ανάμειξη των δεδομένων που το σύστημα μπορεί να περιέχει, το μέγεθος ή την ποσότητα κάθε δεδομένου και την στρατηγική επικοινωνίας που το σύστημα πρέπει να χρησιμοποιήσει. Κατά την διαδικασία της βελτιστοποίησης, το HOMER προσομοιώνει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις του συστήματος, απορρίπτει τις ανέφικτες, κατατάσσει τις εφικτές σύμφωνα με το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, και παρουσιάζει το πραγματοποιήσιμο με το χαμηλότερο συνολικό παρόν κόστος ως τη βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος. Ο στόχος της διαδικασίας της βελτιστοποίησης είναι να προσδιοριστεί η βέλτιστη τιμή της κάθε μεταβλητής απόφασης που ενδιαφέρει το χρήστη. Μια μεταβλητή απόφασης είναι μια μεταβλητή στην οποία ο σχεδιαστής του συστήματος έχει τον έλεγχο και για την οποία το HOMER μπορεί να εξετάσει πολλαπλές πιθανές τιμές στην διαδικασία της βελτιστοποίησης. 41

43 Το HOMER επιτρέπει στο χρήστη να εισάγει πολλαπλές τιμές για κάθε μεταβλητή απόφασης. Χρησιμοποιώντας έναν πίνακα όπως αυτόν που φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα, ο χρήστης εισάγει οποιοδήποτε αριθμό τιμών για κάθε μεταβλητή απόφασης. Σχήμα4.1:Διάστημα αναζήτησης που περιλαμβάνει 140 διαμορφώσεις συστημάτων Κατά την διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER προσομοιώνει κάθε διαμόρφωση του συστήματος από το χώρο αναζήτησης και εμφανίζει κάθε πραγματοποιήσιμο σύστημα σε έναν πίνακα, ταξινομώντας τα σύμφωνα με το συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Το σχήμα παρακάτω παρουσιάζει τα αποτελέσματα του συστήματος ντιζελογεννήτριας με ανεμογεννήτριες. Οι τέσσερις πρώτες σειρές περιέχουν τα εικονίδια των στοιχείων που διαμορφώνουν το σύστημα, οι επόμενες τέσσερις αναφέρονται στον αριθμό ή το μέγεθος του κάθε στοιχείου, ενώ οι επόμενες πέντε στήλες περιέχουν μερικά από τα βασικά αποτελέσματα της προσομοίωσης δηλαδή, το συνολικό κόστος κεφαλαίου του συστήματος, το συνολικό καθαρό παρόν κόστος, το κόστος ενέργειας ανά κιλοβατώρα, η ετήσια κατανάλωση καυσίμου και τον αριθμό των ωρών της γεννήτριας που λειτουργεί ανά έτος. Ο χρήστης στην συνέχεια έχει πρόσβαση σε λεπτομερή αποτελέσματα για κάθε πραγματοποιήσιμη διαμόρφωση του συστήματος. Σχήμα 4.2: Βελτιστοποιημένος πίνακας που παρουσιάζει τις διαμορφώσεις συστημάτων που ταξινομούνται κατά το συνολικό καθαρό κόστος 42

44 Η πρώτη γραμμή στο σχήμα παρακάτω είναι η βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος δηλαδή αυτή με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος. Επίσης, το πρόγραμμα μπορεί να παρουσιάσει ένα υποσύνολο αυτόν των γενικών αποτελεσμάτων βελτιστοποίησης με την επίδειξη μόνο της ελάχιστου κόστους διαμόρφωσης μέσα σε κάθε κατηγορία ή τύπο συστημάτων. Σχήμα4.3:Πίνακας ταξινομημένης βελτιστοποίησης AΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΊΑΣ Στην παραπάνω ενότητα περιγράψαμε τη διαδικασία βελτιστοποίησης, στην οποία το HOMER βρίσκει το ιδανικό σύστημα κάτω από ένα συγκεκριμένο σύνολο παραδοχών εισόδου. Στην ενότητα αυτή θα περιγράψουμε την διαδικασία ανάλυσης ευαισθησίας, στην οποία το HOMERεκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις, η κάθε μια με ένα διαφορετικό σύνολο τιμών εισόδου. Η ανάλυση ευαισθησίας δείχνει πόσο ευαίσθητη είναι η έξοδος σε μεταβολές στην είσοδο. Σε μια ανάλυση ευαισθησίας, ο χρήστης του HOMER εισάγει μια σειρά τιμών για μια ενιαία μεταβλητή εισαγωγής. Μια μεταβλητή για την οποία ο χρήστης έχει εισάγει πολλαπλές τιμές ονομάζεται μεταβλητή ευαισθησίας. Σχεδόν κάθε αριθμητική μεταβλητή στο HOMER που δεν είναι μια μεταβλητή απόφασης μπορεί να είναι μια μεταβλητή ευαισθησίας. Παραδείγματα είναι η τιμή της ενέργειας δικτύου, η τιμή των καυσίμων, το επιτόκιο, ή η διάρκεια ζωής των Φ/Β πλαισίων. Το μέγεθος ενός ωριαίου συνόλου στοιχείων, όπως το φορτίο και τα στοιχεία των ανανεώσιμων πηγών, μπορεί επίσης να είναι μια μεταβλητή ευαισθησίας. Ο χρήστης μπορεί να εκτελέσει μια ανάλυση ευαισθησίας με οποιοδήποτε αριθμό ευαισθησίας. Κάθε συνδυασμός μεταβλητών τιμών ευαισθησίας καθορίζει μια ξεχωριστή περίπτωση ανάλυσης ευαισθησίας. Για παράδειγμα, εάν ο χρήστης καθορίζει έξι τιμές για την τιμή ενέργειας δικτύου και τέσσερις τιμές για το επιτόκιο, ορίζονται 24 διαφορετικές τιμές ευαισθησίας.το HOMERεκτελεί μια ξεχωριστή διαδικασία βελτιστοποίησης για κάθε περίπτωση ευαισθησίας και παρουσιάζει τα αποτελέσματα με διάφορα συνοπτικά και γραφικά σχήματα. 43

45 Μια από τις κύριες λειτουργίες της ανάλυσης ευαισθησίας είναι η αντιμετώπιση της αβεβαιότητας. Εάν ο σχεδιαστής του συστήματος δεν είναι σίγουρος για την αξία μιας συγκεκριμένης μεταβλητής, μπορεί να εισάγει διάφορες τιμές που καλύπτουν ένα πιθανό εύρος και να δει πως τα αποτελέσματα ποικίλουν πέρα από εκείνο το εύρος. Το σχήμα παρακάτω παρουσιάζει τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας στο σύστημα ανεμογεννήτρια γεννήτρια πετρελαίου που ο χρήστης εκτέλεσε για να βρει την πιο συμφέρουσα ανάλυση στην τιμή καυσίμου. Σχήμα 4.4:Αποτελέσματα ευαισθησίας που παρουσιάζουν την βέλτιστη διαμόρφωση συστημάτων που αλλάζει με την τιμή καυσίμων 4.2 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ [6] [7] Κόστος κύκλου ζωής(life Cycle Cost-LCC), είναι το συνολικό κόστος για την ιδιοκτησία, την εγκατάσταση, τη λειτουργία, τη συντήρηση, ή και τον παροπλισμό μιας εγκατάστασης κατά την διάρκεια μιας χρονικής περιόδου. Κρατώντας τον ορισμό αυτό κατά νου, μπορεί κανείς να αναλύσει την εξίσωση LCC στις ακόλουθες τρείς μεταβλητές : α) τις σχετικές δαπάνες της ιδιοκτησίας της εγκατάστασης β) το χρονικό διάστημα κατά το οποίο πραγματοποιούνται οι δαπάνες αυτές,και γ) το προεξοφλητικό επιτόκιο που εφαρμόζεται για τις μελλοντικές δαπάνες ούτως ώστε να ισοδυναμούν με το καθαρό παρόν κόστος (Net Present Cost-NPC). Πιο συγκεκριμένα το ολικό κόστος κύκλου ζωής μιας εγκατάστασης (LCC) εξαρτάται από : A) Το συνολικό αρχικό κόστος εγκατάστασης. B) Την διάρκεια ζωής της εγκατάστασης, Ν έτη (εδώ 20 έτη) C) Το ολικό κόστος αντικατάστασης τμημάτων του συστήματος (Replacement Cost) C RX, για το τμήμα χ, με βάση τις σημερινές τιμές των τμημάτων που πρόκειται να αντικατασταθούν σε N έτη από το έτος αρχικής επένδυσης, (για προεξοφλητικό επιτόκιο ε) και αναγωγής τους στο έτος αρχικής επένδυσης μέσω του παράγοντα παρούσας αξίας PVF (Present Value Factor). 44

46 Ο παράγοντας αυτός υπολογίζεται στην πιο κάτω εξίσωση. Έτσι υπολογίζεται η μελλοντική αξία του συστήματος FV (Future Value) (1 ) N PVF (4.1) C PVF C (4.2) R, R,, X FV PV (1 ) N (4.3) Όπου C R,, X το κόστος αντικατάστασης του τμήματος χ το έτος N, με προεξοφλητική επιτόκιο ε ή ετήσιο πραγματικό επιτόκιο. D) Το ολικό κόστος συντήρησης και λειτουργίας του συστήματος (operation maintenance) C om, σε παρούσα αξία, προκύπτει με αναγωγή του ολικού ετήσιου κόστους συντήρησης και λειτουργίας των τμημάτων του C om, Y (θεωρώντας σταθερό το έτος αναγωγής), μέσω του παράγοντα ανάκτησης κεφαλαίου CRF (Capital Recovery Factor). Αν C om, Y είναι το ολικό ετήσιο κόστος συντήρησης και λειτουργίας του συστήματος για N έτη, τότε η παρούσα αξία του C και ο παράγοντας ανάκτησης κεφαλαίουcrf δίνονται από τις παρακάτω σχέσεις : Com Com, y / CRF (4.4) om CRF ( 1) / (( ) 1) (4.5) Όπου το N είναι ο αριθμός ετών της μελέτης του συστήματος (εδώ 20 χρόνια) και ε ο συντελεστής αναγωγής σε παρούσα αξία.σύμφωνα με τα προηγούμενα λοιπόν το ολικό κόστος κύκλου ζωής της επένδυσης LCC διαμορφώνεται ως : LCC C C C S (4.6) o R, om S Crep ( Nrem / Ncomp ) 45 (4.7)

47 S : H απομένουσα αξία του συστήματος στο τέλος του χρόνου ζωής του C rep : To κόστος αντικατάστασης του εξοπλισμού N rem :Το υπόλοιπο της ζωής ενός στοιχείου του συστήματος στο τέλος της διάρκειας ζωής του συστήματος (18 χρόνια) N comp :η διάρκεια ζωής του εξοπλισμού Το καθαρό παρόν κόστος NPC και το συνολικό ετήσιο κόστος της εγκατάστασης C acap (Annual Capital Cost), κατανεμημένο ισόποσα σε κάθε έτος υπολογίζονται ως: CNPC Cann, tot / CRF, proj (4.8) Cacap Ccap CRF, proj (4.9) C ann, tot :Το συνολικό ετήσιο κόστος του συστήματος proj C cap :Η διάρκεια της επένδυσης :Tο αρχικό πρωτεύον κεφάλαιο Το μέσο κόστος ανά kwh COE(Cost of Energy) της ωφέλιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από το σύστημα για την κάλυψη του φορτίου, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η πλεονάζουσα ενέργεια, διαιρεί το ετήσιο κόστος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (το συνολικό ετήσιο κόστος του συστήματος μείον το κόστος της εξυπηρέτησης του θερμικού φορτίου) με το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο που εξυπηρετείται, χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση : COE ( C C H ) / E (4.10) ann, tot boiler served served E E E E served prim drf grid, sales (4.11) 46

48 Όπου C boiler H : Το οριακό κόστος του boiler σε ευρώ/kwh served : To συνολικό θερμικό φορτίο που εξυπηρετείται (εφόσον υπάρχει) σε kwh/yr. E served : Tο συνολικό ηλεκτρικό φορτίο που εξυπηρετείται σε kwh/yr. E prim, DC :Το συνολικό ποσό ενέργειας το οποίο εξυπηρέτησε το συνολικό DC φορτίο κατά τη διάρκεια του έτους σε kwh/yr. E prim, AC :Το συνολικό ποσό ενέργειας το οποίο εξυπηρέτησε το συνολικό AC φορτίο κατά τη διάρκεια του έτους σε kwh/yr. E drf : Το συνολικό ποσό ενέργειας το οποίο εξυπηρέτησε το πλεονάζον φορτίο (deferrable load) κατά την διάρκεια του έτους σε kwh/yr. E grid, sales : Οι συνολικές πωλήσεις στο δίκτυο σε kwh/yr. 4.3 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ [6] [7] [8] Α.Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Το HOMERυπολογίζει την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ της Φωτοβολταϊκής Συστοιχίας χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4.12) όπου δεν λαμβάνει υπόψη τον θερμοκρασιακό συντελεστή : Y P Y F ( G / G ) (4.12) PV PV PV T T, STC PV :Η ονομαστική ισχύς σε kw, της φωτοβολταϊκής συστοιχίας σε λειτουργία υπό κανονικές συνθήκες F PV : Παράγοντας υποβιβασμού της ικανότητας του φωτοβολταϊκου (%) λόγω επικάλυψης ρύπων κ.τ.λ. 47

49 G T : Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στη συστοιχία σε Kw/ 2 m G T, STC 2 : Η προσπίπτουσα ακτινοβολία υπό κανονικές συνθήκες δοκιμής [1Kw/ m ]. Β. Ανεμογεννήτρια Το HOMER θεωρεί μιαν ανεμογεννήτρια ως συσκευή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του αέρα σε ηλεκτρική εναλλασσόμενου ή συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιώντας την χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος (Εικόνα) η οποία είναι μια γραφική παράσταση της παραγόμενης μηχανικής ισχύος σε kw συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου σε m/s. Εικόνα 4.4: Καμπύλη Ισχύος Ανεμογεννήτριας Γ. Συστοιχία μπαταριών Το πρόγραμμα υποθέτει ότι οι ιδιότητες των μπαταριών παραμένουν σταθερές σε όλη τη διάρκεια ζωής τους και δεν επηρεάζονται από εξωτερικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία οπότε και υπολογίζει την ζωή των μπαταριών για το τρέχον έτος από την πιο κάτω εξίσωση : N batt Q lifetime R min( N Q / Q R ) (4.13) batt batt lifetime thrpt batt. f : Ο αριθμός των μπαταριών της συστοιχίας :H απόδοση ρυθμού σε όλη τη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας σε kwh Q thrpt : Oετήσιος ρυθμός απόδοσης σε kwh/yr R batt. f : Η ζωή της συστοιχίας σε χρόνια(yr). 48

50 Δ. Γεννήτρια Η γεννήτρια καταναλώνει καύσιμα για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια και ενδεχομένως θερμότητα ως υποπροϊόν. Το HOMER μπορεί να διαμορφώσει ένα ηλεκτρικό σύστημα περιλαμβάνοντας τουλάχιστον τρείς γεννήτριες, κάθε μια από τις οποίες μπορεί να είναι εναλλασσόμενου ή συνεχούς ρεύματος, και κάθε μια από τις οποίες μπορεί να καταναλώσει διαφορετικό είδος καυσίμου. Το HOMERχρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση (4.14) για τον ρυθμό κατανάλωσης καυσίμου της γεννήτριας F(L/hr) F F0 Ygen Fl Pgen (4.14) F 0 : Ο συντελεστής παρεμπόδισης καμπύλης καυσίμου σε L/hr/kW Y gen : Η εκτιμώμενη ικανότητα της γεννήτριας σε kw F l : Η κλίση της καμπύλης κατανάλωσης καυσίμου της γεννήτριας σε L/hr/kW P gen : Η παραγόμενη ισχύς στην έξοδο της γεννήτριας σε kw. 49

51 Κεφάλαιο 5 [ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ] 50

52 5.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτήν την εργασία έχει μελετηθεί, με την βοήθεια του προγράμματος προσομοίωσης βελτιστοποίησης HOMER, η λειτουργία αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων με στόχο την κάλυψη των ηλεκτρικών αναγκών (φορτίου) μιας μικρής κοινότητας. Τα ηλεκτρικά συστήματα που μελετήθηκαν είναι: Α. Προϋπάρχον σύστημα Φορτίο Ντίζελ Β. Σύστημα Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες Γ. Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Δ. Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Σκοπός αυτών των ηλεκτρικών συστημάτων είναι να βρεθεί η πιο συμφέρουσα λύση όσον αφορά τον οικονομικό τομέα, την παραγωγή ενέργειας, την ανεκμετάλλευτη ενέργεια που χάνεται και τους επιβλαβείς για το περιβάλλον ρύπους που δημιουργούνται για την υπό μελέτη περιοχή. 5.2 ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΥΠΟ ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ως περιοχή μελέτης έχει επιλεγεί το χωριό Χούλου, μια μικρή κοινότητα στην επαρχία Πάφου της Κύπρου. Η Χούλου είναι χτισμένη σε υψόμετρο 320 μέτρων και η μέση ετήσια βροχόπτωση στην περιοχή είναι σχεδόν 640 χιλιόμετρα. Η Χούλου κατοικείται όλο το χρόνο. Κατά την τουριστική περίοδο, το καλοκαίρι, παρατηρείται απότομη αύξηση στις απαιτήσεις φορτίου λόγο του αυξανόμενου πληθυσμού στην περιοχή. 51

53 Load kw 5.3 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΟΙΚΩΝ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Στο πιο κάτω γράφημα φαίνεται η ενεργειακή κατανάλωση των κατοίκων της περιοχής για μια τυπική μέρα του Ιουλίου. Παρατηρούμε ότι η μέγιστη ζήτηση σε φορτίο είναι κατά τις απογευματινές ώρες. Η ετήσια μέση ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι 145kWh και η ετήσια μέγιστη τιμή ισχύος είναι 18,1kW. Tα δεδομένα έχουν συλλεχτεί από την αρχή ηλεκτρισμού Κύπρου (Α.Η.Κ) hours Σχήμα 5.1:Ηλεκτρικό φορτίο της Χούλους για μια τυπική μέρα του Ιουλίου 5.4 Η ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Τα δεδομένα όσον αφορά την ηλιακή ακτινοβολία της περιοχής και συγκεκριμένα ο δείκτης αιθριότητας και η ημερήσια ακτινοβολία φαίνονται στο πιο κάτω σχήμα(5.2). Οι μετρήσεις της ωριαίας ηλιακής ακτινοβολίας για την χρονική περίοδο ενός έτους προκειμένου να υπολογιστούν οι μηνιαίες μέσες τιμές του δείκτη αιθριότητας και της καθημερινής ακτινοβολίας εισήχθηκαν αυτόματα στο πρόγραμμα εξομοίωσης HOMER, εφόσον το πρόγραμμα έχει ως πηγή πληροφοριών την NASA. Για να γίνει εφικτό αυτό πρέπει ο χρήστης να ορίσει το γεωγραφικό πλάτος(32 33 ) και το γεωγραφικό μήκος(34 52 ) της περιοχής που θα μελετήσει. 52

54 Σχήμα 5.2 : Η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία και ο δείκτης αιθριότητας της Χούλους Όπως παρατηρούμε από το σχήμα η ηλιακή ακτινοβολία είναι μέγιστη κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και ιδιαίτερα τους μήνες Ιούνιο και Ιούλιο. Ο μέσος ετήσιος δείκτης αιθριότητας είναι 0,629 και η μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία είναι 4,97kWh 2 / m. 5.5 ΤΟ ΑΙΟΛΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Βάζοντας τα στοιχεία της υπό μελέτη περιοχής στο siteτης NASA(NASA surface Meteorology and Solar Energy) βρήκαμε το αιολικό δυναμικό της περιοχής. Σχήμα 5.3: Η μέση μηνιαία ταχύτητα ανέμου στην Χούλου Months Jan Feb Wind speed [m/s] Annual Average Mar Apr May Jun Jul [m/s] Aug Sep Oct Nov Dec Από τον πιο πάνω πίνακα γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι στην περιοχή δεν έχουμε μεγάλες ταχύτητες ανέμου και αυτό οφείλεται στην τοποθεσία της υπό μελέτη περιοχής. Οι μήνες Ιανουάριος και Φεβρουάριος έχουν τις μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου. 53

55 5.6 TEXNO ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ[6] [7] [8] [9] [11] Α. Φωτοβολταϊκή Συστοιχία Για την προσομοίωση του υβριδικού συστήματος επιλεχθείσα μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά πάνελ της εταιρίας Q cells ονομαστικής ισχύς 250 watts και απόδοσης n 15%. Το κόστος εγκατάστασης ανέρχεται στα 900 /kw, το κόστος αντικατάστασης στα 800 /kw και το κόστος συντήρησης 0 /yr. Η διάρκεια ζωής τους είναι 25 χρόνια. Για την πραγματοποίηση της ανάλυσης χρησιμοποιήθηκαν οι κλίσεις 25, 30,34.9 και 35 μοίρες. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Nominal power [w] 250 Average power [w] 252,5 Open circuit voltage [v] 37,15 Short circuit current [A] 9,07 Efficiency [%] 15 Voltage at P [V] 30,01 MPP Μηχανικά χαρακτηριστικά Format [mm] 1670*1000*50 Weight [kg] 19,8 Β. Ανεμογεννήτρια Για την διαστασιολόγηση του προτεινόμενου συστήματος έχουν επιλεγεί οι DCτύπου ανεμογεννήτριες swwhisper 500 ονομαστικής ισχύος 300 watts. Τα χαρακτηριστικά της Α/Γ και η καμπύλη ισχύος φαίνονται στο πιο κάτω διάγραμμα. Το κόστος αγοράς αντικατάστασης και συντήρησης είναι και 30 /yr αντίστοιχα. Rotor Diameter [m] 4,5 Voltage [v] 24 Rated power [w] 3000 Peak power [w] 3200 Start up wind speed [m/s] 3,4 Survival wind speed [m/s] 55 Weight [kg] 70 Kilowatt hours per month 538/month [kwh] 54

56 Σχήμα 5.4: Καμπύλη ισχύος Α/Γ Γ. Συσσωρευτές Σε ένα αυτόνομο σύστημα παραγωγής ενέργειας για την επιλογή των χαρακτηριστικών μεγεθών της συστοιχίας των συσσωρευτών, η χωρητικότητα τους εκτιμάται βάση της απαιτούμενης περιόδου ενεργειακής αυτονομίας, της τάσης λειτουργίας των συσσωρευτών και του μέγιστου επιτρεπόμενου βαθμού εκφόρτισης. Για την προσομοίωση του συστήματος έχουν χρησιμοποιηθεί οι μπαταρίες Hoppecke 10opzs 1000με κόστος αγοράς 310. Το κόστος αντικατάστασης και συντήρησης είναι 300 και2.00 /yr αντίστοιχα. Model: Hoppecke 10 opzs 1000 Nominal capacity [Ah] 1000 Nominal voltage [v] 2 Round trip efficiency [%] 86 Min. State of charge [%] 30 Float life [yrs] 20 Max. Charge rate [A/Ah] 1 Max. Charge current [A] 202 Lifetime throughput [kwh] Suggested value [kwh] Σχήμα 5.5: Καμπύλη χωρητικότητας συσσωρευτή 55

57 Δ. Γεννήτρια Diesel Στο υβριδικό σύστημα της Χούλου, οι ντιζελογεννήτριες θα έχουν επικουρικό ρόλο και θα ξεκινούν την λειτουργία τους σε περίπτωση μη ικανοποίησης του φορτίου από τα βασικά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής(φ/β και Α/Γ) ή και το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας(συσσωρευτές). Έχουν χρησιμοποιηθεί μονοφασικές ντιζελογεννήτριες τύπου KDE 6500T της εταιρίας KIPOR. Το κόστος αγοράς και αντικατάστασης είναι 800 ενώ το κόστος συντήρησης είναι 0,100 /yr. Model: KDE 6500T Rated frequency [Hz] 50 Rated output [KVA] 4.5 Max. Output [KVA] 5.0 Rated voltage [V] 115/230 Rated current [A] 39,1/19,6 Rated rotation speed [r/min] 3000 Voltage [V] 115/230 Overall dimension [mm] Dry weight [Kg] 158 Fuel Diesel Fuel tank capacity [L] 15 Continuous running time [hr] /240 41,7/20, / *530*740 Ε. Ρυθμιστές, Μετατροπείς, Αντιστροφείς Για το υπό μελέτη αυτόνομο σύστημα ηλεκτροπαραγωγής ένας AC/DC ανορθωτής τάσης είναι απαραίτητος για την μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή προκειμένου να είναι εφικτή η αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας στους συσσωρευτές. Στην συνέχεια η έξοδος του ανορθωτή οδηγείται σε έναν ρυθμιστή φόρτισης. Ο ρυθμός φόρτισης του ελεγκτή εξαρτάται από το ρεύμα και την τάση φόρτισης των μπαταριών. Ο κλάδος παροχής ενέργειας από συσσωρευτές ολοκληρώνεται από έναν DC/AC αντιστροφέα ο οποίος μετατρέπει την DC έξοδο των συσσωρευτών σε εναλλασσόμενη τάση 220/380V. Για την προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιήθηκε ο αντιστροφέας KOSTAL piko 3kW. Το κόστος αγοράς και αντικατάστασης ανέρχεται στα 1400 και το κόστος συντήρησης είναι μηδενικό. Το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του ανορθωτή τάσης και του ρυθμιστή φόρτισης περιλαμβάνονται στο κόστος του αντιστροφέα. 56

58 Model: KOSTAL piko3kw Μεγ. Τάση εισόδου DC [V] Ελάχ. Τάση εισόδου DC [V] Τάση εισόδου εκκίνησης DC [V] Ονομαστική τάσηdc [V] Ελάχ.Τάση ΜPP [V] Μεγ. Ρεύμα εισόδου DC [A] Mεγ. Ρεύμα εξόδουac [A] Ονομαστική ισχύς AC [W] Ονομαστική συχνότητα [Hz] Μέγ. Βαθμός απόδοσης [%] Διαστάσεις [mm] Βάρος [kg] ,7 420*211*350 19,8 5.7 Οικονομικά στοιχεία προσομοίωσης [9] Η διάρκεια ζωής της εγκατάστασης του συστήματος είναι τα 20 χρόνια και το πραγματικό επιτόκιο της επένδυσης είναι 6%. Επίσης στη ανάλυση μας πρέπει να προσθέσουμε και 1300 για το κόστος σταθερού κεφαλαίου καθώς και 80 για γενικότερα κόστη συντήρησης των μονάδων. Στο constraintsη μέγιστη ετήσια έλλειψη ικανότητας είναι στο 0,2% και η εφεδρεία ενέργειας στο 10%. Ο ελάχιστος βαθμός διείσδυσης των ΑΠΕ έχει οριστεί στο 25%. 57

59 5.8 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ [9] [11] Προϋπάρχον σύστημα Φορτίο Ντίζελ Τα τελευταία χρόνια δίνεται μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη ηλεκτρικών συστημάτων φιλικών προς το περιβάλλον. Στην κατεύθυνση αυτή πραγματοποιείται προοδευτική αντικατάσταση συστημάτων συμβατικών πηγών ενέργειας(όπως το πετρέλαιο) με νέα ανανεώσιμων. Ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που αποτελείται μόνο από ντιζελογεννήτριες είναι οικονομικά ασύμφορο αφού η λειτουργία του εξαρτάται άμεσα από την τιμή του καυσίμου. Το γεγονός ότι η τιμή του καυσίμου αυξάνεται σε βάθος χρόνου συνεχώς έχει ως συνέπεια να αυξάνεται και το κόστος παραγωγής της κιλοβατώρας. Παρά το μικρό κόστος αγοράς μιας ντιζελογεννήτριας, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από αυτή είναι ακριβή εξαιτίας του μεγάλου κόστους και συντήρησης. Ακόμη η λειτουργία της επιβαρύνει το περιβάλλον λόγω των αερίων που παράγονται από την καύση του πετρελαίου Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Η λειτουργία του συστήματος είναι η εξής : Η γεννήτρια δουλεύει ασταμάτητα καθόλη τη διάρκεια της ημέρας και παρέχει ισχύ στο φορτίο ανάλογα με την ζήτηση. Όλη η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται αρχικά μεταφέρεται σε κοντινούς μετασχηματιστές που μετατρέπουν την χαμηλή τάση ηλεκτρικής ενέργειας σε υψηλή. Με αυτόν τον τρόπο, η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται με τις γραμμές μεταφοράς σε πολύ μεγάλες αντιστάσεις με λιγότερες απώλειες, καθώς οι σταθμοί παραγωγής είναι συνήθως μακριά. Το δίκτυο μεταφοράς μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στους υποσταθμούς μέσης και χαμηλής τάσης, στους οποίους μετατρέπεται η τάση της ηλεκτρικής ενέργειας από υψηλή σε μέση και χαμηλή τάση, προκειμένου με τη βοήθεια εναέριων γραμμών να διανεμηθούν σε βιομηχανίες που χρησιμοποιούν μέση τάση και σε σπίτια που χρησιμοποιούν χαμηλή τάση. 58

60 Εικόνα 5.1:Τοπολογία προϋπάρχον συστήματος Προσομοίωση προϋπάρχον συστήματος Παρακάτω παρατίθεται το σύστημα όπως εισήχθηκε στο λογισμικό προσομοίωσης Homerκαθώς και τα αποτελέσματα «ευαισθησίας» για το σύστημα που προϋπάρχει στο χώρο που μελετάμε. Ως καύσιμο για την γεννήτρια χρησιμοποιήθηκε το μαζούτ στην τιμή 0,30 /L. Σχήμα 5.6:Προϋπάρχον σύστημα Φορτίο Ντίζελ Από την εξομοίωση βλέπουμε ότι η βέλτιστη οικονομικά λύση δηλαδή αυτή με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος προκύπτει για γεννήτρια 22kWκαι το συνολικό κόστος του συστήματος ανέρχεται στα 163,348. Το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 65,718kWh /yrκαι προέρχεται όλη από την γεννήτρια. 59

61 Σχήμα 5.7: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος και λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος ανά μήνα Ιούλιο Στο πιο πάνω σχήμα βλέπουμε την μέση μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που καλύπτεται όλη από τη γεννήτρια ενώ παρατηρούμε και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για μια μέρα του Ιουλίου. Στο γράφημα αυτό παρουσιάζεται το AC φορτίο που πρέπει να καλυφτεί και η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια Οικονομική προσέγγιση Στους παρακάτω πίνακες παρουσιάζεται το συνολικό κόστος του συστήματος για τα 20 χρόνια ζωής του και το ετήσιο κόστος του συστήματος. Παρουσιάζεται το κόστος για το κάθε μέρος του συστήματος χωρισμένο στα βασικά οικονομικά χαρακτηριστικά του προγράμματος εξομοίωσης HOMER(capital,replacement,operating,fuel,salvage). Παρατηρούμε ότι ενώ το κόστος εγκατάστασης της γεννήτριας είναι μικρό, το κόστος των καυσίμων είναι πολύ μεγάλο επιβεβαιώνοντας το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας παραγωγής ενέργειας. 60

62 Σχήμα 5.8:Συνολικό κόστος του συστήματος για τα 20 χρόνια και το ετήσιο κόστος του συστήματος Το τελικό κόστος ανά κιλοβατώρα συνολικά για τα 20 χρόνια του συστήματος ανέρχεται στα 0,285 /kwhτο οποίο είναι το κόστος που χρεώνει η Α.Η.Κ. Οι παραγόμενοι ρύποι του συστήματος παρουσιάζονται στο πιο κάτω πίνακα. Πίνακας 5.1: Παραγόμενοι ρύποι του συστήματος 61

63 5.8.2 Σύστημα Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες Τα προβλήματα του προϋπάρχον συστήματος μειώνονται σημαντικά με την συνεργασία Φωτοβολταϊκών στοιχείων με Ντιζελογεννήτρια και Μπαταρίες έτσι ώστε να ομαλοποιείται η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και να μειώνεται το κόστος. Με το σύστημα αυτό ελαττώνεται η παραγωγή ενέργειας από την γεννήτρια με αποτέλεσμα να μειώνονται οι ρύποι προς το περιβάλλον και το κόστος της κιλοβατώρας. Το δίκτυο προσομοίωσης αποτελείται από φωτοβολταϊκα, ντιζελογεννήτρια, μπαταρίες και αντιστροφέα. Η βέλτιστη επιλογή της ισχύος των φωτοβολοταϊκών λαμβάνει πρώτιστος την αξιολόγηση του ποσού της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Ο τύπος και η ισχύς της ντιζελογεννήτριας και του αντιστροφέα καθορίζεται ανάλογα με το φορτίο καθώς και ο αριθμός των μπαταριών Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Τα φωτοβολταϊκα παρέχουν την απαιτούμενη ισχύ στο φορτίο μέσω του μετατροπέα ισχύος. Η πρόσθετη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά φορτίζει τις μπαταρίες μέσω του ρυθμιστή φόρτισης μέχρι οι μπαταρίες να φτάσουν στο μέγιστο επιτρεπτό επίπεδο φόρτισης τους. Ο κύριος σκοπός της χρήσης μπαταριών σαν αποθηκευτικό μέσο ενέργειας είναι για να παρέχει ή να αποθηκεύει ενέργεια ανάλογα με την ζήτηση. Η ντιζελογεννήτρια μπαίνει σε λειτουργία όταν τα φωτοβολταϊκά και οι μπαταρίες δεν μπορούν να καλύψουν την ζήτηση του φορτίου. Σχήμα 5.9:Υβριδικό σύστημα Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταριές 62

64 Προσομοίωση Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες Στο πιο κάτω σχήμα φαίνεται το δομικό διάγραμμα καθώς και τα αποτελέσματα ευαισθησίας του συστήματος ανάλογα με την κλίση της ΦΒ σε μοίρες. Ως καύσιμο για την γεννήτρια χρησιμοποιήθηκε το πετρέλαιο στην τιμή 0,65 /L. Σχήμα 5.10: Δομικό διάγραμμα και αποτελέσματα ευαισθησίας Η βέλτιστη οικονομικά λύση δηλαδή αυτή με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος προκύπτει για κλίση των ΦΒ στις 25 μοίρες. Στην περίπτωση αυτή χρειαζόμαστε ΦΒ ισχύος 41kW, γεννήτρια 6,4kW, 79 μπαταρίες και αντιστροφέα ισχύος 13,6Kw. Το σύστημα προσομοιώθηκε για να αξιολογηθούν τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά δηλαδή η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, το ετήσιο ηλεκτρικό προσφερόμενο φορτίο, η ανεκμετάλλευτη ηλεκτρική ενέργεια, το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας, το ακάλυπτο φορτίο καθώς και οι περιβαλλοντικές παράμετροι επίδρασης του συστήματος. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της πιο πάνω εξομοίωσης το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 75,079kWh/yr με 65,733kWh/yr και ποσοστό 85% να προέρχεται από τα ΦΒ. Το 12% της ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από την γεννήτρια γεγονός που μας δίνει ένα καλό κλάσμα ενέργειας προερχόμενης από ανανεώσιμες πηγές (Renewable fraction) 0,875. Επίσης έχουμε σημαντικό πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας σε ποσοστό 16,9% της μέσης ετήσιας συνολικής παραγόμενης ενέργειας, το οποίο είναι από την παραγόμενη ενέργεια των Φωτοβολταϊκών και παραμένει ανεκμετάλλευτο. Στους πιο κάτω πίνακες παρουσιάζονται τα ηλεκτρικά στοιχεία του συστήματος. 63

65 Στο πιο κάτω σχήμα 5.11 βλέπουμε τη μέση μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος και το ποσοστό που προέρχεται από τα φωτοβολταϊκά και την γεννήτρια αντίστοιχα. Στο ίδιο σχήμα 5.11 βλέπουμε επίσης τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για μια τυπική ημέρα του Ιουλίου. Παρουσιάζεται το ACφορτίο που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τα φωτοβολταϊκά, η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια, το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών καθώς και η πλεονάζουσα ενέργεια. Σχήμα 5.11: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος(πάνω)και λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος το μήνα Ιούλιο(κάτω). 64

66 Οικονομική προσέγγιση Τα αποτελέσματα της οικονομικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκαν με το πρόγραμμα εξομοίωσης HOMER παρουσιάζονται πιο κάτω. Το μεγαλύτερο κόστος του συστήματος είναι για την προμήθεια και εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών. Παρατηρούμε ότι ενώ το κόστος εγκατάστασης της γεννήτριας είναι μικρό το κόστος των καυσίμων είναι πολύ μεγάλο. Το συνολικό κόστος επιβαρύνεται σημαντικά και από τις μπαταρίες οι οποίες δεν μπορούν να αποθηκεύσουν τα μεγάλα ποσά παραγόμενης ενέργειας με αποτέλεσμα να παραμένει ένα ποσοστό ανεκμετάλλευτο. 65

67 Σχήμα 5.12: Κατανομή κόστους του συστήματος Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταριές Το συνολικό κόστος του συστήματος ανέρχεται στις 109,822 και το τελικό κόστος παραγωγής ανά κιλοβατώρα ανέρχεται στα 0,192 /kwh. To λειτουργικό κόστος του συστήματος είναι 3,684 /yr. Οι παραγόμενοι ρύποι του συστήματος φαίνονται στο πιο κάτω πίνακα. Πίνακας 5.2: Παραγόμενοι ρύποι του συστήματος 66

68 5.8.3 Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Στο παρόν σύστημα δοκιμάζονται διαφορετικές Α/Γ, διαφορετικές ντιζελογεννήτριες και διαφορετικός αριθμός μπαταριών και στην συνέχεια επιλέγεται ο βέλτιστος συνδυασμός τους. Όταν υπάρχουν πολλές Α/Γ και ντιζελογεννήτριες μπορεί να γίνει πιο εύκολα η αντικατάσταση μερικών και η τοποθέτηση νέων χωρίς να διακοπεί η τροφοδοσία των φορτίων Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Σε φυσιολογικές συνθήκες η ανεμογεννήτριες καλύπτουν πλήρως το φορτίο. Η πλεονάζουσα ενέργεια, αν υπάρχει φορτίζει τις μπαταρίες μέχρι να φορτιστούν πλήρως. Ο σκοπός της εισαγωγής των μπαταριών είναι να δίνουν ή να αποθηκεύουν ενέργεια ανάλογα με την κατάσταση. Σε περίπτωση που οι μπαταρίες φορτιστούν πλήρως και η Α/Γ συνεχίζει να λειτουργεί, η ενέργεια που παράγεται, χάνεται. Η ντηζελογεννήτρια εκκινεί σε περίπτωση που οι μπαταρίες είναι άδειες και το αιολικό δυναμικό εκείνη τη στιγμή αδυνατεί να καλύψει το φορτίο. Σχήμα 5.13: Υβριδικό σύστημα Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες 67

69 Προσομοίωση Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Το διάγραμμα που χρησιμοποιήσαμε φαίνεται στo πιο κάτω σχήμα. Ως καύσιμο για την γεννήτρια χρησιμοποιήσαμε το πετρέλαιο στην τιμή 0,65 /L. Σχήμα 5.14: Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Για τον βέλτιστο συνδυασμό χρειαστήκαμε ανεμογεννήτρια ισχύος 5kW,γεννήτρια πετρελαίου ισχύος 8,9kW, 35 μπαταρίες και αντιστροφέα ισχύος 9,2kW. Ως προς τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 63,567kWh/yrμε 28,868kWh/yr και ποσοστό 47% να προέρχεται από τις ανεμογεννήτριες και το υπόλοιπο 53% να προέρχεται από την γεννήτρια όπου επιβεβαιώθηκαν οι αρχικές μας υποψίες ότι αυτός ο συνδυασμός είναι ασύμφορος για την περιοχή που μελετάμε λόγω του αιολικού δυναμικού. Το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας (renewable fraction) είναι 0,470 μιας και τον περισσότερο χρόνο η παραγόμενη ενέργεια είναι από την γεννήτρια. Το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας (excess electricity) είναι 7,59% της μέσης ετήσιας συνολικής παραγόμενης ενέργειας. 68

70 Στo πιο κάτω σχήμα βλέπουμε τη μέση μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το ποσοστό αυτής που καλύπτεται από τις ανεμογεννήτριες και την ντηζελογεννήτρια. Παρατηρούμε επίσης ότι η ντηζελογεννήτρια χρησιμοποιείται σε μεγάλο ποσοστό ακόμη και το χειμώνα όπου το αιολικό δυναμικό της περιοχής είναι μεγαλύτερο. Σχήμα 5.15 : Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας(πάνω) και λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος τον μήνα Ιούλιο(κάτω) 69

71 Στο ίδιο σχήμα παρουσιάζεται επίσης το AC φορτίο που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από την γεννήτρια, το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών καθώς και η πλεονάζουσα ενέργεια Οικονομική προσέγγιση Τα αποτελέσματα της οικονομικής ανάλυσης που πραγματοποιήθηκαν με το πρόγραμμα εξομοίωσης HOMER παρουσιάζονται πιο κάτω. Βλέπουμε το συνολικό κόστος του συστήματος για τα 20 χρόνια ζωής του και το ετήσιο κόστος του συστήματος. 70

72 Σχήμα5.16: Συνολικό κόστος του συστήματος για 20 χρόνια(πάνω) και ετήσιο κόστος του συστήματος(κάτω) Παρατηρούμε ότι το κόστος καυσίμου επιβαρύνει σε πολύ μεγάλο βαθμό το σύστημα αφού η γεννήτρια δουλεύει πολλές ώρες για να καλύψει το φορτίο. Το συνολικό κόστος του συστήματος ανέρχεται στις 150,617 και το τελικό κόστος παραγωγής ανά κιλοβατώρα ανέρχεται στα 0,263 /kwh. To λειτουργικό κόστος του συστήματος είναι 9,829 /yr. Οι παραγόμενοι ρύποι του συστήματος παρουσιάζονται στον πιο κάτω πίνακα. Όπως παρατηρούμε είναι αρκετά υψηλοί κάτι το οποίο είναι αντίθετο με τις μελλοντικές βλέψεις των συστημάτων παραγωγής ενέργειας, και θα πρέπει να μειωθούν σε σημαντικό βαθμό. Πίνακας 5.3:Παραγόμενοι ρύποι του συστήματος 71

73 5.8.4 Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Η μελέτη για ένα πιο αξιόπιστο και οικονομικότερο ενεργειακό σύστημα οδήγησε στην δημιουργία ενός υβριδικού συστήματος παραγωγής ενέργειας. Το υβριδικό σύστημα παράγει ηλεκτρική ενέργεια μόνο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αφού αποτελείται από ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά πάνελ με την υποστήριξη μπαταριών. Η αποδοτικότητα αυτού του συστήματος εξαρτάται από το αιολικό και το ηλιακό δυναμικό της περιοχής. Η δυναμική της μιας πηγής μπορεί να υπερκαλύψει την αδυναμία της άλλης σε μια ορισμένη χρονική περίοδο. Με το σύστημα αυτό εξαλείφονται τελείως οι ρύποι πράγμα που επιδιώκει η Ευρωπαϊκή Ένωση Περιγραφή του υπό μελέτη συστήματος Το αυτόνομο υβριδικό σύστημα κατά τη διάρκεια ζωής του λειτουργεί με τους ακόλουθους τρόπους : Αν η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι μικρότερη από την ενέργεια που παράγεται από την Α/Γ και τα Φ/Β τότε το πλεόνασμα ενέργειας αποθηκεύεται στις μπαταρίες μέσω του μετατροπέα ισχύος και του ρυθμιστή φόρτισης. Αν όμως η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που παράγει η Α/Γ τότε καλύπτεται από τα Φ/Β μέσω του μετατροπέα ισχύος. Αν στην περίπτωση που το φορτίο δεν καλύπτεται ούτε από την Α/Γ ούτε από τα Φ/Β τότε μέσω του μετατροπέα ισχύος παίρνουμε ενέργεια από τις μπαταρίες. Και στις δυο περιπτώσεις όταν η χωρητικότητα των μπαταριών φθάσει στο ανώτερο ή στο κατώτερο επίπεδο φόρτισης το σύστημα ελέγχου σταματάει την φόρτιση ή την αποφόρτιση των μπαταριών αντίστοιχα. Σχήμα 5.17 : Υβριδικό σύστημα Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες 72

74 Προσομοίωση Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Σχήμα 5.18 : Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Στο πιο πάνω σχήμα βλέπουμε το δομικό διάγραμμα του συνδυασμού που χρησιμοποιήσαμε. Ανάλογα με την κλίση της φωτοβολταϊκής συστοιχίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ευαισθησίας ενώ η οικονομική λύση όπως φαίνεται είναι όταν έχουμε κλίση 25 μοίρες. Για τη βέλτιστη λύση χρειαστήκαμε Φωτοβολταϊκά ισχύος 46kW, ανεμογεννήτρια ισχύος 4kW,130 μπαταρίες και αντιστροφέα ισχύος 16,9kW. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης το σύστημα έχει ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 97,700kWhμε 73,806 kwh και ποσοστό 76% να προέρχεται από τα φωτοβολταϊκά. Το υπόλοιπο 24% της ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από την ανεμογεννήτρια και το κλάσμα ανανεώσιμης ενέργειας είναι 1 μιας και χρησιμοποιούμε μόνο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο σύστημα. Το πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας το οποίο δημιουργείται όλους τους μήνες του χρόνου είναι 36,7%. 73

75 Στο σχήμα 5.19 βλέπουμε τη μέση μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και σε τη ποσοστό καλύπτεται αυτή από τα φωτοβολταϊκά και την ανεμογεννήτρια. Παρατηρούμε ότι κυρίως τους καλοκαιρινούς μήνες κατά ένα μεγάλο ποσοστό το φορτίο καλύπτεται από τα φωτοβολταϊκά. Σχήμα 5.19: Μηνιαία παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας του συστήματος(πάνω) και λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος τον μήνα Ιούλιο(κάτω). Στο ίδιο σχήμα μπορούμε να παρατηρήσουμε τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος για μια τυπική ημέρα του Ιουλίου. Παρουσιάζεται τοacφορτίο που πρέπει να καλυφτεί, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες, η παραγόμενη 74

76 ισχύς από τα φωτοβολταϊκά, το επίπεδο φόρτισης των μπαταριών καθώς και η πλεονάζουσα ενέργεια. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που βλέπουμε στο σχήμα το φορτίο εξυπηρετείτε αποκλειστικά από τα φωτοβολταϊκά και τις μπαταρίες και σε πολύ μικρό μέρος από την ανεμογεννήτρια(κυρίως το βράδυ) Οικονομική προσέγγιση Στο σχήμα 5.20παρουσιάζονται τα οικονομικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Βλέπουμε το συνολικό κόστος του συστήματος για τα 20 χρόνια ζωής του καθώς και το ετήσιο κόστος. 75

77 Σχήμα 5.20 : Συνολικό κόστος συστήματος για τα 20 χρόνια(πάνω) και ετήσιο κόστος συστήματος(κάτω) Το συνολικό κόστος του συστήματος ανέρχεται στα 127,815 και το κόστος ανά κιλοβατώρα 0,223 /kwh. Tο σύστημα δεν παράγει ρύπους αφού δεν χρησιμοποιεί γεννήτρια. 76

78 Κεφάλαιο 6 [ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ] 77

79 6.1 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι περιπτώσεις που μελετήθηκαν σε αυτήν την εργασία είναι οι πιο κάτω: Α. Προϋπάρχον σύστημα Φορτίο Ντίζελ Β. Σύστημα Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες Γ. Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες Δ. Συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Υβριδικά συστήματα Συνολικό καθαρό παρόν κόστος ( ) Κόστος κιλοβατώρας ( /kwh) Πλεόνασμα παραγόμενης ενέργειας(kwh/yr) Παραγωγή ενέργειας(kwh/yr) Συνολικό κόστος καυσίμου( ) Eκπομπή διοξειδίου του άνθρακα(kg/yr) Eκπομπή μονοξειδίου του άνθρακα(kg/yr) Προϋπάρχον Φορτίο- Ντίζελ Φωτοβολταϊκά- Ντίζελ- Μπαταρίες Ανεμογεννήτρια- Ντίζελ- Μπαταρίες Ανεμογεννήτρια- Φωτοβολταϊκα- Μπαταρίες 163, , , ,815 0,285 0,192 0,263 0,223 12,790 12,708 4,827 35,842 52,925 52,829 52,832 52, ,442 22,734 79, ,859 8,506 29, ,3 0 Mε βάση τον πιο πάνω πίνακα όπου παριστάνονται τα αποτελέσματα προσομοίωσης μπορούμε να βρούμε ποια είναι η πιο συμφέρουσα επιλογή για την εγκατάσταση αυτόνομου υβριδικού συστήματος στην Χούλου. Συγκρίνοντας τους τέσσερις βέλτιστους συνδυασμούς, βλέπουμε ότι το βέλτιστο οικονομικά σύστημα είναι ο συνδυασμός Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες και η δεύτερη πιο συμφέρουσα επιλογή είναι ο συνδυασμός Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες. Το σύστημα Φωτοβολταϊκά Ντίζελ Μπαταρίες έχει το χαμηλότερο συνολικό καθαρό παρόν κόστος που είναι σίγουρα η κυριότερη παράμετρος, καθώς και το χαμηλότερο κόστος κιλοβατώρας. Παρατηρούμε ότι το σύστημα αυτό έχει την μικρότερη συνεισφορά ενέργειας από την ντηζελογεννήτρια σε σχέση με τα άλλα δυο συστήματα που χρησιμοποιούν γεννήτρια. 78

80 Τα δίκτυα Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες και Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες έχουν αυξημένο συνολικό κόστος και κόστος κιλοβατώρας γιατί η περιοχή που μελετάμε δεν έχει ικανοποιητική ταχύτητα ανέμου(μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου 4,24m/s).Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σύστημα Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Μπαταρίες για να καλύψει τις ανάγκες της περιοχής να αυξάνει σε πολύ μεγάλο βαθμό τη χρήση της ντηζελογεννήτριας. Οι ρύποι του συστήματος σε αυτό το δίκτυο είναι αυξημένοι. Το σύστημα Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες χρησιμοποιεί σε μεγάλο βαθμό τα φωτοβολταϊκά και σε πιο μικρό την ανεμογεννήτρια. Κατά ένα μεγάλο ποσοστό το δίκτυο καλύπτεται από τις μπαταρίες γι αυτό έχουμε αυξημένο κόστος στην εγκατάσταση και προμήθεια μπαταριών. Το προϋπάρχον σύστημα Φορτίο Ντίζελ για να καλύψει τις ανάγκες της περιοχής χρησιμοποιεί μόνο γεννήτρια γεγονός που το κάνει το πιο ασύμφορο σύστημα. Με βάση τις εκπομπές ρύπων στο περιβάλλον εύκολα συμπεραίνουμε ότι τα συστήματα που χρησιμοποιούν περισσότερο την γεννήτρια παράγουν τους περισσότερους ρύπους. Από τα πιο πάνω συστήματα το σύστημα που παράγει τους περισσότερους ρύπους είναι το σύστημα της Α.Η.Κ. Όπως παρατηρούμε είναι αρκετά υψηλοί και σε συνδυασμό με την διαρκώς μειούμενη ποσότητα ορυκτών καυσίμων και καυσίμων που βασίζονται στο πετρέλαιο είναι επιτακτική η ανάγκη αντικατάστασης των παλαιού τύπου συστημάτων με νέα πιο φιλικά προς το περιβάλλον. Pre Existing Diesel System Wind Turbine - Diesel - Battery System Wind Turbine - PV - Battery System PV - Diesel - Battery System Total net present cost ( ) 109, , , ,348 Σχήμα 6.1 : Συνολικό κόστος για τα υπό μελέτη συστήματα 79

81 Pre - Existing - Diesel System Wind Turbine - Diesel - Battery Wind Turbine - PV - Battery System PV - Diesel - Battery System Cost per kw/hr ( /kw/hr) 0,192 0,223 0,263 0,285 Σχήμα 6.2 : Κόστος κιλοβατώρας για τα υπό μελέτη συστήματα 6.2 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΒΛΕΨΕΙΣ Όπως παρατηρήσαμε από τοις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν τόσο το συνολικό παρόν κόστος όσο και το κόστος ενέργειας ανά κιλοβατώρα είναι πολύ ικανοποιητικές σε σχέση με το προϋπάρχον δίκτυο. Με τα μελλοντικά προβλεπόμενα κόστη στα φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες και μπαταρίες θα μειωθούν ακόμη περισσότερο γεγονός που θα φέρει επιπλέον κίνητρα στην αντικατάσταση συστημάτων συμβατικών πηγών ενέργειας με νέα ανανεώσιμων. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας θα καταφέρουν να γίνουν η δεύτερη μεγαλύτερη πηγή ηλεκτροπαραγωγής πριν το 2015 ενώ το 2035 θα έχουν καταφέρει να προσεγγίσουν το μερίδιο του άνθρακα. Αυτά προβλέπει η ΙΕΑ στο World Energy Outlook 2013, εκτιμώντας παράλληλα ότι η ταχεία ανάπτυξη των ΑΠΕ συνδέεται κυρίως με τη σημαντική μείωση που θα σημειωθεί στο κόστος των επιμέρους τεχνολογιών. Λόγω του ότι οι ΑΠΕ περιλαμβάνουν τόσο παραδοσιακές όσο και μοντέρνες τεχνολογίες, η ανάπτυξη του κλάδου θα είναι το αποτέλεσμα δύο αντίθετων τάσεων: από τη μια αυξάνεται η ζήτηση για σύγχρονες ΑΠΕ όπως τα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά και από την άλλη παραδοσιακές ΑΠΕ όπως η βιομάζα χάνουν έδαφος το διάστημα μέχρι το

82 Πίνακας 6.1 :Φαίνεται η χρήση των ΑΠΕ ανά τεχνολογία και περιοχή 81