Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ3 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΗ ΒΛΟΝΤΖΟΥ Αριθμός Μητρώου: Θέμα «Οικονομοτεχνική μελέτη αυτόνομου ηλεκτρικού συστήματος στην νήσο Αμοργό» Επιβλέπουσα ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Δεκέμβριος 2017

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Δημήτρης Βλόντζος 2017 Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Δημήτρη Βλόντζο, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Υλικό που περιέχεται στην εργασία, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνεται πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., ο συγγραφέας έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για τη συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού. 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Οικονομοτεχνική μελέτη αυτόνομου ηλεκτρικού συστήματος στην νήσο Αμοργό» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΔΗΜΗΤΡΗ ΒΛΟΝΤΖΟΥ Αριθμός Μητρώου: Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Πυργιώτη Ελευθερία Ο Διευθυντής του Τομέα Πυργιώτη Ελευθερία 3

4 4

5 Ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά την καθηγήτριά μου κ. Πυργιώτη για την πολύτιμη βοήθεια και τις συμβουλές που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω και τον κ. Τατάκη για την καθοδήγηση που μου προσέφερε στην εκκίνηση της διπλωματικής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω και το προσωπικό του τμήματος Διεύθυνσης Διαχείρισης Νήσων του ΔΕΔΔΗΕ. 5

6 6

7 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Οικονομοτεχνική μελέτη αυτόνομου ηλεκτρικού συστήματος στην νήσο Αμοργό» Φοιτητής: Δημήτρης Βλόντζος Επιβλέπουσα: Ελευθερία Πυργιώτη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Εδώ και πολλά χρόνια η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επιτυγχάνεται από γεννήτριες οι οποίες χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο κ.α.) για να λειτουργήσουν. Η εξάντληση, όμως, των αποθεμάτων των καυσίμων αυτών σε συνδυασμό με τη ρύπανση που προκαλούν στο περιβάλλον οδήγησαν τα κράτη να στραφούν σε λύσεις πιο φιλικές προς το περιβάλλον και να θέσουν συγκεκριμένους στόχους. Γι αυτό τα τελευταία χρόνια έχουν γνωρίσει σημαντική ανάπτυξη τεχνολογίες εκμετάλλευσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Στο πλαίσιο του οικολογικού αυτού προσανατολισμού, στην Ελλάδα καταβάλλεται αξιοσημείωτη προσπάθεια περιορισμού της χρήσης των συμβατικών καυσίμων μέσω της αύξησης της εγκατεστημένης ισχύος των ΑΠΕ. Ειδικότερα, στα μη διασυνδεδεμένα νησιά της χώρας όπου οι ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια καλύπτονται από γεννήτριες ντίζελ και το κόστος αγοράς και μεταφοράς του καυσίμου είναι αρκετά υψηλό, κρίνεται αναγκαίος ο σχεδιασμός συστημάτων που περιλαμβάνουν ΑΠΕ καθώς και μέσα αποθήκευσης ενέργειας. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, λοιπόν, εξετάζεται η λειτουργία εναλλακτικών αυτόνομων συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για την κάλυψη των ηλεκτρικών αναγκών της Αμοργού. Η Αμοργός ανήκει στο νησιωτικό σύμπλεγμα των Κυκλάδων και δεν είναι διασυνδεδεμένη με το εθνικό δίκτυο. Τα στοιχεία της ηλεκτρικής ζήτησης του νησιού αντλήθηκαν από το ΔΕΔΔΗΕ (Διεύθυνση Διαχείρισης Νήσων) και αφορούν το έτος

8 Τα συστήματα που μελετήθηκαν είναι τα εξής: Υφιστάμενο σύστημα στο νησί Ντίζελ επέκταση της ισχύς των φωτοβολταϊκών Ντίζελ Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες Ντίζελ Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτρια Ντίζελ Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτρια Μπαταρίες Οι προσομοιώσεις των συστημάτων πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού Homer για το οποίο γίνεται αναλυτική περιγραφή. Βασική λειτουργία του προγράμματος είναι η προσομοίωση συστημάτων και η κατάταξή τους με βάση το μικρότερο συνολικό καθαρό κόστος (Net Present Cost, NPC). Αφού παρουσιαστούν και σχολιαστούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του κάθε συστήματος εξάγονται ορισμένα συμπεράσματα για το πιο κατάλληλο σύστημα. Ο βέλτιστος σχεδιασμός προκύπτει με βάση το χαμηλότερο συνολικό κόστος, το κόστος ενέργειας αλλά και από την ελάχιστη εκπομπή ρύπων. 8

9 ABSTRACT For many years electricity generation has been achieved by generators using conventional fuels (coal, oil, etc.) to operate. However, the depletion of these fuel stocks, combined with environmental pollution, has led states to search for more environmentally friendly solutions and set specific targets. For this reason, in recent years, technologies for the exploitation of renewable energy sources (RES) have been developed. Within this ecological orientation, a remarkable effort is being made by Greece to reduce the use of conventional fuels by increasing the installed capacity of RES. In particular, in the non-interconnected islands of the country where the electricity needs are covered by diesel generators and the cost of buying and transporting the fuel is quite high, it is necessary to design systems including RES and energy storage. This diploma thesis therefore examines the operation of alternative autonomous power generation systems to meet Amorgos electrical needs. Amorgos belongs to the Cycladic islands and is not interconnected with the national network. The island's electricity demand figures were drawn from the ISDN (Directorate of Islands Management) and concern the year The systems studied are as follows: Existing system on the island Diesel - extension of photovoltaic power Diesel - Photovoltaic - Batteries Diesel - Photovoltaic - Wind turbine Diesel - Photovoltaic - Wind turbine - Batteries The simulations of the systems were carried out with the help of the Homer software for which a detailed description is made. The basic function of the program is to simulate systems and rank them on the basis of Net Present Cost (NPC). After the simulation results of each system are presented and commented on, some conclusions are drawn for the most appropriate system. Optimal design is based on lower total cost, energy costs and minimal emissions. 9

10 10

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΔΕΣΜΕΥΣΕΙΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΛΕΠΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΓΕΝΙΚΑ ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΠΥΡΓΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ ΔΡΟΜΕΑΣ ΧΩΡΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ Ή ΝΑΣΕΛΛΑ ΕΠΙΛΟΓΗ ΘΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΣΥΝΟΨΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΓΕΝΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΟΞΕΩΣ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ (LI-ION) ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ (NiCd)

12 4.4 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Homer ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ ΦΥΣΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΟΡΤΙΑ Κυρίως φορτίο Φορτίο αναβολής Θερμικό φορτίο ΠΗΓΕΣ Ηλιακή ενέργεια Αιολική ενέργεια ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ Φωτοβολταϊκή συστοιχία Ανεμογεννήτρια Γεννήτρια Μπαταρίες ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΜΟΡΓΟΣ ΦΟΡΤΙΟ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΙΟΛΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Περιγραφή Προσομοίωση Οικονομικά στοιχεία

13 ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL- ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Περιγραφή Προσομοίωση Οικονομικά στοιχεία ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Περιγραφή Προσομοίωση Οικονομικά στοιχεία ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Περιγραφή Προσομοίωση Οικονομικά στοιχεία ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ-ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Περιγραφή Προσομοίωση Οικονομικά στοιχεία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

14 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΠΕ) [1],[2],[5],[3] 1.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η κάλυψη της παγκόσμιας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στη χρήση συμβατικών καυσίμων όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο και ο λιγνίτης. Η εξάντληση, όμως, των αποθεμάτων αυτών σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ζήτηση ενέργειας και την επιβάρυνση του περιβάλλοντος οδήγησε τα σύγχρονα κράτη να στραφούν σε αναζήτηση πιο οικονομικών και οικολογικών λύσεων. Η πιο αποτελεσματική λύση αποδείχτηκε η εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από ΑΠΕ ορίζεται, σύμφωνα με τον νόμο 2773/1999, ως η ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από: Την εκμετάλλευση της αιολικής ή ηλιακής ενέργειας ή βιομάζας ή βιοαερίου Την εκμετάλλευση Γεωθερμικής Ενέργειας Την εκμετάλλευση της Ενέργειας από την Θάλασσα Την εκμετάλλευση Υδάτινου Δυναμικού με Μικρούς Υδροηλεκτρικούς Σταθμούς μέχρι 10 MW Συνδυασμό των ανωτέρω Τη Συμπαραγωγή, με χρήση των Πηγών Ενέργειας, των (1) και (2) και συνδυασμό τους ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ [8] Είναι φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας μηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Δεν πρόκειται να εξαντληθούν ποτέ, σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χωρών, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Είναι ευέλικτες εφαρμογές, που μπορούν να παράγουν ενέργεια ανάλογη με τις ανάγκες του επί τόπου πληθυσμού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες μονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για την ύπαιθρο) αλλά και για μεταφορά της ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Ο εξοπλισμός είναι απλός στην κατασκευή και τη συντήρηση και έχει πολύ μεγάλο χρόνο ζωής. 15

16 Επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Έχουν αρκετά μικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαμηλότερο. Συνεπώς απαιτείται αρκετά μεγάλο αρχικό κόστος εφαρμογής σε μεγάλη επιφάνεια της γης. Για τον παραπάνω λόγο προς το παρόν δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη των αναγκών μεγάλων αστικών κέντρων. Η παροχή και απόδοση της αιολικής, υδροηλεκτρικής και ηλιακής ενέργειας εξαρτάται από την εποχή του έτους, αλλά και από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές μηχανές υπάρχει η αντίληψη ότι δεν είναι κομψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. 1.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στην Ελλάδα βασίζεται στη χρήση συμβατικών καυσίμων και κυρίως στον λιγνίτη. Στην ηπειρωτική χώρα λειτουργούν μονάδες παραγωγής οι οποίες είναι λιγνιτικές, πετρελαϊκές, φυσικού αερίου και υδροηλεκτρικές ενώ στα μη διασυνδεδεμένα νησιά λειτουργούν πετρελαϊκοί σταθμοί κατά συντριπτική πλειοψηφία. Οι περισσότεροι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί είναι εγκατεστημένοι στο βορειοδυτικό τμήμα της χώρας. Η επιλογή τοποθέτησης των σταθμών αυτών τόσο μακριά από τα μεγάλα κέντρα κατανάλωσης βασίζεται στην ύπαρξη πλούσιων κοιτασμάτων λιγνίτη σε αυτές τις περιοχές. Οι περιοχές με μεγάλα αποθέματα λιγνίτη βρίσκονται στη Δράμα, στη Δυτική Μακεδονία, στην Ελασσόνα και στη Μεγαλόπολη. Τα αποθέματα αυτά, όμως, εκτιμάται ότι έχουν χρονική διάρκεια ζωής για ακόμα 35 χρόνια. Στην εικόνα 1.1 παρουσιάζεται η εγκατεστημένη ισχύς όλων των μονάδων σύμφωνα με τα στοιχεία του ΑΔΜΗΕ. Οι υψηλές ταχύτητες ανέμου που παρατηρούνται σε πολλά σημεία της χώρας και η έντονη ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια του χρόνου δημιουργούν πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη έργων ΑΠΕ. Ειδικά η εγκατάσταση αιολικών πάρκων παρουσιάζει σημαντική εξέλιξη τα τελευταία χρόνια όπως φαίνεται και από την εικόνα. [1],[6] 16

17 Εικόνα 1.1: Εγκατεστημένη ισχύς [17] Εικόνα 1.2: εγκατεστημένη ισχύς ΑΠΕ [2] 1.3 ΔΕΣΜΕΥΣΕΙΣ Η Ελλάδα και όλα τα κράτη μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης στοχεύουν στην εκπλήρωση περιβαλλοντικών δεσμεύσεων που εγκρίθηκαν από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο τον Μάρτιο του 2007 με σκοπό την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής. Στο πλαίσιο αυτό τα κράτη μέλη οφείλουν να ικανοποιήσουν τις εξής απαιτήσεις, γνωστές και ως Στόχοι , μέχρι το 2020: 17

18 1. Μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 20% κάτω από τα επίπεδα του 1990 σύμφωνα με την Οδηγία 2009/29/ΕΚ 2. 20% της κατανάλωσης ενέργειας της ΕΕ να προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές σύμφωνα με την Οδηγία 2009/28/ΕΚ 3. Μείωση κατά 20% στη χρήση πρωτογενούς ενέργειας σε σύγκριση με τα προβλεπόμενα επίπεδα μέσω τη βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης Ειδικότερα για την Ελλάδα, ο στόχος συμμετοχής των ΑΠΕ στην τελική κατανάλωση εξειδικεύεται σε 40% συμμετοχή των ΑΠΕ στην ηλεκτροπαραγωγή, 20% σε ανάγκες θέρμανσης ψύξης και 10% στις μεταφορές. Βασικές προϋποθέσεις για την επίτευξη αυτών των στόχων είναι η ολοκλήρωση αναγκαίων εργασιών επέκτασης και αναβάθμισης του ηλεκτρικού δικτύου, σταδιακή ανάπτυξη ενός διεσπαρμένου τρόπου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η ανάπτυξη συγκεκριμένων τεχνολογιών, όπως οι αντλίες θερμότητας, και η ενίσχυση εφαρμογών από θερμικά ηλιακά συστήματα και βιομάζα. Η εκπλήρωση αυτού του στόχου απαιτεί την αντιμετώπιση ορισμένων δυσκολιών όπως είναι οι καθυστερήσεις στην αδειοδότηση των εφαρμογών ΑΠΕ, οι ασάφειες σε θέματα χωροταξικού σχεδιασμού και η ελλιπής ενημέρωση των πολιτικών σχετικά με τις εφαρμογές ΑΠΕ. Επίσης, το γεγονός ότι τα περισσότερα νησιά δε συνδέονται με το εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο αλλά λειτουργούν αυτόνομα αποτελεί μία εξίσου σημαντική πρόκληση. Συγκεκριμένα, οι εθνικοί στόχοι για το 2020 προβλέπουν ανάπτυξη MW από ΑΠΕ για την ηλεκτροπαραγωγή όπου θα συμμετέχουν το σύνολο των τεχνολογιών με επικρατέστερες τα αιολικά πάρκα με 7500 MW, τα υδροηλεκτρικά με 3000 MW και τα ηλιακά με 2500 MW ενώ για τη θέρμανση και ψύξη απαιτείται η ανάπτυξη των αντλιών θερμότητας, των θερμικών ηλιακών συστημάτων και των εφαρμογών βιομάζας. [7] [11] 18

19 Στην εικόνα 1.3 παρουσιάζεται η συμμετοχή όλων των μονάδων στη συνολική παραγωγή για το έτος Εικόνα 1.3: Ποσοστό συμμετοχής ΑΠΕ στην παραγωγή [2] 19

20 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Με τον όρο Ηλιακή Ενέργεια χαρακτηρίζουμε το σύνολο των διαφόρων μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον Ήλιο. Το φως και η θερμότητα που ακτινοβολούνται, απορροφούνται από στοιχεία και ενώσεις στη Γη και μετατρέπονται σε άλλες μορφές ενέργειας. Η τεχνολογία σήμερα αξιοποιεί ένα πολύ μικρό ποσοστό της προσπίπτουσας στην επιφάνεια του πλανήτη μας ηλιακής ενέργειας με τριών ειδών συστήματα: τα θερμικά ηλιακά, τα παθητικά ηλιακά και τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η πιο απλή και διαδεδομένη μορφή των θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι οι ηλιακοί θερμοσίφωνες, οι οποίοι απορροφούν την ηλιακή ενέργεια και στη συνέχεια, τη μεταφέρουν με τη μορφή θερμότητας σε κάποιο ρευστό, συνήθως νερό. Η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται μέσω ηλιακών συλλεκτών, σκουρόχρωμων δηλαδή επιφανειών καλά προσανατολισμένων στον ήλιο, οι οποίες βρίσκονται σε επαφή με νερό και του μεταδίδουν μέρος της θερμότητας που παρέλαβαν. Το παραγόμενο ζεστό νερό χρησιμοποιείται για απλή οικιακή ή πιο σύνθετη βιομηχανική χρήση. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούνται από δομικά στοιχεία, κατάλληλα σχεδιασμένα και συνδυασμένα μεταξύ τους, ώστε να υποβοηθούν την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για τον φυσικό φωτισμό των κτιρίων ή για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας μέσα σε αυτά. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα αποτελούν την αρχή της Βιοκλιματικής Αρχιτεκτονικής και μπορούν να εφαρμοσθούν σε όλους σχεδόν τους τύπους κτιρίων. Τα φωτοβολταϊκά είναι συστήματα που μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια και που, εδώ και πολλά χρόνια, χρησιμοποιούνται για την ηλεκτροδότηση μη διασυνδεδεμένων στο ηλεκτρικό δίκτυο καταναλώσεων. Δορυφόροι, φάροι και απομονωμένα σπίτια χρησιμοποιούν παραδοσιακά τα φωτοβολταϊκά για την ηλεκτροδότησή τους. Στην Ελλάδα, η προοπτική ανάπτυξης και εφαρμογής των Φ/Β συστημάτων είναι τεράστια λόγω του ιδιαίτερα υψηλού δυναμικού ηλιακής ενέργειας. Η ηλεκτροπαραγωγή από φωτοβολταϊκά έχει ένα τεράστιο πλεονέκτημα: αποδίδει την μέγιστη ισχύ της κατά τη διάρκεια της ημέρας όταν και παρουσιάζεται η μέγιστη ζήτηση. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε τα φωτοβολταϊκά συστήματα διότι μόνο αυτά συμμετέχουν στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. [7] 21

22 2.2 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ [12],[19] Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων η λειτουργία των οποίων βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Μία ομαδοποίηση ηλιακών κυττάρων αποτελούν το πλαίσιο (MODULE). Δύο ή περισσότερα πλαίσια σχηματίζουν το PANEL. Τέλος, το μεγαλύτερο στάδιο ομαδοποίησης είναι η συστοιχία που αποτελείται από ένα σύνολο PANELS μαζί με την κατασκευή στήριξης και οποιαδήποτε άλλη συσκευή είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του συστήματος. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα μερικά από τα οποία παρουσιάζονται παρακάτω: Αθόρυβη λειτουργία φιλική προς το περιβάλλον Δεν περιέχουν κινητά μέρη, μικρή συντήρηση Το «καύσιμό» τους, η ηλιακή ακτινοβολία, έχει μηδενικό κόστος Κατασκευάζονται από πυρίτιο, στοιχείο το οποίο υπάρχει σε αφθονία στη φύση Λειτουργούν αποδοτικά σε χαμηλές θερμοκρασίες Δυνατότητες σε ένα ευρύ φάσμα ισχύων Εικόνα 2.1: Ομαδοποίηση [18] 22

23 2.2.1 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο βασίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών. Όταν ηλιακό φως προσπίπτει σε κρυσταλλικό πυρίτιο (ο πιο διαδεδομένος ημιαγωγός), τα φωτόνια είναι δυνατόν να ανακλαστούν, να διαπεράσουν τον κρύσταλλο ή να απορροφηθούν. Στην τελευταία περίπτωση, αν το φως διαθέτει χαμηλή ενέργεια τότε τα άτομα του πυριτίου ταλαντώνονται ενώ τα ηλεκτρόνια των ατόμων ανεβαίνουν ενεργειακές στάθμες οι οποίες όμως είναι ασταθείς. Τελικά τα ηλεκτρόνια αυτά επανέρχονται στις αρχικές τους στάθμες και αποδίδουν σε θερμότητα την ενέργεια που κέρδισαν. Ένα ηλιακό κύτταρο αποτελείται από μία επαφή pn ακριβώς όπως και μία απλή δίοδος. Αν τα φωτόνια που προσπίπτουν στο ηλιακό κύτταρο διαθέτουν ενέργεια μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του κυττάρου Eg (η ενέργεια που απαιτείται για ένα ηλεκτρόνιο να ανέβει από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας) τότε δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Ηλεκτρόνια που δημιουργούνται στην περιοχή τύπου p του κυττάρου επιταχύνονται από το φράγμα δυναμικού στο σημείο επαφής των δύο περιοχών και μεταβαίνουν στην περιοχή τύπου n. Την αντίστροφη διαδρομή ακολουθούν οπές που δημιουργούνται στην περιοχή τύπου n. Με τη διαδικασία αυτή προκύπτει πλεόνασμα αρνητικών φορτίων στο υλικό τύπου n και θετικών φορτίων στο υλικό τύπου p. Συνδέοντας ένα φορτίο στα άκρα του κυττάρου, ηλεκτρόνια θα ρέουν από το ηλεκτρόδιο που συνδέεται στην πλευρά n προς το ηλεκτρόδιο που συνδέεται στην πλευρά p μέσω του φορτίου. Το ισοδύναμο κύκλωμα του ηλιακού κυττάρου και η εξίσωση που το περιγράφει παρουσιάζονται παρακάτω: Εικόνα 1.2: Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου [19] 23

24 I = ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου IL = φωτόρευμα Io = ρεύμα κόρου διόδου q = φορτίο ηλεκτρονίου V = τάση στην έξοδο του κυττάρου Rs = σε σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. V + IRs = η τάση της διόδου επαφής μέσα στο κύτταρο n = σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2. Οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής. K = σταθερά BOLTZMANN (=1.38 * ) T = απόλυτη θερμοκρασία RSH = παράλληλη αντίσταση. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή pn (επανασύνδεση), είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου ούτε μεταξυ δύο όμοιων κυττάρων. VT = Kq T (=0.026 Volt) θερμική τάση Η γραφική παράσταση μεταξύ ρεύματος στην έξοδο (I) και τάσης στην έξοδο (V) ονομάζεται I-V χαρακτηριστική και παρουσιάζεται παρακάτω. 24

25 Εικόνα 2.2: Χαρακτηριστική I-V καμπύλη φωτοβολταϊκού στοιχείου [21] Isc = το ρεύμα βραχυκυκλώσεως (V=0). Αν θεωρήσουμε την αντίσταση Rs πολύ μικρή τότε το ρεύμα αυτό ισούται με το φωτόρευμα IL. Voc = η τάση ανοιχτού κυκλώματος (I=0) Pmp = το σημείο μέγιστης ισχύος εξόδου. Αντιστοιχεί σε ρεύμα Imp και τάση Vmp και από αυτό το σημείο μπορεί να κατασκευαστεί το ορθογώνιο με τη μέγιστη επιφάνεια μέσα στη χαρακτηριστική I-V. Μία ευθεία που διέρχεται από την αρχή των αξόνων και από το σημείο Pmp παριστάνει τη βέλτιστη αντίσταση φορτίου RLopt που έχει κλίση 1/RLopt = Imp/Vmp. Η ευθεία αυτή φαίνεται στην εικόνα 2.4. Εικόνα 2.3: Βέλτιστη αντίσταση φορτίου [23] Ένα μέγεθος που συσχετίζει όλα τα παραπάνω είναι ο συντελεστής πληρότητας FF (Fill Factor). 25

26 FF = Vmp Imp Voc Isc Ο συντελεστής αυτός είναι ένα μέτρο του πόσο τετράγωνη είναι η καμπύλη I-V και οι τυπικές του τιμές είναι Όσο μεγαλύτερος ο συντελεστής πληρότητας τόσο πιο πολύ εκμεταλλευόμαστε τις δυνατότητες του κυττάρου ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ Ο βαθμός απόδοσης ενός ηλιακού κυττάρου ορίζεται ως το ποσοστό της εισερχόμενης ηλιακής ενέργειας που μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική και δίνεται από τη σχέση η = Vmp Imp Pin = Voc Isc FF Pin Όπου Pin η ολική ισχύς της προσπίπτουσας στο κύτταρο ακτινοβολίας. Οι τυπικές τιμές της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων κυμαίνονται ανάμεσα 10% - 25% ενώ με τη χρήση νέων τεχνολογιών έχουν επιτευχθεί αποδόσεις μέχρι και 46%. Παρόλο που η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών εξελίσσεται ο συντελεστής απόδοσης παραμένει χαμηλός. Οι λόγοι για τους οποίους συμβαίνει αυτό είναι οι εξής. Ανάκλαση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω μη επεξεργασμένης επιφάνειας πυριτίου Σκίαση από το μεταλλικό πλέγμα των επαφών Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων. Τα φωτόνια όπως προαναφέρθηκε ανάλογα με την ενέργεια που διαθέτουν μπορούν να διαπεράσουν το κύτταρο, να απορροφηθούν παράγοντας μόνο θερμότητα, να δημιουργήσουν ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών ή να δημιουργήσουν ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών και η επιπλέον ενέργειά τους να μετατραπεί σε θερμότητα Επανασύνδεση ηλεκτρονίων οπών που μπορεί να συμβεί με διάφορους μηχανισμούς στον κυρίως όγκο του ημιαγωγού Υψηλές τιμές της αντίστασης εν σειρά και παράλληλα οι οποίες μειώνουν τον συντελεστή πληρότητας MAXIMUM POWER POINT TRACKER (MPPT) Ο ανιχνευτής σημείου μέγιστης ισχύος είναι μία συσκευή που σκοπό έχει τη μέγιστη απομάστευση ισχύος από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Η απορρόφηση της μέγιστης ισχύος επιτυγχάνεται όταν το σημείο λειτουργίας αντιστοιχεί σε ρεύμα Imp και τάση Vmp. Το σημείο αυτό, όμως, δεν είναι σταθερό για κάθε κύτταρο αλλά εξαρτάται από: Την προσπίπτουσα ακτινοβολία Τη θερμοκρασία λειτουργίας του πλαισίου Την καθαρότητα της γυάλινης επικάλυψης των πλαισίων, τις μεταβολές στα λειτουργικά χαρακτηριστικά λόγω γήρανσης κ.α. 26

27 Εικόνα 2.4: Μεταβολή της χαρακτηριστικής καμπύλης συναρτήσει της θερμοκρασίας [22] 27

28 Εικόνα 2.5: Μεταβολή της χαρακτηριστικής καμπύλης συναρτήσει της ακτινοβολίας [22] Το σημείο λειτουργίας εξαρτάται από τη χαρακτηριστική του φορτίου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι φορτίων: σταθερής αντίστασης, σταθερής τάσης, σταθερής ισχύος και φορτία που μεταβάλλονται με το χρόνο. Το σημείο λειτουργίας του συστήματος καθορίζεται από την τομή της I-V χαρακτηριστικής της συστοιχίας με τη χαρακτηριστική του φορτίου. Οποιαδήποτε μεταβολή των παραμέτρων των δύο χαρακτηριστικών καμπυλών έχουν ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση του σημείου λειτουργίας από το σημείο μέγιστης ισχύος. Ο MPPT αναλαμβάνει να διατηρεί το σημείο λειτουργίας στο σημείο μέγιστης ισχύος. Ο τρόπος με τον οποίο θα συνδεθεί με το υπόλοιπο σύστημα αποτελεί προϊόν ανάλυσης και εξομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος. Για την ανίχνευση του σημείου μέγιστης ισχύος χρησιμοποιούνται διάφοροι αλγόριθμοι οι οποίοι υλοποιούνται είτε αναλογικά είτε ψηφιακά είτε με τη βοήθεια μικροϋπολογιστή. Όλοι οι αλγόριθμοι βασίζονται στην εξής διαδικασία: μέτρηση της ισχύος στην έξοδο της συστοιχίας, σύγκριση με την μέγιστη τιμή ισχύος με τη βοήθεια ελεγκτών κλειστού βρόγχου και τέλος η ανάλογη μεταβολή του λόγου μετασχηματισμού τάσης στον μετατροπέα ώστε η τάση λειτουργίας να συμπέσει με την τάση Vmp. Παρατηρώντας τη χαρακτηριστική καμπύλη ισχύος τάσης μιας φωτοβολταϊκής συμπεραίνουμε ότι για να εντοπίσει ο MPPT το μέγιστο σημείο λειτουργίας πρέπει να αυξάνει την τάση V όταν dp > 0 και να τη μειώνει όταν dp dv < dv

29 Εικόνα 2.6: Καμπύλη ισχύος και σημείο μέγιστης ισχύος [20] 2.3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Η συντριπτική πλειοψηφία της σημερινής παγκόσμιας παραγωγής φωτοβολταϊκών βασίζεται στο πυρίτιο (Si). Ο βασικός λόγος που το στοιχείο αυτό είναι τόσο διαδεδομένο είναι η αφθονία του στη φύση. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι οι εξής, [13]: Πλαίσια μονοκρυσταλλικού πυριτίου Πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου Πλαίσια λεπτών μεμβρανών Υβριδικά πλαίσια ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Τα πλαίσια αυτά κατασκευάζονται τεμαχίζοντας έναν ενιαίο κρύσταλλο πυριτίου. Χαρακτηρίζονται από καλή απόδοση της τάξης του 18%-23% αλλά και από υψηλό κόστος κατασκευής ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Οι κυψέλες αυτές δημιουργούνται μέσα από μία διαδικασία χύτευσης του λειωμένου πυριτίου. Τα στοιχεία αυτά δεν είναι τόσο αποδοτικά όσο τα μονοκρυσταλλικά (13%- 15%) αλλά είναι πιο φθηνά στην κατασκευή εξαιτίας της διαδικασίας χύτευσης. 29

30 2.3.3 ΠΛΑΙΣΙΑ ΛΕΠΤΩΝ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί λεπτές στρώσεις ημιαγωγού. Με τον τρόπο αυτό μειώνεται το κόστος κατασκευής. Υπάρχει πληθώρα εναλλακτικών τεχνολογιών που χρησιμοποιεί λεπτές μεμβράνες. Άμορφου πυριτίου με ονομαστική απόδοση 7% Χαλκοπυριτών CIS,CIGS απόδοσης 7%-11% (πλαίσια Δισεληνοϊνδούχου χαλκού) Τελουριούχου καδμίου (CdTe) με απόδοση έως και 29% Στοιχεία ετεροεπαφής (Heterojunction with Istrinsic Thin-layer) 19% Πλαίσια εύκαμπτης βάσης ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΠΛΑΙΣΙΑ Υβριδικά φωτοβολταϊκά πλαίσια χαρακτηρίζονται αυτά τα οποία συνδυάζουν δύο διαφορετικές τεχνολογίες για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, συνήθως την τεχνολογία των λεπτών μεμβρανών με αυτήν του μονοκρυσταλλικού πυριτίου. Εικόνα 2. 7: Σύγκριση τεχνολογιών [13] 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ [7],[9],[5] 3.1 ΓΕΝΙΚΑ Η αιολική ενέργεια σχετίζεται με την κίνηση του ανέμου. Ο άνεμος προκύπτει από την κίνηση των αέριων μαζών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα η οποία οφείλεται στις συνεχείς μεταβολές της ατμοσφαιρικής πίεσης. Δύο βασικοί παράγοντες που συμβάλλουν στη δημιουργία ανέμων είναι η ηλιακή ακτινοβολία και η περιστροφή της Γης. Η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στους πόλους και τον ισημερινό έχει ως αποτέλεσμα την κίνηση ψυχρών ανέμων από τους πόλους στον ισημερινό και τη μεταφορά θερμού αέρα προς την αντίστροφη πορεία. Η πρώτη προσπάθεια εκμετάλλευσης της ενέργειας του ανέμου σημειώνεται στα αρχαία χρόνια με την προώθηση των πλοίων με τη χρήση πανιών. Στη συνέχεια κατασκευάστηκαν ανεμόμυλοι που μετέτρεπαν την αιολική ενέργεια σε μηχανική για την άλεση των σιτηρών, την άντληση νερού κ.α. Τα τελευταία 30 χρόνια κατασκευάστηκαν και σημείωσαν ραγδαία εξέλιξη οι ανεμογεννήτριες οι οποίες μετατρέπουν την αιολική ενέργεια σε μηχανική με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ηλεκτρικής γεννήτριας. Η χώρα μας διαθέτει εξαιρετικά πλούσιο αιολικό δυναμικό, σε αρκετές περιοχές της Κρήτης, της Πελοποννήσου, της Ευβοίας και φυσικά στα νησιά του Αιγαίου. Σε αυτές τις περιοχές θα συναντήσουμε και τα περισσότερα αιολικά πάρκα, τα οποία αποτελούνται από συστοιχίες ανεμογεννητριών σε βέλτιστη διάταξη για την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση του αιολικού δυναμικού. Η αιολική ενέργεια είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Η εκμετάλλευση του υψηλού της δυναμικού στη χώρα μας, σε συνδυασμό με τη ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογιών που ενσωματώνεται στις σύγχρονες αποδοτικές ανεμογεννήτριες, έχει τεράστια σημασία για τη βιώσιμη ανάπτυξη, την εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων, την προστασία του περιβάλλοντος και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. 3.2 ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Η πιο βασική κατηγοριοποίηση των ανεμογεννητριών βασίζεται στον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη διεύθυνση της ροής του ανέμου. Έτσι οι ανεμογεννήτριες διακρίνονται σε κατακόρυφου και οριζόντιου άξονα. Οι μηχανές κατακόρυφου άξονα έχουν τον άξονά τους κάθετο στη διεύθυνση του ανέμου. Ο μοναδικός ανεμοκινητήρας κατακόρυφου άξονα που έχει κατασκευαστεί για μαζική παραγωγή είναι η μηχανή Darrieus και χαρακτηρίζεται από τις δύο πτέρυγες του δρομέα σε σχήμα C. Η μηχανή αυτή φαίνεται και στην εικόνα

32 Εικόνα 3.1: Ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα τύπου Darrieus [9] Τα δύο βασικά πλεονεκτήματα των ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα είναι τα εξής: Δεν απαιτείται η κατασκευή πύργου και νασέλλας για την τοποθέτηση της γεννήτριας, του κιβωτίου ταχυτήτων, του μετασχηματιστή κ.α. διότι αυτά μπορούν να τοποθετηθούν στο έδαφος. Η διεύθυνση του ανέμου θα είναι πάντα κάθετη στον άξονα της ανεμογεννήτριας με αποτέλεσμα να μην υπάρχει ανάγκη λειτουργίας κάποιου μηχανισμού προσανατολισμού. Τα μειονεκτήματα είναι: Χαμηλή αποδοτικότητα Χαμηλές ταχύτητες αέρα στο κάτω μέρος του δρομέα Απαιτείται αρχική ώθηση για την εκκίνηση της λειτουργίας Η αντικατάσταση του βασικού ρουλεμάν του δρομέα μπορεί να χρειαστεί την αποσυναρμολόγηση όλης της κατασκευής. Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν επικρατήσει στην αγορά της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα βασικά μέρη μιας ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα είναι ο δρομέας ή ρότορας, ο χώρος μηχανισμών ή νασέλλα και ο πύργος στήριξης όπως φαίνεται και στην εικόνα

33 Εικόνα 3.2: Ανεμογεννήτρια οριζοντίου άξονα [5] Οι ηλεκτρικές γεννήτριες των ανεμογεννητριών διαφοροποιούνται σε σχέση με τις γεννήτριες που λειτουργούν στο υπόλοιπο ηλεκτρικό δίκτυο. Ο λόγος για τον οποίο συμβαίνει αυτό είναι ότι η μηχανική ενέργεια παρέχεται στη γεννήτρια μέσω του ρότορα, η περιστροφή του οποίου εξαρτάται από την ταχύτητα του ανέμου. Το τελευταίο μέγεθος δεν είναι σταθερό αλλά κυμαίνεται σε ένα εύρος. Οι περισσότερες εταιρίες κατασκευής ανεμογεννητριών χρησιμοποιούν τριφασική ασύγχρονη γεννήτρια. Η ενέργεια παράγεται σε τάση 690 V. Έπειτα το παραγόμενο ρεύμα μεταβαίνει στον μετασχηματιστή, ο οποίος βρίσκεται είτε στη νασέλλα είτε στο κάτω μέρος του πύργου, ώστε να αυξηθεί η τάση στα επίπεδα της μέσης τάσης, δηλαδή V. Η σύνδεση και η αποσύνδεση μιας μεγάλης γεννήτριας με το ηλεκτρικό δίκτυο με τη χρήση ενός απλού διακόπτη ενέχει κινδύνους για την ασφαλή λειτουργία της γεννήτριας, του κιβωτίου ταχυτήτων καθώς και για την αξιόπιστη τροφοδότηση του φορτίου που εξυπηρετεί η ανεμογεννήτρια. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν τα προβλήματα αυτά, οι ανεμογεννήτριες πραγματοποιούν μία ομαλή εκκίνηση, δηλαδή συνδέονται και αποσυνδέονται σταδιακά στο δίκτυο με τη χρήση 33

34 κατάλληλων διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Το ρεύμα ρυθμίζεται έτσι ώστε να ταιριάζει στο δίκτυο την εκάστοτε στιγμή. Το βασικό πρόβλημα των ανεμογεννητριών είναι η διαθεσιμότητα τους η οποία δεν είναι σταθερή. Η παραγόμενη ισχύς των γεννητριών εξαρτάται άμεσα από την ταχύτητα του ανέμου η οποία μπορεί να μεταβάλλεται μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον περιορισμό της παραγωγής των ανεμογεννητριών με αποτέλεσμα την κάλυψη της ζήτησης από συμβατικές μηχανές. 3.3 ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Όπως αναφέραμε και παραπάνω τα βασικά μέρη που αποτελούν μία ανεμογεννήτρια είναι ο πύργος στήριξης, ο δρομέας και ο χώρος μηχανισμών. Όλα αυτά αναλύονται παρακάτω ΠΥΡΓΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ Ο πυλώνας μπορεί να είναι μεταλλικός αλλά και από οπλισμένο σκυρόδεμα για ανεμογεννήτριες μεγάλης ισχύος. Για την εξυπηρέτηση του προσωπικού υπάρχει ανελκυστήρας και κλιμακοστάσιο. Ο προσεκτικός σχεδιασμός του πύργου έχει μεγάλη σημασία για την αποφυγή του φαινομένου του συντονισμού. Ο πύργος και το εσωτερικό του παρουσιάζονται στις εικόνες 3.3, 3.4. Εικόνα 3.3: Πύργος ανεμογεννήτριας [5] 34

35 Εικόνα 3.4: Εσωτερικό του πύργου [24] ΔΡΟΜΕΑΣ Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες κατασκευάζονται πλέον με 3 πτερύγια τα οποία έχουν αεροδυναμική μορφή με συστροφή και μείωση της διαμέτρου τους από τη βάση προς τα άκρα. Για τον έλεγχο των στροφών του δρομέα πολλές ανεμογεννήτριες διαθέτουν μηχανισμό περιστροφής των πτερυγίων γύρω από το σημείο εδράσεως. Ένα τυπικό πτερύγιο ανεμογεννήτριας φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 3.5: Πτερύγια ανεμογεννήτριας [25] ΧΩΡΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ Ή ΝΑΣΕΛΛΑ Ο χώρος αυτός περιλαμβάνει το σύστημα έδρασης του δρομέα στον πύργο, το κιβώτιο ταχυτήτων, τη γεννήτρια, την πέδη, τους μηχανισμούς ελέγχου του βήματος των πτερυγίων και το σύστημα περιστροφής και προσανατολισμού προς την κατεύθυνση του ανέμου. 35

36 Εικόνα 3.6: Εσωτερικό νασέλλας [26] 3.4 ΕΠΙΛΟΓΗ ΘΕΣΗΣ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Πριν αποφασίσει κάποιος να εγκαταστήσει μία ανεμογεννήτρια θα πρέπει να επιλέξει πολύ προσεκτικά την τοποθεσία. Μία κατάλληλη θέση εγκατάστασης ανεμογεννήτριας είναι αυτή στην οποία υπάρχει ανοιχτή όψη στην κατεύθυνση του ανέμου με όσο το δυνατόν λιγότερα εμπόδια και χαμηλή τραχύτητα του εδάφους. Για παράδειγμα ένας στρογγυλεμένος λόφος είναι μία ιδανική περίπτωση. Όταν η ροή του ανέμου είναι κάθετη σε κάποιο εμπόδιο, όπως ένα βουνό, τότε σύμφωνα με τους νόμους της ρευστομηχανικής επιταχύνεται και στη συνέχεια επιβραδύνεται μετά την προσπέλαση του εμποδίου. Γίνεται λοιπόν αντιληπτό ότι οι κορυφογραμμές των βουνών και των λόφων προσφέρουν ευνοϊκές προϋποθέσεις για εγκατάσταση ανεμογεννητριών. Επίσης, περιοχές όπου επικρατούν ευνοϊκές συνθήκες για τοποθέτηση ανεμογεννητριών είναι οι παραθαλάσσιες. Η επιφάνεια των θαλασσών είναι ομαλή με χαμηλή τραχύτητα. Βασική προϋπόθεση για την εγκατάσταση Α/Γ είναι και η μέτρηση του αιολικού δυναμικού της περιοχής. Πέρα από τη μέση ταχύτητα του ανέμου απαιτούνται πληροφορίες και για την κατανομή της πιθανότητας εμφάνισης των διαφόρων τιμών ταχύτητας ανέμου. Γι αυτό πριν αποφασιστεί η εγκατάσταση μιας ανεμογεννήτριας σε μία περιοχή είναι απαραίτητη η συλλογή ανεμολογικών στοιχείων και η στατιστική επεξεργασία τους. Για τις μετρήσεις χρησιμοποιούνται κατάλληλοι ιστοί στα επιθυμητά σημεία και καταγράφουν τα στοιχεία για ένα χρόνο. 36

37 Εικόνα 3.6: Ιστός [27] 3.5 ΣΥΝΟΨΗ Συνοπτικά, παρουσιάζονται τα οφέλη από την εγκατάσταση και τη λειτουργία των ανεμογεννητριών αλλά και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον και στην καθημερινή ζωή του ανθρώπου. Πλεονεκτήματα Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αξιοποιώντας μία πηγή που υπάρχει σε αφθονία στη φύση, τον άνεμο. Συνεπώς περιορίζεται η λειτουργία των σταθμών που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα. Μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος Δημιουργία θέσεων εργασίας. Απαιτείται ανθρώπινο δυναμικό για τη συντήρηση και την εποπτεία των ανεμογεννητριών. Μειονεκτήματα Η παραγωγή δεν είναι σταθερή διότι εξαρτάται άμεσα από την ταχύτητα του ανέμου. Η κατάσταση αυτή προκαλεί σοβαρά προβλήματα ηλεκτροδότησης σε απομονωμένες περιοχές όπως είναι τα μη διασυνδεδεμένα νησιά. Θόρυβος ο οποίος προκαλείται από την κίνηση των μηχανικών μερών της ανεμογεννήτριας (κιβώτιο ταχυτήτων, πτερύγια). Επίσης οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές σε οικιακές συσκευές. Παρόλα αυτά, τα παράπονα των κατοίκων για αυτά τα θέματα είναι ελάχιστα μιας και οι Α/Γ εγκαθίστανται μακριά από κατοικημένες περιοχές. Πολλοί είναι αυτοί που αντιδρούν στην τοποθέτηση ανεμογεννητριών καθώς θεωρούν ότι προσβάλλουν την αισθητική των τοπίων ιδιαίτερα σε νησιωτικές περιοχές. 37

38 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ [3],[12] 4.1 ΓΕΝΙΚΑ Τα υβριδικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που δεν είναι συνδεδεμένα στο δίκτυο μεταφοράς αλλά λειτουργούν αυτόνομα απαιτείται να περιλαμβάνουν ένα μέσο αποθήκευσης. Έτσι, η περίσσεια της ηλεκτρικής παραγωγής αποθηκεύεται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιόδους όπου η ζήτηση υπερβαίνει την παραγωγή. Η πλέον κατάλληλη μέθοδος αποθήκευσης ενέργειας σε ένα υβριδικό σύστημα επιτυγχάνεται με τη χρήση συσσωρευτών. Μεγάλα κεφάλαια έχουν επενδυθεί στην έρευνα για νέες πιο αποδοτικές τεχνολογίες και μεθόδους αποθήκευσης αλλά η τεχνολογία των μπαταριών είναι αυτή που έχει επικρατήσει μέχρι τώρα. Τα πλεονεκτήματα ενός υβριδικού συστήματος με συσσωρευτές είναι η τροφοδότηση του φορτίου όταν δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία ούτε άνεμος, η κάλυψη στιγμιαίων αιχμών της ζήτησης του φορτίου και η ύπαρξη σταθερής τάσης στο σύστημα. Στα μειονεκτήματα ενός τέτοιου συστήματος μπορούν να συμπεριληφθούν η πολυπλοκότητά του καθώς και το αυξημένο κόστος. Μία μπαταρία προκειμένου να μπορεί να συσσωρεύει ηλεκτρική ενέργεια και να την παρέχει πάλι στο σύστημα όταν απαιτείται θα πρέπει να διαθέτει τις εξής ιδιότητες: Ικανοποιητικά 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. Η μπαταρία πετυχαίνει μεγάλο αριθμό φορτίσεων εκφορτίσεων. Ο αριθμός των κύκλων φόρτισης που πραγματοποιεί μία μπαταρία εξαρτάται από το βάθος εκφόρτισης (Depth Of Charge, DOD), όσο πιο μικρό τόσο περισσότεροι κύκλοι φόρτισης και τελικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Δυνατότητα επαρκούς φόρτισης. Είναι δεδομένη όταν παρατηρείται για γρήγορη επαναφόρτιση μέχρι την ονομαστική της χωρητικότητα, με αμελητέες απώλειες στη συσσωρευμένη χωρητικότητα. Αξιόπιστη λειτουργία. Καθαρή μπαταρία, να μην προκύπτει υπερχείλιση υγρών, αλλαγή αυτών μία με δύο φορές το χρόνο και αποφυγή βραχυκυκλωμάτων μεταξύ των πόλων. Τη βασική δομική μονάδα ενός συσσωρευτή αποτελεί το στοιχείο (CELL). Κάθε στοιχείο λειτουργεί σε ονομαστική τάση μερικών volts (2-4 V) και οι δυνατότητες τους 39

40 σε ρεύμα και ενέργεια είναι ανάλογες με το μέγεθός τους. Τα στοιχεία μπορούν να συνδεθούν σε σειρά ή παράλληλα ώστε να επιτευχθεί η απαιτούμενη τάση, ρεύμα και χωρητικότητα ενός συσσωρευτή. Κάθε στοιχείο αποτελείται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο το οποίο παρέχει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, το θετικό ηλεκτρόδιο το οποίο δέχεται ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης και τέλος τον ηλεκτρολύτη μέσα στον οποίο είναι εμβαπτισμένα τα δύο ηλεκτρόδια και ο οποίος συμπληρώνει το κύκλωμα παρέχοντας ιόντα που απαιτούνται για την αγωγή μεταξύ των ηλεκτροδίων. 4.2 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Παρακάτω αναφέρονται ορισμένες βασικές παράμετροι της λειτουργίας των μπαταριών. Χωρητικότητα C (Ah). Το ποσό του ρεύματος εκφόρτισης που είναι δυνατόν να παραχθεί κατά τη διάρκεια μίας καθορισμένης χρονικής διάρκειας. Ρυθμός φόρτισης/εκφόρτισης C/X. C = ονομαστική χωρητικότητα, Χ = ώρες φόρτισης/εκφόρτισης. Depth of discharge (DOD). Το ποσό της χωρητικότητας που έχει εκφορτισθεί. Εκφράζεται σε ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας. State of charge (SOC). Η διαθέσιμη χωρητικότητα. Εκφράζεται σε ποσοστό της ονομαστικής χωρητικότητας. Κύκλος. Μία πλήρης εκφόρτιση μαζί με την επόμενη επαναφόρτιση Συντελεστής χρησιμοποίησης. Ο λόγος του ενεργού υλικού που μετατράπηκε κατά τη διάρκεια μιας πλήρους εκφόρτισης προς το ολικό βάρος του ενεργού υλικού. Τυπικές τιμές 15%-40%. Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου πραγματοποιούνται μη αναστρέψιμες μεταβολές που προκαλούν σταδιακή μείωση της διαθέσιμης χωρητικότητας μέχρι το στοιχείο να μην λειτουργεί ικανοποιητικά, κατάσταση που ισοδυναμεί με το τέλος της διάρκειας ζωής του στοιχείου. 40

41 4.3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΩΝ Σήμερα υπάρχει πληθώρα διαφορετικών τεχνολογιών συσσωρευτών. Αυτές που ξεχωρίζουν όμως για συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας είναι οι μπαταρίες μολύβδου οξέως, ιόντων λιθίου και νικελλίου καδμίου. [10],[14] ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΟΞΕΩΣ Ο συγκεκριμένος τύπος συσσωρευτών είναι ο πλέον διαδεδομένος. Ο λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες μολύβδου οξέος χρησιμοποιούνται σε τέτοιο βαθμό είναι το χαμηλό κόστος, ο υψηλός βαθμός απόδοσης και η υψηλή αξιοπιστία συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες. Από την άλλη μεριά, η τεχνολογία αυτή μειονεκτεί στη διαχείριση μεγάλων τιμών ενέργειας καθώς η διάρκεια ζωής των μπαταριών είναι μικρή. Επιπλέον μειονεκτήματα αυτών των μπαταριών είναι ότι ο βαθμός απόδοσης μειώνεται σημαντικά σε υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες καθώς και ότι χρησιμοποιούν υλικά μη φιλικά προς το περιβάλλον. Εικόνα 4.1: Μπαταρία μολύβδου οξέως [26] 41

42 Εικόνα 4.2: Χημική αντίδραση για την παραγωγή ρεύματος [28] ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ (LI-ION) Τα τελευταία χρόνια οι μπαταρίες αυτού του τύπου γνωρίζουν μεγάλη ανάπτυξη ιδιαίτερα σε φωτοβολταϊκά συστήματα αλλά και σε υβριδικά συστήματα. Ο όρος "ιόν λιθίου" αναφέρεται σε μία ευρεία ποικιλία διαφορετικών χημικών, τα οποία χαρακτηρίζονται από τη μεταφορά ιόντων λιθίου μεταξύ των ηλεκτροδίων κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων φόρτισης και εκφόρτισης. Τα κύτταρα ιόντων λιθίου δεν περιέχουν μεταλλικό λίθιο. Αντίθετα, τα ιόντα εισάγονται στη δομή άλλων υλικών, όπως λιθιοποιημένα μεταλλικά οξείδια ή φωσφορικά άλατα στο θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και άνθρακα (τυπικά γραφίτη) ή τιτανικό λίθιο αρνητικά (άνοδος). Οι μπαταρίες αυτού του τύπου χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάρκεια ζωής, σημαντικό προτέρημα για συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, υψηλές αποδόσεις, εύκολη συντήρηση και μικρό βάρος. Το βασικό μειονέκτημα αυτών των μπαταριών είναι το υψηλό κόστος το οποίο οφείλεται κυρίως στα περιφερειακά συστήματα που αναλαμβάνουν να παρακολουθούν την τάση και τη θερμοκρασία ώστε να αποτραπεί μία ενδεχόμενη υπερφόρτιση. 42

43 Εικόνα 4.3: Χημική αντίδραση κατά την παραγωγή ρεύματος από μπαταρίες ιόντων λιθίου [29] ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΚΑΔΜΙΟΥ (NiCd) Η μπαταρίες νικελίου-καδμίου είναι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που χρησιμοποιούν υδροξείδιο του νικελίου και μεταλλικό κάδμιο ως ηλεκτρόδια. Οι μπαταρίες αυτές χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάρκεια ζωής, αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, ελάχιστη συντήρηση, αξιοπιστία και χαμηλό κόστος. Από την άλλη μεριά, οι μπαταρίες αυτού του τύπου διαθέτουν χαμηλή πυκνότητα ενέργειας σε σχέση με άλλες τεχνολογίες και αποτελούνται από υλικά τα οποία είναι επιβλαβή για το περιβάλλον. Σε όλες τις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν μπαταρίες μολύβδου οξέως. 43

44 4.4 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ Η εναρμονισμένη λειτουργία όλων των συνιστωσών ενός υβριδικού συστήματος προϋποθέτει την ύπαρξη διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Οι λειτουργίες των διατάξεων αυτών μπορεί να είναι η μετατροπή συνεχής τάσης σε εναλλασσόμενη και αντίστροφα, η ανύψωση ή ο υποβιβασμός μιας τάσης DC σε μία διαφορετική στάθμη τάσης DC και η κατάλληλη επεξεργασία της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας με σκοπό τη μέγιστη απομάστευση ισχύος από την εκάστοτε πηγή. Μία τέτοια διάταξη είναι ο ελεγκτής φόρτισης των συσσωρευτών. Σκοπός του ρυθμιστή φόρτισης είναι να εποπτεύει τη φόρτιση των μπαταριών από τις πηγές (Φ/Β,Α/Γ,Η/Ζ) και να διακόπτει τη διαδικασία όταν η στάθμη φόρτισης φτάσει στο μέγιστο σημείο. Έτσι αποφεύγεται η υπερφόρτιση των συσσωρευτών και τα αρνητικά επακόλουθά της. Αντίστοιχα, ο ελεγκτής παρακολουθεί την τροφοδότηση του φορτίου από τους συσσωρευτές με σκοπό την αποφυγή της υπερεκφόρτισης. Οι μπαταρίες και ο ρυθμιστής φόρτισης λειτουργούν με συνεχή τάση. Γι αυτό το λόγο στα υβριδικά συστήματα όπου η φόρτιση πραγματοποιείται και από πηγές εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως ανεμογεννήτριες και ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος, είναι απαραίτητη η σύνδεση ενός ανορθωτή. Η συσκευή αυτή μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση των πηγών σε συνεχή τάση κατάλληλη για τη λειτουργία του ρυθμιστή. Η φόρτιση των συσσωρευτών από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία θα μπορούσε θεωρητικά να επιτευχθεί με απευθείας σύνδεση των δύο στοιχείων. Η διακύμανση, όμως, της ηλιακής ακτινοβολίας οδηγεί στην ανάγκη ύπαρξης διάταξης που θα σταθεροποιεί τη μεταβαλλόμενη DC τάση των φωτοβολταϊκών. Για το λόγο αυτό, ανάμεσα στην έξοδο των Φ/Β και την είσοδο του ρυθμιστή φόρτισης συνδέεται ένας μετατροπέας DC-DC ο οποίος απομονώνει τη λειτουργία του ρυθμιστή από ενδεχόμενες μεταβολές στην παραγωγή των Φ/Β. Μία απαραίτητη διάταξη ηλεκτρονικών ισχύος είναι ο αντιστροφέας τάσης. Η συσκευή αυτή μετατρέπει τη συνεχή τάση των φωτοβολταϊκών και των μπαταριών σε εναλλασσόμενη κατάλληλη για χρήση από τους καταναλωτές. Τέλος, μία συσκευή που είναι απαραίτητη σε όλες τις φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις είναι ο MPPT ο οποίος αναλύθηκε παραπάνω. [3] 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 HOMER [15] 5.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ To Homer είναι ένα υπολογιστικό μοντέλο το οποίο αρχικά αναπτύχθηκε από το National Renewable Energy Laboratory (NREL) με σκοπό να βοηθήσει το σχεδιασμό συστημάτων παραγωγής ενέργειας και να διευκολύνει τη σύγκριση διαφορετικών τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μέσα από ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Το Homer μοντελοποιεί τη φυσική συμπεριφορά ενός ηλεκτρικού συστήματος και το κόστος κύκλου ζωής του, το οποίο είναι το κόστος εγκατάστασης, διαχείρισης και λειτουργίας σε όλη τη διάρκεια ζωής του. Το μοντέλο του Homer δίνει τη δυνατότητα στον χρήστη να συγκρίνει διαφορετικές διατάξεις για ένα σύστημα με κριτήρια τις τεχνικές και οικονομικές αξίες. Επίσης βοηθάει στην κατανόηση των επιδράσεων που μπορεί να επέλθουν από αλλαγές στις εισόδους του συστήματος. Με τον όρο μικροδίκτυο εννοούμε ένα σύστημα που παράγει ηλεκτρική ενέργεια προκειμένου να εξυπηρετήσει ένα τοπικό φορτίο. Το σύστημα αυτό μπορεί να χρησιμοποιεί οποιονδήποτε συνδυασμό τεχνολογιών παραγωγής και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και να είναι είτε αυτόνομο είτε συνδεδεμένο με το δίκτυο. Μερικά παραδείγματα υβριδικών συστημάτων είναι ένας συνδυασμός φωτοβολταϊκών και μπαταριών που εξυπηρετούν ένα απομακρυσμένο φορτίο ή μία διάταξη ανεμογεννήτριας με ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος που καλύπτουν τις ανάγκες ενός απομονωμένου χωριού. Εργοστάσια παραγωγής ενέργειας τα οποία τροφοδοτούν το δίκτυο μεταφοράς υψηλής τάσης δεν θεωρούνται μικροδίκτυα διότι δεν εξυπηρετούν ένα συγκεκριμένο φορτίο. Το Homer μπορεί να μοντελοποιήσει συνδεδεμένα ή αυτόνομα συστήματα τα οποία τροφοδοτούν ηλεκτρικό ή θερμικό φορτίο περιλαμβάνοντας οποιονδήποτε συνδυασμό από φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες, υδροηλεκτρικά, μπαταρίες, κυψέλλες καυσίμου και γεννήτριες. Η ανάλυση και ο σχεδιασμός μικροδικτύων περιέχει αρκετές δυσκολίες εξαιτίας του μεγάλου πλήθους των επιλογών σχεδιασμού καθώς και της αβεβαιότητας για ορισμένες παραμέτρους όπως είναι το μέγεθος του φορτίου και το μελλοντικό κόστος του καυσίμου. Επιπλέον οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εισάγουν περισσότερη πολυπλοκότητα επειδή η ισχύς που παράγουν είναι ασυνεχής και εποχιακή. Για να αντιμετωπίσει τις παραπάνω δυσκολίες το μοντέλο του Homer εκτελεί τρεις βασικές εργασίες: προσομοίωση (simulation), βελτιστοποίηση (optimization) και ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis). Στην πρώτη διαδικασία το πρόγραμμα μοντελοποιεί την απόδοση ενός συγκεκριμένου συστήματος κάθε ώρα του χρόνου για να καθορίσει την τεχνική του εφικτότητα και το συνολικό κόστος. Κατά τη δεύτερη διαδικασία, αυτήν της βελτιστοποίησης, το Homer προσομοιώνει διαφορετικές διατάξεις του συστήματος προκειμένου να ευρεθεί η διάταξη αυτή που ικανοποιεί τις τεχνικές απαιτήσεις με το λιγότερο κόστος. Στην ανάλυση ευαισθησίας 45

46 εισάγονται διάφορες τιμές για ορισμένες παραμέτρους (πχ. Ταχύτητα ανέμου) και το πρόγραμμα εκτελεί πολλαπλές βελτιστοποιήσεις προκειμένου να μετρήσει τα αποτελέσματα των διαφορετικών εισόδων. Η διαδικασία της βελτιστοποίησης καθορίζει τη βέλτιστη τιμή των παραμέτρων τις οποίες ο χρήστης μπορεί να ελέγξει όπως είναι η μορφή των συνιστωσών και το μέγεθός τους. Η ανάλυση ευαισθησίας εκτιμά την επίδραση ορισμένων αβέβαιων παραμέτρων που ο χρήστης δεν ελέγχει όπως είναι η ταχύτητα του ανέμου ή το κόστος καυσίμου. Η εικόνα 5.1 απεικονίζει τη σχέση των τριών αυτών διαδικασιών. Η έλλειψη της βελτιστοποίησης περικλείει αυτήν της προσομοίωσης. Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία της βελτιστοποίησης αποτελείται από πολλές προσομοιώσεις. Αντίστοιχα η διαδικασία της ανάλυσης ευαισθησίας περιλαμβάνει πολλές βελτιστοποιήσεις. Εικόνα 5.1: [15] ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η κύρια ικανότητα του Homer είναι να προσομοιώνει τη λειτουργία ενός συστήματος μακροπρόθεσμα. Οι άλλες δύο διαδικασίες βασίζονται σε αυτή. Η προσομοίωση καθορίζει πως μία συγκεκριμένη διαμόρφωση του συστήματος, δηλαδή ο συνδυασμός συνιστωσών συγκεκριμένου μεγέθους και η στρατηγική λειτουργίας τους που κανονίζει τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν μεταξύ τους, θα συμπεριφερθεί σε βάθος ενός συγκεκριμένου χρόνου. Το Homer μπορεί να προσομοιώσει μία ευρεία ποικιλία διαμορφώσεων συστήματος περιλαμβάνοντας συστοιχίες φωτοβολταϊκών, ανεμογεννήτριες, γεννήτριες καυσίμου, κελιά καυσίμου, μπαταρίες κ.α. Το σύστημα μπορεί να είναι συνδεδεμένο με το δίκτυο ή αυτόνομο και να εξυπηρετεί AC ή DC φορτίο. Συστήματα που περιέχουν μπαταρίες και μία η περισσότερες γεννήτριες απαιτούν μία στρατηγική (dispatch strategy) με την οποία ρυθμίζεται ο τρόπος φόρτισης των μπαταριών. Υπάρχουν δύο στρατηγικές: load following και cycle charging. Με την 46

47 πρώτη, οι γεννήτριες λειτουργούν τόσο ώστε να καλύπτουν τις αιχμές φορτίου και οι μπαταρίες φορτίζονται από τις ανανεώσιμες πηγές. Στη δεύτερη στρατηγική οι γεννήτριες λειτουργούν για την κάλυψη του φορτίου αλλά και για τη φόρτιση των μπαταριών. Συστήματα με μεγάλη διείσδυση ΑΠΕ ακολουθούν την πρώτη ενώ συστήματα με περιορισμένη χρήση ΑΠΕ ακολουθούν τη δεύτερη. Η διαδικασία της προσομοίωσης έχει δύο στόχους. Ο πρώτος είναι να συμπεράνει αν η διαμόρφωση του συστήματος είναι εφικτή. Το πρόγραμμα θεωρεί εφικτό ένα σύστημα αν μπορεί να καλύψει επαρκώς το φορτίο και να ικανοποιήσει τους περιορισμούς που επιβάλλονται από το χρήστη. Ο δεύτερος είναι να εκτιμήσει το συνολικό κόστος του κύκλου ζωής το οποίο είναι το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας στη διάρκεια ζωής του. Το Homer εκτελεί προσομοιώσεις της λειτουργίας μίας συγκεκριμένης διαμόρφωσης συστήματος για ένα χρόνο με βήμα μίας ώρας. Για κάθε ώρα, το πρόγραμμα υπολογίζει τη διαθέσιμη ισχύ που παράγουν οι ανανεώσιμες πηγές συγκρίνοντάς τη με το ηλεκτρικό φορτίο και αποφασίζει πώς θα διαχειριστεί το πλεόνασμα ενέργειας σε στιγμές περίσσειας ή τον βέλτιστο τρόπο παραγωγής παραπάνω ενέργειας σε στιγμές έλλειψης. Όταν ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί για ένα χρόνο τότε το Homer εκτιμά αν το σύστημα ικανοποιεί τους περιορισμούς που επιβάλλονται από τον χρήστη σε ορισμένα μεγέθη όπως τη συνολική ζήτηση ηλεκτρικού φορτίου, την ενέργεια που παράγουν οι ανανεώσιμες πηγές ή οι εκπομπές ρύπων. Επίσης το Homer υπολογίζει τις ποσότητες που είναι απαραίτητες για την εκτίμηση του κόστους κύκλου ζωής του συστήματος όπως είναι η ετήσια κατανάλωση καυσίμου, οι ετήσιες ώρες λειτουργίας των γεννητριών και η αναμενόμενη διάρκεια ζωής των μπαταριών. Η ποσότητα που χρησιμοποιεί το Homer για να εκφράσει το κόστος κύκλου ζωής του συστήματος είναι το συνολικό παρόν κόστος ( total Net Present Cost (NPC)). Η τιμή αυτή περιλαμβάνει όλα τα κόστη και τα εισοδήματα που εμφανίζονται σε όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος με τις μελλοντικές ταμειακές ροές να ανάγονται στο παρόν. Το NPC αποτελείται από το αρχικό κόστος κεφαλαίου των συνιστωσών του συστήματος, το κόστος οποιασδήποτε αντικατάστασης που ενδέχεται να προκύψει κατά τη διάρκεια λειτουργίας του έργου, το κόστος συντήρησης και λειτουργίας και τέλος το κόστος καυσίμου. Για συστήματα που περιλαμβάνουν διακοπτόμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως είναι η αιολική, το βήμα μίας ώρας της προσομοίωσης είναι απαραίτητο για να μελετηθεί και να προσομοιωθεί η συμπεριφορά ενός τέτοιου συστήματος με αποδεκτή ακρίβεια. Το συγκεκριμένο βήμα είναι επαρκώς μικρό για να συλλάβει τις πιο σημαντικές στατιστικές πλευρές του φορτίου και των ανανεώσιμων πηγών αλλά όχι και τόσο μικρό ώστε να δυσχεραίνει και να καθυστερεί την προσομοίωση σε μη αποδεκτό βαθμό. Επισημαίνεται ότι το Homer δεν μοντελοποιεί μεταβατικά φαινόμενα που θα απαιτούσαν πολύ μικρότερα βήματα. Το Homer προσομοιώνει τη λειτουργία ενός συστήματος για ένα χρόνο και υποθέτει ότι ορισμένα βασικά αποτελέσματα (κατανάλωση καυσίμου, απόδοση μπαταριών, 47

48 περίσσευμα ενέργειας) είναι αντιπροσωπευτικά και για τα υπόλοιπα χρόνια λειτουργίας. Δεν λαμβάνει υπόψιν τις αλλαγές που μπορεί να επέλθουν με την πάροδο του χρόνου όπως η αύξηση φορτίου ή η επιδείνωση της απόδοσης της μπαταρίας ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Ενώ η διαδικασία της προσομοίωσης μοντελοποιεί μία συγκεκριμένη διαμόρφωση συστήματος, με τη διαδικασία της βελτιστοποίησης επιλέγεται η καλύτερη πιθανή διαμόρφωση. Για το Homer, η καλύτερη πιθανή ή αλλιώς βέλτιστη λύση είναι εκείνη που ικανοποιεί τις απαιτήσεις του χρήστη με το λιγότερο NPC. Προκειμένου να καταλήξει στη βέλτιστη λύση το πρόγραμμα εξετάζει διαφορετικούς συνδυασμούς συνιστωσών, διαφορετικά μεγέθη και ποσότητες για κάθε συνιστώσα και διαφορετικές στρατηγικές λειτουργίας που μπορεί το σύστημα να χρησιμοποιήσει. Στη διαδικασία αυτή το Homer προσομοιώνει διαφορετικές διαμορφώσεις, αποκλείει αυτές που δεν ικανοποιούν τις απαιτήσεις, κατηγοριοποιεί τις εφικτές λύσεις με βάση το NPC και τέλος παρουσιάζει ως βέλτιστη αυτή με το μικρότερο κόστος. Ο στόχος της διαδικασίας βελτιστοποίησης είναι να καθορίσει τη βέλτιστη τιμή κάθε μεταβλητής απόφασης που ενδιαφέρει το χρήστη. Η μεταβλητή απόφασης είναι μία μεταβλητή την οποία μπορεί να ελέγχει ο σχεδιαστής του συστήματος και για την οποία το Homer θεωρεί διαφορετικές τιμές κατά τη διάρκεια της βελτιστοποίησης. Πιθανές μεταβλητές απόφασης είναι: Μέγεθος συστοιχίας φωτοβολταϊκών Πλήθος ανεμογεννητριών Μέγεθος γεννητριών Πλήθος μπαταριών Μέγεθος μετατροπέων Μέγεθος ηλεκτρολύτη Μέγεθος δεξαμενής αποθήκευσης υδρογόνου. Στρατηγική λειτουργίας (CC ή LF) Η βελτιστοποίηση μπορεί να βοηθήσει τον σχεδιαστή να βρει τη βέλτιστη διαμόρφωση του συστήματος ανάμεσα από πολλές επιλογές. Ας θεωρήσουμε, για παράδειγμα, ένα υπάρχον σύστημα πετρελαίου στο οποίο πρόκειται να εισαχθούν ανεμογεννήτριες και μπαταρίες. Ο σχεδιαστής δεν μπορεί να γνωρίζει εκ των προτέρων ποιο είναι το πλήθος των ανεμογεννητριών, το πλήθος των μπαταριών και το μέγεθος του μετατροπέα που μειώνουν το κόστος κύκλου ζωής στο ελάχιστο. Αυτές οι μεταβλητές αποτελούν μεταβλητές απόφασης. Η στρατηγική λειτουργίας θα μπορούσε και αυτή να είναι μεταβλητή απόφασης αλλά χάριν απλότητας του παραδείγματος δεν εξετάζεται εδώ. 48

49 Το Homer επιτρέπει στον χρήστη να εισάγει διαφορετικές τιμές για κάθε μεταβλητή χρησιμοποιώντας τον παρακάτω πίνακα. Στο παράδειγμά μας, ο σχεδιαστής επιλέγει να προσομοιώσει πέντε διαφορετικές ποσότητες ανεμογεννητριών (0 έως 4), την υπάρχουσα γεννήτρια, εφτά ποσότητες μπαταριών (0 έως 128) και τέσσερα μεγέθη μετατροπέων (ο έως 120 kw). Ο πίνακας αυτός παρουσιάζει τον χώρο αναζήτησης (search space), δηλαδή τη συλλογή όλων των μεταβλητών απόφασης μέσα από τις οποίες το πρόγραμμα θα επιλέξει στον βέλτιστο συνδυασμό. Το search space του παραδείγματος περιλαμβάνει 140 διαφορετικές διαμορφώσεις συστήματος (5Χ1Χ7Χ4=140). Εικόνα ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ Με την ανάλυση ευαισθησίας αποκαλύπτεται πόσο ευαίσθητες είναι οι έξοδοι του συστήματος σε σχέση με αλλαγές που μπορεί να συμβαίνουν στις εισόδους. Κατά τη διαδικασία αυτή ο χρήστης εισάγει ένα εύρος τιμών σε συγκεκριμένες μεταβλητές. Οι μεταβλητές αυτές ονομάζονται μεταβλητές ευαισθησίας. Οποιαδήποτε μεταβλητή που δεν είναι μεταβλητή απόφασης μπορεί να είναι μεταβλητή ευαισθησίας όπως η τιμή πώλησης ενέργειας στο δίκτυο, η τιμή καυσίμου, η διάρκεια ζωής των φωτοβολταϊκών ή ακόμα και τα αιολικά και ηλιακά δεδομένα. Ο σχεδιαστής μπορεί να εκτελέσει ανάλυση ευαισθησίας με οποιοδήποτε αριθμό μεταβλητών. Κάθε συνδυασμός από τιμές των μεταβλητών αποτελεί και ένα ξεχωριστό σενάριο. Για παράδειγμα, αν ο χρήστης ορίσει 6 τιμές για την τιμή πώλησης ενέργειας στο δίκτυο και 4 τιμές για το επιτόκιο, προκύπτουν 24 διαφορετικά σενάρια. Το Homer εκτελεί ξεχωριστή βελτιστοποίηση για κάθε σενάριο και απεικονίζει τα αποτελέσματα σε διάφορα γραφήματα. Βασική χρήση της διαδικασίας αυτής είναι η αντιμετώπιση της αβεβαιότητας. Αν ο σχεδιαστής δεν είναι σίγουρος για την τιμή μίας συγκεκριμένης μεταβλητής τότε μπορεί να εισάγει ένα εύρος πιθανών τιμών και να εξετάσει πως τα αποτελέσματα διαφέρουν σε αυτό το εύρος. 49

50 5.2 ΦΥΣΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΦΟΡΤΙΑ Στο Homer ο όρος φορτίο αναφέρεται στη ζήτηση ηλεκτρικής αλλά και θερμικής ενέργειας. Σκοπός των συστημάτων παραγωγής ενέργειας είναι να εξυπηρετούν φορτία και για αυτό πρώτο βήμα για το σχεδιασμό ενός τέτοιου συστήματος είναι ο προσδιορισμός του φορτίου. Το πρόγραμμα μοντελοποιεί τρεις διαφορετικούς τύπους φορτίων. Το κυρίως φορτίο το οποίο πρέπει να καλύπτεται σύμφωνα με ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα. Το φορτίο αναβολής το οποίο μπορεί να εξυπηρετηθεί οποιαδήποτε στιγμή. Το θερμικό φορτίο που είναι η ζήτηση θερμικής ενέργειας Κυρίως φορτίο Το κυρίως φορτίο αποτελείται από τις ανάγκες σε φωτισμό, τηλεόραση, οικιακές εφαρμογές βιομηχανικές διαδικασίες κ.α. Όταν ο καταναλωτής ανάβει κάποιο φως στο σπίτι του, το σύστημα οφείλει να παρέχει ενέργεια προκειμένου να ενεργοποιηθεί το φωτιστικό σώμα αμέσως. Η ενέργεια αυτή δεν μπορεί να αναβληθεί. Όταν η ζήτηση υπερκαλύπτει την παραγωγή τότε το Homer απεικονίζει αυτή τη διαφορά ως unmet load. Ανάμεσα στα τρία είδη φορτίων, το κυρίως φορτίο λαμβάνει ιδιαίτερη μεταχείριση καθώς απαιτεί από τον χρήστη τον καθορισμό μιας ποσότητας ισχύος λειτουργικής εφεδρείας (operating reserve). Η λειτουργική εφεδρεία είναι το επιπλέον ποσοστό επί της ονομαστικής ισχύος των μονάδων παραγωγής που πρέπει να παράγουν ώστε σε περίπτωση αύξησης φορτίου ή μείωσης παραγωγής να έχουν τη δυνατότητα να καλύψουν τη διαφορά αμέσως. Η λειτουργική εφεδρεία είναι ουσιαστικά η γνωστή στρεφόμενη εφεδρεία αλλά επειδή οι μπαταρίες, τα φωτοβολταϊκά και τα κελιά καυσίμου παράγουν χωρίς να περιστρέφονται καθιερώνεται η πρώτη ονομασία. Σε κάθε προσομοίωση, το πρόγραμμα εξασφαλίζει ότι η παραγόμενη ενέργεια καλύπτει το φορτίο αλλά και τη λειτουργική εφεδρεία Φορτίο αναβολής Το αναβαλλόμενο φορτίο είναι η ηλεκτρική ζήτηση που μπορεί να καλυφθεί οποιαδήποτε στιγμή μέσα σε ένα συγκεκριμένο διάστημα. Τέτοια φορτία όπως είναι ένας σταθμός φόρτισης μπαταριών επιτρέπουν στο σύστημα να είναι πιο ευέλικτο. Η δυνατότητα αναβολής εξυπηρέτησης φορτίου αποτελεί πλεονέκτημα για συστήματα που περιλαμβάνουν διακοπτόμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας διότι μειώνει την ανάγκη για αυστηρό έλεγχο παραγωγής. Αν η παροχή από τις ανανεώσιμες πηγές υπερβαίνει το κυρίως φορτίο τότε το περίσσευμα ενέργειας εξυπηρετεί το αναβαλλόμενο φορτίο αντί να χάνεται. 50

51 Θερμικό φορτίο Το Homer μοντελοποιεί το θερμικό φορτίο με τον ίδιο ακριβώς τρόπο με το κυρίως φορτίο με τη μόνη διαφορά ότι η ιδέα της λειτουργικής εφεδρείας δεν εφαρμόζεται εδώ. Ο χρήστης εισάγει την ποσότητα του θερμικού φορτίου για κάθε ώρα του έτους. Το σύστημα τροφοδοτεί το φορτίο είτε από το boiler, ανάκτηση θερμότητας από τη γεννήτρια, είτε από αντίσταση θέρμανσης χρησιμοποιώντας πλεονάζουσα ενέργεια ΠΗΓΕΣ Με τον όρο πηγές εννοούμε οτιδήποτε προέρχεται έξω από το σύστημα και χρησιμοποιείται από αυτό προκειμένου να παραχθεί ηλεκτρική και θερμική ενέργεια. Σε αυτά περιλαμβάνονται οι τέσσερις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ήλιος, αέρας, νερό, βιομάζα) όπως επίσης και το καύσιμο που χρησιμοποιείται από τις γεννήτριες του συστήματος. Οι ανανεώσιμες πηγές διαφέρουν πολύ ανάλογα με την τοποθεσία. Η ηλιακή ακτινοβολία εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και το κλίμα, η ταχύτητα του ανέμου από τη συμπεριφορά της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας και τις γεωγραφικές επιδράσεις, τα αποθέματα νερού από τη συχνότητα των τοπικών βροχοπτώσεων και η βιομάζα από την τοπική βιολογική παραγωγικότητα. Γίνεται συνεπώς αντιληπτό ότι οι ανανεώσιμες πηγές παρουσιάζουν μεγάλη μεταβλητότητα μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα Ηλιακή ενέργεια Για να μοντελοποιήσει ο χρήστης του Homer ένα σύστημα που περιλαμβάνει φωτοβολταϊκή συστοιχία πρέπει να παρέχει τα ηλιακά δεδομένα της τοποθεσίας που τον ενδιαφέρει. Τα δεδομένα αυτά περιλαμβάνουν την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης σε ένα χρόνο (άμεση ακτινοβολία από τον ήλιο και έμμεση ακτινοβολία ανακλώμενη από την ατμόσφαιρα). Η μορφή των δεδομένων μπορεί να είναι α) μέση ωριαία προσπίπτουσα ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια (kw/m 2 ), β) μέση μηνιαία ακτινοβολία σε οριζόντια επιφάνεια (kwh/m 2 day) ή γ) μέση μηνιαία καθαρότητα ατμόσφαιρας. Το τελευταίο μέγεθος είναι ο λόγος της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της γης προς την προσπίπτουσα ακτινοβολία στην επιφάνεια της ατμόσφαιρας και λαμβάνει τιμές από 0 έως Αιολική ενέργεια Προκειμένου να μοντελοποιήσει ο σχεδιαστής μία ή περισσότερες ανεμογεννήτριες θα πρέπει να εισάγει τα αιολικά δεδομένα τα οποία περιλαμβάνουν τις ταχύτητες ανέμους (σε m/s) που θα επιβληθούν σε αυτές στη διάρκεια ενός χρόνου. Ο χρήστης μπορεί να εισάγει αρχείο με πραγματικές μετρήσεις. Διαφορετικά, ορίζοντας απλά 12 μέσες μηνιαίες ταχύτητες, το Homer μπορεί να παράγει ωριαία δεδομένα με βάση ακόμα δύο παραμέτρους (συντελεστής Weibull, συντελεστής αυτοσυσχέτισης). Ο πρώτος συντελεστής εκφράζει την ισοκατανομή των ταχυτήτων ανέμου καθ όλη τη 51

52 διάρκεια του έτους ενώ ο δεύτερος εκφράζει την εξάρτηση της ταχύτητας μίας συγκεκριμένης ώρας σε σχέση με την προηγούμενη ώρα. Ο χρήστης επίσης υποδεικνύει το ύψος από το έδαφος στο οποίο μετρήθηκε ή εκτιμήθηκε η ταχύτητα ανέμου και το υψόμετρο σε από την επιφάνεια της θάλασσας ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ Στο Homer, συνιστώσα είναι οποιοδήποτε μέρος του συστήματος που παράγει, καταναλώνει, μετατρέπει ή αποθηκεύει ενέργεια. Το πρόγραμμα προσομοιώνει δέκα είδη συνιστωσών: φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες, υδροηλεκτρικές μηχανές, γεννήτριες καυσίμου, δίκτυο μεταφοράς ενέργειας, λέβητες, μετατροπείς, ηλεκτρολύτη, δεξαμενές υδρογόνου και μπαταρίες. Παρακάτω θα εξετάσουμε μόνο τα στοιχεία που θα χρησιμοποιήσουμε Φωτοβολταϊκή συστοιχία Το Homer μοντελοποιεί τη φωτοβολταϊκή συστοιχία ως μία συσκευή που παράγει DC ισχύ σε ευθεία αναλογία με την προσπίπτουσα ακτινοβολία στην επιφάνειά της και ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία. Το πρόγραμμα υπολογίζει την ισχύ εξόδου της συστοιχίας χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση: Όπου fpv ο συντελεστής μείωσης, Ypv η ονομαστική ισχύς της συστοιχίας, IT η προσπίπτουσα ακτινοβολία στην επιφάνεια των πανέλων. Το μέγεθος IS έχει την τιμή 1kW/m 2. Η ονομαστική ισχύς της συστοιχίας είναι η ισχύς που παράγει κάτω από κανονικές συνθήκες (standard test conditions STC) δηλαδή 1kW/m 2 προσπίπτουσα ακτινοβολία και θερμοκρασία 25 o C. Ο συντελεστής μείωσης εκφράζει τη μείωση στην ισχύ εξόδου που οφείλεται σε σκόνη στα πανέλα, απώλειες στα καλώδια, άνοδο της θερμοκρασίας κ.α. Ο χρήστης ορίζει το αρχικό κόστος κεφαλαίου της συστοιχίας, το κόστος αντικατάστασης και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Το κόστος αντικατάστασης είναι τα έξοδα που απαιτούνται για την αντικατάσταση των πανέλων στο τέλος της διάρκειας λειτουργίας τους που έχει καθορίσει ο χρήστης σε χρόνια Ανεμογεννήτρια Το Homer μοντελοποιεί μία ανεμογεννήτρια ως μία συσκευή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια σύμφωνα με συγκεκριμένη καμπύλη ισχύος (ισχύς εξόδου συναρτήσει της ταχύτητας ανέμου). 52

53 Εικόνα 5.3: [15] Για κάθε ώρα, το πρόγραμμα υπολογίζει την ισχύ εξόδου της ανεμογεννήτριας μέσα από τέσσερα βήματα. Πρώτα, καθορίζει τη μέση ταχύτητα ανέμου για τη συγκεκριμένη ώρα στο ύψος του ιστού μέτρησης. Δεύτερον, ανάγει την ταχύτητα αυτή στο ύψος της ανεμογεννήτριας. Τρίτον, βασίζεται στην καμπύλη ισχύος για να υπολογίσει την ισχύ εξόδου με τη συγκεκριμένη ταχύτητα ανέμου υποθέτοντας τυπική τιμή για την πυκνότητα του αέρα (1225 kg/m 3 ). Τέλος, πολλαπλασιάζει την ισχύ αυτή με τον λόγο της πραγματικής πυκνότητας αέρα προς την τυπική τιμή. Ο χρήστης επίσης προσδιορίζει την αναμενόμενη διάρκεια ζωής της ανεμογεννήτριας σε χρόνια καθώς και τα κόστη αγοράς, αντικατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης Γεννήτρια Μία γεννήτρια καταναλώνει καύσιμο για να παράγει ηλεκτρισμό και πιθανώς θερμότητα ως παράγωγο. Το μοντέλο γεννήτριας του Homer είναι αρκετά ευέλικτο ώστε να μοντελοποιεί ένα ευρύ φάσμα τύπων γεννητριών όπως μηχανές εσωτερικής καύσης, κυψέλες καυσίμου, μηχανές Stirling κ.α. Οι μηχανές μπορούν να παράγουν AC ή DC ρεύμα και να καταναλώνουν οποιοδήποτε καύσιμο. Οι κύριες φυσικές ιδιότητες της γεννήτριας είναι η μέγιστη και η ελάχιστη ισχύς εξόδου, η αναμενόμενη διάρκεια ζωής σε ώρες λειτουργίας, ο τύπος καυσίμου που καταναλώνει και η καμπύλη καυσίμου, η οποία συσχετίζει την ποσότητα καυσίμου που καταναλώνεται με την ηλεκτρική ισχύ που παράγεται. Το Homer θεωρεί πως η καμπύλη καυσίμου είναι μία ευθεία γραμμή με μία y παρεμπόδιση και χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για την κατανάλωση καυσίμου. 53

54 Όπου F0 συντελεστής παρεμπόδισης της καμπύλης καυσίμου, F1 η κλίση της καμπύλης, Ygen η ονομαστική ισχύς της γεννήτριας, Pgen η ισχύς εξόδου της γεννήτριας. Οι μονάδες των F εξαρτώνται από τη μονάδα μέτρησης του καυσίμου. Το πρόγραμμα χρησιμοποιεί επίσης την παρακάτω εξίσωση για να υπολογίσει το σταθερό κόστος ενέργειας της γεννήτριας. Όπου Com,gen είναι το κόστος λειτουργίας και συντήρησης της γεννήτριας σε δολλάρια ανά ώρα, Crep,gen το κόστος αντικατάστασης σε δολλάρια, Fo ο συντελεστής παρεμπόδισης της καμπύλης καυσίμου σε μονάδες καυσίμου ανά ωρα ανά kw, Ygen η ονομαστική ισχύς της γεννήτριας, Rgen η διάρκεια ζωής της γεννήτριας σε ώρες λειτουργίας και Cfuel,eff η πραγματική τιμή του καυσίμου σε δολλάρια ανά μονάδα καυσίμου. Η τιμή αυτή περιλαμβάνει όλα τα κόστη προστίμων που σχετίζονται με τις εκπομπές ρύπων Μπαταρίες Η τράπεζα μπαταριών είναι μια συλλογή από μία ή περισσότερες μεμονωμένες μπαταρίες. Το HOMER μοντελοποιεί μια μεμονωμένη μπαταρία ως συσκευή ικανή να αποθηκεύει ένα ορισμένο ποσό ηλεκτρικού ρεύματος σε μία σταθερή ενεργειακή απόδοση με οριακές τιμές για το πόσο γρήγορα μπορεί να φορτιστεί ή να αποφορτιστεί, πόσο βαθιά μπορεί να αποφορτιστεί χωρίς να προκληθεί βλάβη και πόση ενέργεια μπορεί να περνάει μέσα από αυτό πριν να χρειαστεί αντικατάσταση. Το HOMER υποθέτει ότι οι ιδιότητες των μπαταριών παραμένουν σταθερές καθ' όλη τη διάρκεια ζωής τους και δεν επηρεάζονται από εξωτερικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία. Το Homer υποθέτει ότι η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι ανεξάρτητη από το βάθος του κύκλου κάτι το οποίο σημαίνει ότι το πρόγραμμα μπορεί να εκτιμήσει τη διάρκεια ζωής της τράπεζας μπαταρίας απλά παρακολουθώντας την ποσότητα ενεργειακού κύκλου μέσα από αυτήν, χωρίς να χρειάζεται να εξετάσει το βάθος των διαφόρων κύκλων φόρτισης. Η διάρκεια ζωής της τράπεζας μπαταριών υπολογίζεται σε έτη ως όπου Nbatt το πλήθος των μπαταριών στην τράπεζα μπαταριών, Qlifetime η διάρκεια ζωής μίας μεμονωμένης μπαταρίας, Qthrpt η ενέργεια που κυκλοφορεί μέσα στην τράπεζα σε διάρκεια ενός χρόνου και Rbatt,f η μέγιστη διάρκεια ζωής ανεξάρτητα από την κυκλοφορούμενη ενέργεια. 54

55 5.3 ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Τα οικονομικά διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στη διαδικασία προσομοίωσης του HOMER, όπου λειτουργεί το σύστημα έτσι ώστε να ελαχιστοποιήσει το συνολικό καθαρό κόστος όσο και στη διαδικασία βελτιστοποίησης, όπου αναζητά τη ρύθμιση του συστήματος με το χαμηλότερο συνολικό καθαρό κόστος. Οι ανανεώσιμες και μη πηγές ενέργειας έχουν κατά κανόνα διαφορετικά χαρακτηριστικά κόστους. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τείνουν να έχουν υψηλό αρχικό κόστος κεφαλαίου και χαμηλό λειτουργικό κόστος, ενώ οι συμβατικές μη ανανεώσιμες πηγές τείνουν να έχουν χαμηλό κεφάλαιο και υψηλό λειτουργικό κόστος. Στη διαδικασία βελτιστοποίησης, το HOMER πρέπει συχνά να συγκρίνει τα οικονομικά μεγέθη ενός ευρέος φάσματος συστημάτων που περιλαμβάνουν ποικίλες ποσότητες ανανεώσιμων και μη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Για να προκύπτουν αξιόπιστα αποτελέσματα, οι συγκρίσεις αυτές πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τόσο το κεφάλαιο όσο και το λειτουργικό κόστος. Η ανάλυση κόστους κύκλου ζωής επιτυγχάνεται με την ενσωμάτωση όλων των δαπανών που προκύπτουν εντός της διάρκειας ζωής του συστήματος. Το HOMER χρησιμοποιεί το συνολικό καθαρό τρέχον κόστος (NPC) για να αντιπροσωπεύει το κόστος κύκλου ζωής ενός συστήματος. Το συνολικό NPC συμπυκνώνει όλα τα έξοδα και τα έσοδα που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της ζωής του έργου σε ένα κατ' αποκοπή ποσό στα σημερινά δολάρια, με μελλοντικές ταμειακές ροές προεξοφλημένες στο παρόν χρησιμοποιώντας το προεξοφλητικό επιτόκιο. Ο διαμορφωτής καθορίζει το προεξοφλητικό επιτόκιο και τη διάρκεια ζωής του έργου. Το NPC περιλαμβάνει το κόστος της αρχικής κατασκευής, αντικατάσταση εξαρτημάτων, συντήρηση, καύσιμο, καθώς και το κόστος αγοραστικής δύναμης από το δίκτυο και διάφορα έξοδα, όπως οι κυρώσεις που απορρέουν από εκπομπές ρύπων. Τα έσοδα περιλαμβάνουν έσοδα από την πώληση ενέργειας στο δίκτυο, καθώς και οποιαδήποτε αξία διάσωσης που εμφανίζεται στο τέλος της διάρκειας ζωής του έργου. Με το NPC, το κόστος είναι θετικό και τα έσοδα είναι αρνητικά. Αυτό είναι το αντίθετο της καθαρής παρούσας αξίας. Ως αποτέλεσμα, το καθαρό παρόν κόστος είναι διαφορετικό από την καθαρή παρούσα αξία μόνο στο πρόσημο. Για κάθε στοιχείο του συστήματος, ο χρήστης καθορίζει το αρχικό κόστος κεφαλαίου, το οποίο εμφανίζεται στο έτος μηδέν, το κόστος αντικατάστασης που εμφανίζεται κάθε φορά που το στοιχείο χρειάζεται αντικατάσταση στο τέλος της διάρκειας ζωής του και το κόστος διαχείρισης και λειτουργίας, τη διάρκεια ζωής του έργου. Ο χρήστης καθορίζει τη διάρκεια ζωής των περισσότερων εξαρτημάτων σε έτη, αλλά το HOMER υπολογίζει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και των γεννητριών. Το κόστος αντικατάστασης εξαρτημάτων ενδέχεται να διαφέρει από το αρχικό κόστος κεφαλαίου για διάφορους λόγους. Για να υπολογίσει την αξία διάσωσης κάθε συνιστώσας στο τέλος της διάρκειας ζωής του έργου, το HOMER χρησιμοποιεί την εξίσωση 55

56 Όπου S η τιμή διάσωσης, Crep το κόστος αντικατάστασης του στοιχείου, Rrem η υπόλοιπη διάρκεια ζωής του και Rcomp η διάρκεια ζωής του.. Για παράδειγμα, εάν η διάρκεια ζωής του έργου είναι 20 έτη και η διάρκεια ζωής της φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι επίσης 20 χρόνια, η τιμή διάσωσής της στο τέλος της διάρκειας ζωής του έργου θα είναι μηδέν επειδή δεν έχει υπολειπόμενη διάρκεια ζωής. Από την άλλη πλευρά, εάν η διάρκεια ζωής της φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι 30 έτη, στο τέλος της διετούς διάρκειας ζωής του έργου, η αξία διάσωσης θα είναι το ένα τρίτο του κόστους αντικατάστασης. Για κάθε στοιχείο, το HOMER συνδυάζει το κόστος κεφαλαίου, αντικατάστασης, συντήρησης και καυσίμων, μαζί με την αξία διάσωσης και κάθε άλλο κόστος ή έσοδα, για να υπολογίσει το ετήσιο κόστος του εξαρτήματος. Αυτό είναι το υποθετικό ετήσιο κόστος που, αν παρουσιάζεται κάθε χρόνο του έργου, θα έχει ως αποτέλεσμα το κόστος ζωής να είναι ισοδύναμο με το συνολικό κόστος και τα έσοδα που συνδέονται με το συγκεκριμένο στοιχείο κατά τη διάρκεια της ζωής του έργου. Το HOMER συνεισφέρει το ετήσιο κόστος κάθε συνιστώσας, μαζί με κάθε άλλο κόστος, όπως κυρώσεις για εκπομπές ρύπων, για να υπολογίσει το συνολικό ετήσιο κόστος του συστήματος. Η αξία αυτή είναι σημαντική επειδή το HOMER τη χρησιμοποιεί για να υπολογίσει τα δύο κύρια οικονομικά μεγέθη για το σύστημα: το συνολικό καθαρό παρόν κόστος και το επίπεδο κόστους της ενέργειας. Το πρόγραμμα χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το συνολικό καθαρό παρόν κόστος: Όπου Cann,tot το συνολικό ετήσιο κόστος, i το ετήσιο πραγματικό επιτόκιο (προεξοφλητικό επιτόκιο), Rproj η διάρκεια ζωής του έργου και CRF(i,Rproj) είναι ο συντελεστής ανάκτησης κεφαλαίου, που δίνεται από την εξίσωση: όπου i είναι το ετήσιο πραγματικό επιτόκιο και Ν είναι ο αριθμός των ετών. Το HOMER χρησιμοποιεί την ακόλουθη εξίσωση για να υπολογίσει το επίπεδο κόστους της ενέργειας: 56

57 Όπου Cann,tot είναι το συνολικό κόστος, Eprim και Edef είναι οι συνολικές ποσότητες πρωτογενούς και αναλώσιμου φορτίου, αντίστοιχα, που το σύστημα εξυπηρετεί κάθε χρόνο και Egrid sales η ποσότητα ενέργειας που πωλείται στο δίκτυο κάθε χρόνο. Ο παρονομαστής στην παραπάνω εξίσωση είναι μια έκφραση της συνολικής ποσότητας χρήσιμης ενέργειας που παράγει το σύστημα ανά έτος. Επομένως, το επίπεδο κόστους της ενέργειας είναι το μέσο κόστος ανά κιλοβατώρα της χρήσιμης ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από το σύστημα. Αν και το επίπεδο κόστους της ενέργειας είναι συχνά ένα βολικό μέγεθος με το οποίο συγκρίνεται το κόστος των διαφόρων συστημάτων, το HOMER χρησιμοποιεί το συνολικό NPC αντί του πρωταρχικού οικονομικού μεγέθους της. 57

58 58

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην εργασία αυτή μελετήθηκαν και προσομοιώθηκαν με τη χρήση του λογισμικού HOMER εναλλακτικά συστήματα παραγωγής ενέργειας για την κάλυψη του φορτίου της Αμοργού. Πρωταρχικός στόχος των συστημάτων αυτών είναι η μείωση του υψηλού κόστους παραγωγής ενέργειας το οποίο οφείλεται κυρίως στη χρήση καυσίμου. Παράλληλα τα συστήματα αυτά αποσκοπούν και στη μείωση των εκπομπών ρύπων, στη μείωση της εξάρτησης της Αμοργού από τις εισαγωγές καυσίμων και στη διασφάλιση ενεργειακής επάρκειας και ασφαλούς τροφοδότησης του νησιού. Τα συστήματα που προσομοιώθηκαν είναι τα παρακάτω: Υφιστάμενο σύστημα DIESEL-PV Σύστημα DIESEL-PV extension Σύστημα DIESEL-PV-BATTERIES Σύστημα DIESEL-PV-WIND Σύστημα DIESEL-PV-WIND-BATTERIES Είναι εμφανής ο προσανατολισμός προς τον περιορισμό της χρήσης των γεννητριών ντίζελ με την αυξημένη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών. 6.2 ΑΜΟΡΓΟΣ Το νησί της Αμοργού ανήκει στο νησιωτικό σύμπλεγμα των Κυκλάδων. Βρίσκεται στο νοτιοανατολικό άκρο των Κυκλάδων, νοτιοανατολικά της Νάξου και σε απόσταση 136 ναυτικών μιλίων από τον Πειραιά. Η επιφάνεια της εκτιμάται στα 120 km 2, έχει μήκος ακτών 126 km ενώ διαθέτει απότομη ορεινή μορφολογία εδάφους. Σύμφωνα με την απογραφή του 2011 ο πληθυσμός του νησιού ανέρχεται τους 1973 κατοίκους. 59

60 Εικόνα 6.1: Αμοργός [30] 6.3 ΦΟΡΤΙΟ Τα στοιχεία για το φορτίο του νησιού ελήφθησαν από το ΔΕΔΔΗΕ (Διεύθυνση Διαχείρισης Νήσων). Στις εικόνες 6.2, 6.3 φαίνεται η διακύμανση του φορτίου ανά μήνα (μέγιστη, ελάχιστη και μέση τιμή) καθώς και το ημερήσιο προφίλ για κάθε μήνα. Παρατηρούμε ότι η ηλεκτρική ζήτηση αυξάνεται πολύ κατά τους καλοκαιρινούς μήνες λόγω αυξημένης τουριστικής δραστηριότητας. Εικόνα 6.2: Το φορτίο της Αμοργού για το

61 Εικόνα 6.3: Ημερήσιο προφίλ του φορτίου για κάθε μήνα Η μέση ημερήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι kwh ενώ η αιχμή φορτίου κατά τη διάρκεια του χρόνου είναι kw. 6.4 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Τα δεδομένα της ηλιακής ακτινοβολίας παρέχονται από το HOMER. Ο χρήστης εισάγει τις συντεταγμένες της περιοχής που θέλει να εξετάσει και το πρόγραμμα αντλεί τις πληροφορίες από τη NASA. Στην εικόνα 6.4 φαίνεται η μέση ημερήσια μηνιαία ακτινοβολία καθώς και ο δείκτης αιθριότητας της Αμοργού. Οι συντεταγμένες του νησιού είναι (36 ο 54 ) πλάτος 26 ο μήκος. Εικόνα 6.4: Ηλιακή ακτινοβολία του νησιού 61

62 6.5 ΑΙΟΛΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ Για το αιολικό δυναμικό της περιοχής ανατρέξαμε στην ιστοσελίδα της NASA (NASA surface Meteorology and Solar energy,[32]) όπου με βάση τις συντεταγμένες της περιοχής βρήκαμε τις μηνιαίες ταχύτητες ανέμου. Στις παρακάτω εικόνες φαίνεται η μέση ταχύτητα ανέμου ανά μήνα. Από τις εικόνες 6.5 και 6.6 γίνεται αντιληπτό ότι η Αμοργός διαθέτει υψηλό αιολικό δυναμικό, βασική προϋπόθεση για την εγκατάσταση και λειτουργία ανεμογεννητριών. Εικόνα 6.5: Αιολικό δυναμικό της Αμοργού Εικόνα 6.6: Μέση ταχύτητα ανέμου ανά μήνα 62

63 6.6 ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ Για τις προσομοιώσεις των συστημάτων επιλέχθηκαν οι ανεμογεννήτριες της εταιρίας Enercon ονομαστικής ισχύος 2.3 MW με κόστος αγοράς και συντήρησης και /χρόνο αντίστοιχα. Στην εικόνα 6.7 φαίνεται η καμπύλη ισχύος της ανεμογεννήτριας. Εικόνα 6.7: Καμπύλη ισχύος ανεμογεννήτριας 6.7 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Για τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν επιλέχθηκαν μονοκρυσταλλικά φωτοβολταϊκά πάνελ της εταιρίας Canadian Solar ονομαστικής ισχύος 285 W (CS6K 285M-FG). Τα κόστη αγοράς και αντικατάστασης ανέρχονται στα 1012 /kw ενώ το κόστος λειτουργίας και συντήρησης στα 21 /kw/χρόνο. Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά των συγκεκριμένων πάνελ. [31] CS6K 285 M-FG (STC) Nominal Max. Power (Pmax) 285 W Opt.Operating Voltage 31.7 V (Vmp) Opt.Operating Current (Imp) 8.98 A Open Circuit Voltage (Voc) 38.6 V Short Circuit Current (Isc) 9.51 A Module Efficiency 17.33% 63

64 6.8 ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Το λογισμικό του Homer διαθέτει βιβλιοθήκη διαφόρων τύπων συσσωρευτών. Από τη λίστα αυτή επιλέχθηκαν οι μπαταρίες Hoppecke 10 OPzS 1000 της εταιρίας Hoppecke με κόστος αγοράς και συντήρησης 253 και 1.7 /χρόνο αντίστοιχα. Στις εικόνες 6.8 και 6.9 φαίνονται τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά και η χωρητικότητα σε συνάρτηση με το ρεύμα εκφόρτισης. Εικόνα 6.8: Χωρητικότητα μπαταρίας συναρτήσει του ρεύματος εκφόρτισης Εικόνα 6.9: Τεχνικά χαρακτηριστικά μπαταρίας 6.9 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Η Αμοργός από το 1980 ηλεκτροδοτείται από ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη (Η/Ζ) που λειτουργούν στον τοπικό σταθμό παραγωγής (ΤΣΠ), στα Κατάπολα κοντά στο κεντρικό λιμάνι του νησιού. Οι γεννήτριες ντίζελ που λειτουργούν είναι 5, τρεις Mitsubishi ονομαστικής ισχύος 1075 kw και δύο Cegielski ονομαστικής ισχύος 450 kw. Είναι προφανές οι στόχοι των συστημάτων αυτών θα επιτευχθούν μέσω του περιορισμού της λειτουργίας των γεννητριών αυτών σε έναν πιο βοηθητικό ρόλο. Στις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν δεν συμπεριλήφθηκε το κόστος αγοράς των μηχανών, διότι είναι ήδη εγκατεστημένες στο νησί, παρά μόνο το κόστος αντικατάστασης και συντήρησης (Mitsubishi: και 1.7 /ώρα λειτουργίας Cegielski: και 0.85 /ώρα λειτουργίας αντίστοιχα). 64

65 6.10 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Πριν παρουσιαστούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης θα πρέπει να σημειωθεί ότι το Homer εκφράζει τα οικονομικά μεγέθη σε δολάρια για αυτό και όλες οι εικόνες και τα γραφήματα περιλαμβάνουν το συγκεκριμένο νόμισμα. Στους σχολιασμούς των αποτελεσμάτων καθώς και στον πίνακα του 7 ου κεφαλαίου οι τιμές έχουν μετατραπεί σε ευρώ με ισοτιμία ευρώ-δολαρίου 1/ ΥΦΙΣΤΑΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στα μη διασυνδεδεμένα νησιά επιτυγχάνεται από συμβατικούς σταθμούς που χρησιμοποιούν κατά κύριο λόγο ντίζελ ή μαζούτ. Το κόστος παραγωγής ενέργειας είναι πολύ ακριβό σε αυτά τα νησιά εξαιτίας του υψηλού κόστους αγοράς και μεταφοράς του καυσίμου καθώς και του κόστους συντήρησης των μηχανών. Επίσης η χρήση πετρελαίου για την παραγωγή ενέργειας επιφέρει ρύπανση του περιβάλλοντος. Αυτά θα φανούν ξεκάθαρα παρακάτω Περιγραφή Κατά τη διάρκεια της ημέρας όπου υπάρχει ηλιοφάνεια τα φωτοβολταϊκά τροφοδοτούν το φορτίο. Φυσικά η ονομαστική ισχύς των φωτοβολταϊκών δεν είναι αρκετή ώστε να καλύψει πλήρως τις ανάγκες των καταναλωτών. Συνεπώς οι γεννήτριες λειτουργούν συνεχώς. Οι μηχανές παράγουν ενέργεια σε χαμηλή τάση η οποία μέσω μετασχηματιστών ανυψώνεται σε μέση τάση. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται μέσω των γραμμών μέσης τάσης και τελικά διανέμεται είτε απευθείας στους καταναλωτές μέσης τάσης είτε μέσω μετασχηματιστών υποβιβασμού στους καταναλωτές χαμηλής τάσης Προσομοίωση Το σύστημα αποτελείται από τις 5 γεννήτριες ντίζελ, τα φωτοβολταϊκά ονομαστικής ισχύος 294 kw, τους μετατροπείς και το φορτίο. Το κόστος του ντίζελ για το 2016 ανήλθε στα 0.7 /λίτρο. Εικόνα 6.10: Διαστασιολόγηση συστήματος 65

66 Εικόνα 6.11: Συμμετοχή συνιστωσών Εικόνα 6.12: Υφιστάμενο σύστημα Επειδή εξετάζουμε το υφιστάμενο σύστημα στο νησί δεν πραγματοποιείται καμία ανάλυση ευαισθησίας. Ουσιαστικά υπάρχει μόνο ένα βέλτιστο σύστημα. Στην εικόνα 6.12 φαίνεται η μέση μηνιαία ηλεκτρική παραγωγή. Εικόνα 6.13: Μέση μηνιαία παραγωγή ενέργειας 66

67 Είναι ευδιάκριτη η αυξημένη παραγωγή κατά τους καλοκαιρινούς μήνες όποτε και οι ανάγκες του νησιού λόγω τουρισμού βρίσκονται σε υψηλά επίπεδα. Η παραγωγή επιτυγχάνεται κατά 95% από τις γεννήτριες ντίζελ. Η συνολική ετήσια παραγόμενη ενέργεια είναι kwh. Φυσικά η χρήση καυσίμου ντίζελ έχει ως συνέπεια και υψηλή εκπομπή ρύπων η οποία φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 6.14: Εκπομπές ρύπων Οικονομικά στοιχεία Το συνολικό κόστος του συστήματος στο βάθος των 20 χρόνων της διάρκειας ζωής του ανέρχεται στα Το κόστος λειτουργίας και το κόστος παραγωγής της ενέργειας είναι /χρόνο και /kwh αντίστοιχα. Στην εικόνα 6.15 παρουσιάζονται όλα τα κόστη για κάθε συνιστώσα του συστήματος στη διάρκεια των 20 χρόνων. Όπως ήταν αναμενόμενο η αγορά καυσίμου αποτελεί συντριπτικό ποσοστό του συνολικού κόστους (99%). Γίνεται αντιληπτό λοιπόν πως η κατάσταση αυτή οδηγεί σε αναζήτηση εναλλακτικών συστημάτων με διείσδυση ανανεώσιμων πηγών και περιορισμό της χρήσης ορυκτών καυσίμων. Εικόνα 6.15: Κόστος ανά τύπο εξόδων 67

68 Εικόνα 6.16: Αναλυτικά τα κόστη όλων των συνιστωσών Εικόνα 6.17: Τα ετήσια κόστη του συστήματος ανά τύπο εξόδων Στόχος λοιπόν των παρακάτω συστημάτων που θα εξεταστούν είναι η μείωση του κόστους ενέργειας (LCOE) που επωμίζεται η ΔΕΗ για να καλύψει τις ανάγκες της Αμοργού καθώς και μείωση των παραγόμενων ρύπων. 68

69 ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL- ΕΠΕΚΤΑΣΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ Περιγραφή Σε αυτό το σύστημα εξετάζουμε κατά πόσο η αύξηση της ισχύος των φωτοβολταϊκών μπορεί να μειώσει τα μειονεκτήματα του υφιστάμενου συστήματος, δηλαδή το υψηλό κόστος ενέργειας και την παραγωγή ρύπων. Ουσιαστικά δεν υπάρχει κάποια διαφοροποίηση στη λειτουργία σε σχέση με το υπάρχον σύστημα παρά μόνο η μείωση της χρήσης των γεννητριών Προσομοίωση Παρακάτω φαίνονται η νέα διαστασιολόγηση του συστήματος καθώς και τα αποτελέσματα της παραγωγής. Εικόνα 6.18: Διαστασιολόγηση του συστήματος Εικόνα 6.19: Συμμετοχή συνιστωσών 69

70 Εικόνα 6.20: Μέση μηνιαία παραγωγή ενέργειας Από τα παραπάνω γραφήματα είναι ευδιάκριτες ορισμένες διαφορές σε σχέση με το υπάρχον σύστημα. Όπως ήταν αναμενόμενο η παραγωγή των φωτοβολταϊκών παρουσιάζει μεγάλη αύξηση και συνεισφέρει 38% ( kwh/χρόνο) στην κάλυψη του φορτίου. Συνέπεια αυτής της αύξησης είναι ο περιορισμός των γεννητριών. Η συνολική ετήσια παραγωγή για αυτό το σύστημα είναι kwh/χρόνο. Το φορτίο όμως ανέρχεται στις kwh/χρόνο που σημαίνει ότι παρουσιάζεται πλεόνασμα ενέργειας την οποία υπολογίζει το Homer και είναι η διαφορά των δύο παραπάνω τιμών kwh/χρόνο (8.77%). Το πλεόνασμα αυτό υποδεικνύει την ανάγκη για ύπαρξη κάποιου μέσου αποθήκευσης ενέργειας προκειμένου να μην σπαταλιέται αυτό το ποσό ενέργειας.. Τέτοια συστήματα παρουσιάζονται στη συνέχεια. Παρακάτω παρουσιάζονται και οι εκπομπές ρύπων Εικόνα 6.21: Εκπομπή ρύπων Παρατηρούμε ότι υπάρχει αισθητή μείωση στην εκπομπή του άνθρακα από kg/χρόνο σε kg/χρόνο (25%). 70

71 Οικονομικά στοιχεία Σημαντικές διαφορές σημειώνται και στα οικονομικά μεγέθη. Το συνολικό κόστος συστήματος στο βάθος της εικοσαετίας ανέρχεται στα ενώ το ετήσιο κόστος λειτουργίας και το κόστος ενέργειας είναι /χρόνο και /kwh αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές είναι σαφώς μειωμένες σε σχέση με το αρχικό σύστημα. Η πτώση αυτή οφείλεται στην αυξημένη χρήση των φωτοβολταϊκών. Το κόστος αγοράς καυσίμου εξακολουθεί να αποτελεί μεγάλο μέρος του συνολικού κόστους αλλά αισθητά μειωμένο ( 99% 80%). Παρατηρούμε ότι σημαντικό μέρος του συνολικού κόστους αποτελεί πλέον το κόστος αγοράς των φωτοβολταϊκών και των αντίστοιχων μετατροπέων (16%). Στις παρακάτω εικόνες παρουσιάζονται τα συνολικά και τα ετήσια κόστη με βάση τον τύπο των εξόδων (αγορά,αντικατάσταση, λειτουργία, καύσιμο) και στον πίνακα τα συνολικά κόστη για κάθε συνιστώσα στη διάρκεια των 20 χρόνων. Εικόνα 6.22: Κόστος ανά τύπο εξόδων Εικόνα 6.23: Αναλυτικά τα κόστη όλων των συνιστωσών 71

72 Εικόνα 6.24: Τα ετήσια κόστη του συστήματος ανά τύπο εξόδων ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Όπως έγινε αντιληπτό και από τη μελέτη του προηγούμενου συστήματος δημιουργείται η ανάγκη για χρήση ενός αποθηκευτικού μέσου προκειμένου να μην υπάρχει σπατάλη ενέργειας. Για να επιτευχθεί αυτό λοιπόν στο παρακάτω σύστημα θα εισαχθούν μπαταρίες οι οποίες θα εκμεταλλεύονται την περίσσεια ενέργειας αποθηκεύοντάς τη και παρέχοντάς τη ξανά στο σύστημα όταν είναι απαραίτητο Περιγραφή Τα φωτοβολταϊκά παρέχουν ενέργεια στο φορτίο μέσω των μετατροπέων. Όταν η παραγόμενη ενέργεια ξεπερνάει τις ανάγκες του φορτίου τότε η πλεονάζουσα ενέργεια αποθηκεύεται στις μπαταρίες μέχρι αυτές να φτάσουν σε ένα μέγιστο σημείο φόρτισης. Όταν η ζήτηση είναι υψηλή και τα φωτοβολταϊκά δεν επαρκούν για να την ικανοποιήσουν τότε οι μπαταρίες παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια. Αν τα φωτοβολταϊκά σε συνδυασμό με τις μπαταρίες δεν επαρκούν για να καλύψουν τη ζήτηση του φορτίου τότε θέτονται σε λειτουργία οι γεννήτριες ντίζελ. 72

73 Προσομοίωση Παρακάτω φαίνεται η αρχιτεκτονική του νέου συστήματος, η μέση μηνιαία παραγωγή και το ποσοστό συνεισφοράς κάθε συνιστώσας. Εικόνα 6.25: Διαστασιολόγηση συστήματος Εικόνα 6.26: Συμμετοχή συνιστωσών Εικόνα 6.27: Μέση μηνιαία παραγωγή ενέργειας 73

74 Παρατηρούμε ότι η βέλτιστη διαμόρφωση συστήματος που προέκυψε από το Homer περιλαμβάνει 5000 kw ονομαστική ισχύ φωτοβολταϊκών. Σε αυτό το σύστημα τα φωτοβολταϊκά συνεισφέρουν 73% στην κάλυψη του φορτίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα περεταίρω περιορισμό της λειτουργίας των γεννητριών κάτι το οποίο φαίνεται και από τα μειωμένα ποσοστά συνεισφοράς στην παραγωγή. Η συνολική ετήσια παραγόμενη ενέργεια αυτού του συστήματος είναι kwh/χρόνο.. Η ανεκμετάλλευτη ενέργεια πλέον είναι kwh/χρόνο πολύ μικρότερη σε σύγκριση με το σύστημα χωρίς συσσωρευτές ( kwh/χρόνο). Παρατηρούμε ότι με τη χρήση των μπαταριών καταφέραμε να εκμεταλλευθούμε μεγάλο ποσό της περίσσειας ενέργειας. Παρακάτω παρουσιάζεται η διακύμανση του επιπέδου φόρτισης (SOC: State Of Charge) για κάθε μήνα. Οι συσσωρευτές παραμένουν σε χαμηλά επίπεδα φόρτισης κατά τους καλοκαιρινούς μήνες λόγω αυξημένης ζήτησης όπως και για τους χειμερινούς μήνες όπου η ηλιοφάνεια διαρκεί για λιγότερες ώρες της ημέρας και η παραγόμενη ενέργεια των φωτοβολταϊκών δεν αρκεί για να φορτίσει τις μπαταρίες. Εικόνα 6.28: Διακύμανση της στάθμης φόρτισης ανά μήνα Παρακάτω παρατίθενται οι εκπομπές ρύπων του συστήματος. Παρατηρούμε μία σταδιακή μείωση στην εκπομπή άνθρακα όσο αυξάνεται η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Συγκριτικά με το υπάρχον σύστημα οι εκπομπές άνθρακα μειώθηκαν από kg/χρόνο σε kg/χρόνο (66%). Εικόνα 6.29: Εκπομπές ρύπων 74

75 Οικονομικά στοιχεία Το συνολικό κόστος στη διάρκεια ζωής του συστήματος ανέρχεται στα το οποίο είναι μειωμένο σε σύγκριση με τα προηγούμενα συστήματα που αναλύσαμε. Το κόστος λειτουργίας του συστήματος και το κόστος ενέργειας είναι /χρόνο και /kwh αντίστοιχα. Το κόστος καυσίμου πλέον αποτελεί το 38% (99% 78% 38%) του συνολικού κόστους συστήματος καθώς μειώθηκε η χρήση των γεννητριών σε σχέση με τα προηγούμενα συστήματα. Αυτό είναι αποτέλεσμα της αύξησης της ισχύος των φωτοβολταϊκών και της προσθήκης των μπαταριών. Το 45% ( $) του συνολικού κόστους οφείλεται στην αγορά των φωτοβολταϊκών, των μετατροπέων και των μπαταριών. Η στρατηγική που ακολουθήσαμε με την προσθήκη συστημάτων αποθήκευσης (συσσωρευτών) αποδεικνύεται σωστή καθώς το κόστος ενέργειας και οι παραγωγή ρύπων μειώθηκαν αισθητά. Εικόνα 6.30: Κόστος ανά τύπο εξόδων Εικόνα 6.31: Αναλυτικά τα κόστη όλων των συνιστωσών 75

76 Εικόνα 6.32: Τα ετήσια κόστη του συστήματος ανά τύπο εξόδων ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ Ως γνωστόν στη νησιωτική Ελλάδα παρατηρούνται υψηλές ταχύτητες ανέμου. Η τοποθεσία για την οποία πραγματοποιούμε τη μελέτη αυτών των συστημάτων είναι η Αμοργός η οποία ανήκει στο νησιωτικό σύμπλεγμα των Κυκλάδων. Για να εκμεταλλευτούμε, λοιπόν, το πλούσιο αιολικό δυναμικό του νησιού, στα δύο παρακάτω συστήματα θα εισάγουμε ανεμογεννήτριες και θα αναλύσουμε τα αποτελέσματα Περιγραφή Η ανεμογεννήτρια είναι η συνιστώσα που αναλαμβάνει να καλύψει το μεγαλύτερο μέρος της ζήτησης του φορτίου σε συνδυασμό με τα φωτοβολταϊκά. Οι ανανεώσιμες πηγές εξαρτώνται άμεσα από τις καιρικές συνθήκες και για αυτό είναι πιθανό η παραγόμενη ενέργεια από ανεμογεννήτρια και φωτοβολταϊκά να μην είναι αρκετή για να καλύψει το φορτίο. Σε αυτήν την περίπτωση θα εκκινούν ορισμένες από τις γεννήτριες ανάλογα με την ποσότητα της ισχύος που απαιτείται να συμπληρωθεί Προσομοίωση Οι μεταβλητές απόφασης που εισήχθησαν στο πρόγραμμα να εξετάσει είναι το πλήθος των ανεμογεννητριών (1,2,3) και το μέγεθος των φωτοβολταϊκών (293.5, 400,500,800 kw). Στις εικόνες 6.33,6.35 και 6.34 παρατίθενται η διαμόρφωση του συστήματος, η μέση μηνιαία παραγωγή και ο πίνακας με το ποσοστό συνεισφοράς της κάθε συνιστώσας. 76

77 Εικόνα 6.33: Διαστασιολόγηση συστήματος Εικόνα 6.34: Συμμετοχή συνιστωσών Εικόνα 6.35: Μέση μηνιαία παραγωγή ενέργειας 77

78 Το σύστημα περιλαμβάνει επέκταση των φωτοβολταϊκών και μία ανεμογεννήτρια. Η ανεμογεννήτρια συνεισφέρει κατά 62% στην παραγωγή ενέργειας με kwh/χρόνο ενώ η συνολική διείσδυση ΑΠΕ ανέρχεται στο 68% προσθέτοντας και την παραγωγή των φωτοβολταϊκών. Είναι εμφανής η μείωση της χρήσης των γεννητριών καθώς μόνο κατά τον μήνα Αύγουστο λειτουργούν για κάποιο διάστημα και οι πέντε. Γίνεται λοιπόν αντιληπτή η σημασία της εγκατάστασης ανεμογεννητριών με σκοπό την εκμετάλλευση του υψηλού αιολικού δυναμικού τέτοιων περιοχών. Η συνολική ετήσια παραγόμενη ενέργεια ανέρχεται στις kwh/χρόνο. Υπάρχει περίσσεια ενέργειας ( kwh/χρόνο) η οποία δεν εκμεταλλεύεται καθώς στο συγκεκριμένο σύστημα δεν έχει συμπεριληφθεί κάποιο μέσο αποθήκευσης ώστε να αξιοποιήσει αυτό το ποσό ενέργειας. Τέτοιο σύστημα θα μελετηθεί στη συνέχεια. Παρακάτω παρουσιάζεται και ο πίνακας των εκπομπών ρύπων. Οι εκπομπές άνθρακα εξακολουθούν να μειώνονται όσο αυξάνεται η διείσδυση των ΑΠΕ. Σε αυτό το σύστημα η παραγωγή άνθρακα ανήλθε στα kg/χρόνο μειωμένο κατά 52% σε σχέση με το υφιστάμενο σύστημα. Παρατηρούμε ότι αυτό το σύστημα παράγει περισσότερους ρύπους σε σχέση με το προηγούμενο σύστημα. Αυτό συμβαίνει διότι η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών στο σύστημα 3 είναι μεγαλύτερη από το σύστημα που εξετάζουμε εδώ. Το πλεονέκτημα όμως του συγκεκριμένου συστήματος όμως εντοπίζεται στο κόστος όπως φαίνεται και παρακάτω. Εικόνα 6.36: Εκπομπές ρύπων Οικονομικά στοιχεία Το συνολικό κόστος του συστήματος ανέρχεται στα αισθητή μείωση σε σχέση με το αρχικό σύστημα ( ). Το ετήσιο κόστος λειτουργίας ανήλθε στα /χρόνο ενώ το κόστος ενέργειας στα /kwh. Το συνολικό κόστος καυσίμου μειώθηκε στα από 20,855,523 (51% μείωση). Παρατηρούμε ότι το κόστος αγοράς της ανεμογεννήτριας είναι εξαιρετικά υψηλό και για αυτό μία υπερδιαστασιολόγηση του συστήματος δε θα ήταν καθόλου συμφέρουσα παρόλη την μεγάλη διείσδυση των ανανεώσιμων. 78

79 Εικόνα 6.37: Κόστος ανά τύπο εξόδων Εικόνα 6.38: Αναλυτικά τα κόστη όλων των συνιστωσών Εικόνα 6.39: Τα ετήσια κόστη του συστήματος ανά τύπο εξόδων 79

80 ΣΥΣΤΗΜΑ DIESEL-ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ-ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ-ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ Βασικό μειονέκτημα που προέκυψε από τη μελέτη του προηγούμενου συστήματος είναι η ανεκμετάλλευτη περίσσεια ενέργειας η οποία προκύπτει κυρίως από την παραγωγή της ανεμογεννήτριας. Προκειμένου να αξιοποιήσουμε αυτό το ποσό ενέργειας θα χρησιμοποιήσουμε ξανά συσσωρευτές οι οποίοι θα αποθηκεύουν ενέργεια σε διαστήματα χαμηλής ζήτησης και υψηλής παραγωγής και θα παρέχουν ενέργεια σε διαστήματα χαμηλής παραγωγής και υψηλής ζήτησης Περιγραφή Η ανεμογεννήτρια σε συνδυασμό με τα φωτοβολταϊκά παράγουν ισχύ ώστε να καλύψουν τη ζήτηση του φορτίου. Όταν η παραγωγή υπερκαλύπτει τη ζήτηση τότε η ενέργεια που περισσεύει φορτίζει τις μπαταρίες μέχρι το μέγιστο σημείο φόρτισής τους. Οι μπαταρίες με τη σειρά τους παρέχουν ενέργεια στο σύστημα όταν οι δύο ανανεώσιμες πηγές αδυνατούν να ικανοποιήσουν το φορτίο. Σε περίπτωση που οι προαναφερθέντες πηγές δεν είναι ικανές να τροφοδοτήσουν το φορτίο τότε εκκινούν τη λειτουργία τους οι γεννήτριες ντίζελ Προσομοίωση Οι μεταβλητές απόφασης που εισήχθησαν στο Homer αφορούσαν το πλήθος των ανεμογεννητριών (1,2), το μέγεθος των φωτοβολταϊκών (293.5, 800,900,1000,1200 kw) και το πλήθος των σειρών μπαταριών (400,500,600). Παρακάτω φαίνονται η διαμόρφωση του συστήματος, η μέση μηνιαία παραγωγή και ο πίνακας των ποσοστών συνεισφοράς της κάθε συνιστώσας. Εικόνα 6.40: Διαστασιολόγηση συστήματος 80

81 Εικόνα 6.41: Συμμετοχή συνιστωσών Εικόνα 6.42: Μέση μηνιαία παραγωγή ενέργειας Το σύστημα περιλαμβάνει μία ανεμογεννήτρια, 1000 kw φωτοβολταϊκών και 5000 μπαταρίες. Η συνολική παραγωγή από ΑΠΕ ανέρχεται στο 84% της συνολικής παραγωγής με kwh/χρόνο. Παρατηρούμε ότι επιτεύχθηκε η μεγαλύτερη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και συνεπώς ο μεγαλύτερος περιορισμός της λειτουργίας των ντιζελογεννητριών. Ειδικότερα κατά τους μήνες Απρίλιο, Μάιο σημειώνεται η ελάχιστη διάρκεια λειτουργίας των μηχανών καθώς τότε οι ταχύτητες ανέμου είναι υψηλές, η ηλιοφάνεια υψηλή και η ζήτηση σε ένα μέτριο προς χαμηλό επίπεδο. Η συνολική ετήσια παραγόμενη ενέργεια του συστήματος είναι ίση με kwh. Το πλεόνασμα ενέργειας τώρα είναι kWh/χρόνο (14.1%). Με τη χρήση συσσωρευτών καταφέραμε να εκμεταλλευτούμε ένα μέρος της περισσευούμενης ενέργειας όμως ακόμα και τώρα υπάρχει πλεόνασμα. Αυτό συμβαίνει διότι οι μπαταρίες φορτίζονται μέχρι το μέγιστο σημείο φόρτισής τους με αποτέλεσμα να μην εκμεταλλεύεται η επιπλέον ενέργεια που παράγεται από την ανεμογεννήτρια ή τα φωτοβολταϊκά.. Παρακάτω παρουσιάζεται το SOC των μπαταριών ανά μήνα. Παρατηρούμε ότι τους περισσότερους μήνες οι συσσωρευτές φορτίζονται μεταξύ 50% και 80% ενώ μόνο κατά το μήνα Αύγουστο φτάνουν το κατώτερο σημείο φόρτισης όποτε σημειώνεται και η μεγαλύτερη ζήτηση. Το μήνα Μάιο σημειώνεται η μεγαλύτερη στάθμη φόρτισης λόγω υψηλής παραγωγικότητας της ανεμογεννήτριας. 81

82 Εικόνα 6.43: Διακύμανση της στάθμης φόρτισης ανά μήνα Παρακάτω παρουσιάζεται και ο πίνακας εκπομπών ρύπων. Όπως ήταν αναμενόμενο η αυξημένη χρήση ΑΠΕ έχει ως αποτέλεσμα η εκπομπή άνθρακα να παρουσιάζει αξιοσημείωτη μείωση και πιο συγκεκριμένα 78% (από kg/χρόνο σε kg/χρόνο). Εικόνα 6.44: Εκπομπές ρύπων Οικονομικά στοιχεία Με την συγκεκριμένη διαμόρφωση συστήματος πετύχαμε το χαμηλότερο συνολικό κόστος το οποίο είναι ίσο με Την ελάχιστη τιμή λαμβάνει επίσης το ετήσιο κόστος λειτουργίας ( /χρόνο) όπως και το κόστος ενέργειας (0.103 /kwh). Η μεγάλη αυτή πτώση των τιμών οφείλεται προφανώς στο μεγάλο ποσοστό διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών (84%) και συνεπώς στη συντριπτική μείωση της χρήσης του καυσίμου ντίζελ. Στα παρακάτω σχήματα φαίνεται ότι τα κόστη αγοράς των φωτοβολταϊκών, της ανεμογεννήτριας, των μετατροπέων και των μπαταριών ( ) ξεπερνούν το κόστος αγοράς καυσίμου ( ). 82

83 Εικόνα 6.45: Κόστος ανά τύπο εξόδων Εικόνα 6.46: Αναλυτικά τα κόστη όλων των συνιστωσών Εικόνα 6.47: Τα ετήσια κόστη του συστήματος ανά τύπο εξόδων 83

84 84

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα συστήματα που προσομοιώθηκαν στο λογισμικό Homer είναι τα παρακάτω: 1. Υφιστάμενο σύστημα 2. Σύστημα Diesel με επέκταση φωτοβολταϊκών 3. Σύστημα Diesel - Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες 4. Σύστημα Diesel - Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτρια 5. Σύστημα Diesel - Φωτοβολταϊκά Ανεμογεννήτρια Μπαταρίες Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα πιο σημαντικά αποτελέσματα της προσομοίωσης του κάθε συστήματος. Υφιστάμενο σύστημα PV-Diesel PV-Diesel- Bat Wind-PV- Diesel Wind-PV- Diesel-Bat NPC ( ) κόστος ενέργειας ( /kwh) κόστος λειτουργίας ( /χρόνο) αρχικό κεφάλαιο ( ) κόστος καυσίμου ( ) ποσοστό 5% 38% 73% 68% 84% διείσδυσης ΑΠΕ Ρύποι (kg/χρόνο) Περίσσεια ενέργειας (kwh/χρόνο) Παραπάνω έχει σημειωθεί για κάθε παράμετρο ποιο σύστημα είναι πιο συμφέρον. Συμπεραίνουμε πως το σύστημα Ανεμογεννήτρια Diesel Φωτοβολταϊκά Μπαταρίες (5) είναι ο βέλτιστος οικονομικά συνδυασμός για εγκατάσταση υβριδικού συστήματος καθώς διαθέτει το μικρότερο συνολικό κόστος (NPC), κόστος ενέργειας, κόστος λειτουργίας και καυσίμου καθώς και το μεγαλύτερο ποσοστό διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αυτά έχουν ως αποτέλεσμα και τη χαμηλότερη εκπομπή ρύπων. Με την εγκατάσταση ανεμογεννητριών αξιοποιήθηκε το πλούσιο αιολικό δυναμικό της περιοχής και επιτεύχθηκε υψηλή παραγωγικότητα από ΑΠΕ. Το μόνο αρνητικό του συγκεκριμένου συστήματος είναι το σχετικά υψηλό αρχικό κεφάλαιο το οποίο πρέπει να διατεθεί για την αγορά του εξοπλισμού. Στο βάθος των 85

86 20 χρόνων όμως το συνολικό κόστος ανέρχεται στα ποσό το οποίο είναι εξαιρετικά μειωμένο σε σχέση με το υπάρχον σύστημα που προσπαθούμε να αντικαταστήσουμε. Τα δύο αμέσως επόμενα πιο συμφέροντα οικονομικά συστήματα είναι οι συνδυασμοί Ανεμογεννήτρια Φωτοβολταϊκά Diesel (4) και Φωτοβολταϊκά Diesel Μπαταρίες (3). Ο πρώτος συνδυασμός παρουσιάζει μικρότερο συνολικό κόστος, κόστος ενέργειας και αρχικό κεφάλαιο έναντι του δεύτερου. Το υψηλό κόστος του συστήματος 3 οφείλεται στην αγορά των επιπλέον φωτοβολταϊκών και στο υψηλό κόστος των μπαταριών. Επίσης, οι μπαταρίες θα χρειαστούν αντικατάσταση κατά τον 9 ο και 18 ο χρόνο λειτουργίας τους γεγονός που αυξάνει κατά πολύ το συνολικό κόστος του συστήματος. Από την άλλη, όμως, η εγκατάσταση συσσωρευτών στο σύστημα 3 επιτρέπει την εγκατάσταση περισσότερων φωτοβολταϊκών διότι παρέχεται η δυνατότητα αξιοποίησης της πλεονάζουσας ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά. Η αύξηση της ονομαστικής ισχύος των ανανεώσιμων (εδώ φωτοβολταϊκά) οδηγεί στον περιορισμό της χρήσης των γεννητριών, άρα και στην εκπομπή ρύπων. Πράγματι όπως φαίνεται και στον πίνακα το σύστημα 3 παράγει λιγότερους ρύπους σε σχέση με το σύστημα 4. Επιπλέον παρατηρούμε ότι το σύστημα 3 παρουσιάζει μεγαλύτερη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών σε σχέση με το σύστημα 4 (73% έναντι 68%). Τέλος ο συνδυασμός Φωτοβολταϊκά Diesel Μπαταρίες παρουσιάζει την ελάχιστη πλεονάζουσα ενέργεια σε σύγκριση με όλα τα υπόλοιπα συστήματα. Όσον αφορά τον συνδυασμό Diesel επέκταση φωτοβολταϊκών (2) παρουσιάζει σαφώς καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με το υπάρχον σύστημα. Σε σύγκριση, όμως, με τα υπόλοιπα συστήματα δεν καθίσταται συμφέρον. Αυτό συμβαίνει διότι ο συνδυασμός αυτός δεν περιλαμβάνει κάποιο αποθηκευτικό σύστημα που να αξιοποιεί την περισσευούμενη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά και να την παρέχει πάλι σε περιόδους υψηλής ζήτησης. Τα φωτοβολταϊκά παράγουν ενέργεια μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Για την εξυπηρέτηση της ζήτησης του φορτίου τις υπόλοιπες ώρες της ημέρας απαιτείται η λειτουργία των γεννητριών καυσίμου με αποτέλεσμα τα έξοδα για την αγορά καυσίμου να είναι υψηλά και ταυτόχρονα η εκπομπή ρύπων αυξημένη. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η χρήση γεννητριών καυσίμου ως βασική πηγή ενέργειας για την κάλυψη του φορτίου καθιστά τα συστήματα αυτά αντιοικονομικά. Μπορεί τα έξοδα αγοράς και εγκατάστασης των γεννητριών να μην είναι ιδιαίτερα υψηλά αλλά το κόστος αγοράς καυσίμου και το κόστος συντήρησης είναι αυτό που τις καθιστά μη συμφέρουσες λύσεις. Σε νησιωτικές περιοχές όπως είναι η Αμοργός υπάρχει έντονη ηλιοφάνεια και ταχύτατοι άνεμοι. Καταλαβαίνει λοιπόν κανείς πως προκειμένου να εξαλειφθούν τα μειονεκτήματα των συμβατικών σταθμών παραγωγής ενέργειας επιβάλλεται να αξιοποιηθούν οι ανανεώσιμες πηγές. Αυτό επιτυγχάνεται με την εγκατάσταση και 86

87 λειτουργία φωτοβολταϊκών και ανεμογεννητριών. Από τη μελέτη που πραγματοποιήσαμε διαπιστώσαμε ότι όσο αυξανόταν η ισχύς των φωτοβολταϊκών και ειδικότερα των ανεμογεννητριών τόσο καλύτερα αποτελέσματα λαμβάναμε. Ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δοθεί στην αιολική ενέργεια καθώς στις νησιωτικές περιοχές και συγκεκριμένα στην Αμοργό παρατηρούνται ταχύτατοι άνεμοι (8 m/s). Εικόνα 7.1: Το συνολικό καθαρό κόστος κάθε συστήματος 87

88 Εικόνα 7.2: Το κόστος ενέργειας ανά kwh κάθε συστήματος Επίσης παρατηρούμε ότι τα συστήματα τα οποία χρησιμοποιούν αποθηκευτικά μέσα παρουσιάζουν ορισμένα πλεονεκτήματα. Τα δύο συστήματα που περιλαμβάνουν μπαταρίες παρουσιάζουν τα μεγαλύτερα ποσοστά διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Το γεγονός ότι οι μπαταρίες αξιοποιούν την πλεονάζουσα ενέργεια δίνει τη δυνατότητα στο διαχειριστή του συστήματος να επεκτείνει την ισχύ των ΑΠΕ χωρίς να είναι οικονομικά ασύμφορη η επέκταση αυτή. Τέλος, από τη μελέτη προκύπτει ότι τα συστήματα αυτά παράγουν και τους λιγότερους ρύπους σε σχέση με τους υπόλοιπους συνδυασμούς. 88

89 Εικόνα 7.3: Οι εκπομπές ρύπων κάθε συστήματος 89