ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ Διπλωµατική Εργασία Της φοιτήτριας του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Στυλιανής-Ιωάννας Καµπεζίδου Με Αριθµό Μητρώου του Τµήµατος: 7001 Θέµα: «Σχεδίαση Μη Γραµµικών Προσαρµοστικών Ελεγκτών για Επιµέρους Συστήµατα Μικροδικτύου µε Ελεγχόµενους Μετατροπείς Ισχύος» Επιβλέπων Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Αριθµός Διπλωµατικής Εργασίας:... Πάτρα, Ιούλιος 2013.

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται οτι η Διπλωµατική Εργασία µε Θέµα: «Σχεδίαση Μη Γραµµικών Προσαρµοστικών Ελεγκτών για Επιµέρους Συστήµατα Μικροδικτύου µε Ελεγχόµενους Μετατροπείς Ισχύος» Της φοιτήτριας του Τµήµατος Ηλεκτρολογων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Στυλιανής-Ιωάννας Καµπεζίδου Με Αριθµό Μητρώου του Τµήµατος: 7001 Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις: 01 / 07 / 2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τοµέα Αντώνιος Θ. Αλεξανδρίδης Καθηγητής Κούσουλας Νικόλαος Καθηγητής 3

4 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ 5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 6 ABSTRACT 7 Κεφάλαιο 1 Κατανεµηµένη παραγωγή - µικροδίκτυα Ενεργειακό πρόβληµα Κατανεµηµένη Παραγωγή Μικροδίκτυα Νησιδοποίηση 37 Κεφάλαιο 2 Θεωρία µη γραµµικών συστηµάτων Εισαγωγή Βασικές γνώσεις µη γραµµικού ελέγχου Τεχνική σχεδίαση Ι&Ι 52 Κεφάλαιο 3 Ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος Ο µετατροπέας τύπου AC-DC TCSC Ο µετατροπέας τύπου DC-DC BOOST 80 Κεφάλαιο 4 Η τριφασική ασύγχρονη µηχανή Η τριφασική ασύγχρονη µηχανή 95 Κεφάλαιο 5 Προσοµοιώσεις Εισαγωγή Προσοµοίωση του TCSC µε το SIMULINK Προσοµοίωση του BOOST µε το SIMULINK Προσοµοίωση της ασύγχρονης τριφ µηχανής µε το SIMULINK 141 Κεφάλαιο 6 Συµπεράσµατα 167 Ορισµοί 170 Γενική βιβλιογραφία 171 5

6 6

7 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Στη διεξαγωγή και στη συγγραφή αυτής της διπλωµατικής εργασίας καταλυτικό ρόλο έπαιξαν κάποια πρόσωπα τα οποία και επιθυµώ να ευχαριστήσω από τα βάθη της καρδιάς µου. Αρχικά, νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω θερµά τον επιβλέποντα καθηγητή µου κ. Αντώνιο Αλεξανδρίδη για την πολύτιµη βοήθεια του και την υπόµονη του. Οι απεριόριστες γνώσεις του και η σπάνια ιδιοσυγκρασία του αποτέλεσαν για µένα κίνητρο για εντατικότερη µελέτη. Δεν θα µπορούσα ό µως να αµελήσω την αµέριστη συµπαράσταση και κατανόηση που µου έδειξε σε θέµατα όχι µόνο ακαδηµαϊκά αλλά και προσωπικά. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους διδακτορικούς φοιτητές Άγγελο Ανδρουλιδάκη, Μιχάλη Μπουρδούλη και Γιάννη Μαγγανά για την την προθυµότητα και την υποστήριξη τους. Τέλος, οφείλω ένα µεγάλο ευχαριστώ στην οικογένεια µου και σε όσους ανθρώπους µε έχουν στηρίξει όλο αυτό το διάστηµα που τους είχα πολύ ανάγκη. 7

8 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το ενεργειακό πρόβληµα αποτελεί έ να από τα πιο πολυσηζητηµένα θέµατα της ανθρωπότητας που απασχολεί και θα συνεχίσει να απασχολεί τον πλανήτη µας για τις επόµενες δεκαετίες. Μια λύση στο πρόβληµα της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η εγκατάσταση και λειτουργία µικροδικτύων είτε σε οικιακή κλίµακα είτε σε επίπεδο εθνικού δικτύου ή ακόµα και σε επίπεδο µιας ολόκληρης ηπείρου. Για την επιτυχή και ευσταθή λειτουργία τέτοιων συστηµάτων, κρίνεται απαραίτητος ο έλεγχος των επιµέρους στοιχείων τους ξεχωριστά. Στην παρούσα διπλωµατική εργασία µοντελοποιήθηκαν και ελέγθηκαν δύο ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος, ο TCSC και ο BOOST, καθώς και η τριφασική ασύγχρονη µηχανή βραχυχκυκλωµένου κλωβού, κυρίαρχα στοιχεία ενός µικροδικτύου. Τα καταστατικά µοντέλα ό µως, τόσο των µετατροπέων ισχύος όσο και της µηχανής περιγράφονται από µη γραµµικές διαφορικές εξισώσεις και συνεπώς ο έλεγχος τους δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση. Συγκεκριµένα, χρησιµοποιήθηκαν µοντέρνες τεχνικές µη γραµµικού και προσαρµοστικού ελέγχου προκειµένου να ελεγχθούν τα συστήµατα αυτά και να εξασφαλιστεί κάθε φορά η ευστάθεια του σ υστήµατος στη µόνιµη κατάσταση λειτουργίας. Για τους µετατροπείς TCSC και BOOST σχεδιάστηκαν απευθείας οι µη γραµµικοί - προσαρµοστικοί ελεγκτές ενώ για την τριφασική ασύγχρονη µηχανή εφαρµόστηκε πρώτα έµµεσος διανυσµατικός έλεγχος στο στατό πλαίσιο αναφοράς και στη συνέχεια σχεδιάστηκαν οι ελεγκτές και οι εκτιµητές της ροής, της ροπής και της αντίστασης. Τέλος όλα τα συστήµατα προσοµοιώθηκαν µε τη χρήση του εργαλείου Simulink του Matlab και εξήχθησαν τα συµπεράσµατα. 8

9 ABSTRACT The energy problem is one of the most spoken issues of humanity that concerns and will continue to concern our planet for decades to come. One solution to the electrical energy problem is the installation and operation of microgrids either at household level or at the level of a national network or even at the level of an entire continent. For successful and stable operation of such systems, it is necessary to test their components separately. In this Thesis there have been modeled and tested two electronic power converters, the TCSC and BOOST, and the three-phase asynchronous machine of shortcircuited cage, dominant elements of a microgrid. The constitutive models, however, both the power converters and the machine are described by nonlinear differential equations and, therefore, their control is not at all easy. Specifically, modern techniques of nonlinear and adaptive control were used in order to check these systems so that the stability of the system in the steady state be ensured. For the inverters TCSC and BOOST the nonlinear - adaptive controllers were designed directly, while for the three-phase asynchronous machine there was applied firstly the indirect vector control in the stationary frame of reference and then the controllers and the flow, torque and resistance estimators were designed. Finally, all the systems were simulated using the Matlab Simulink tool and conclusions were drawn. 9

10 Στη µνήµη της µητέρας µου Βασιλικής και σε όλους όσους αγαπώ 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Κατανεµηµένη παραγωγή - µικροδίκτυα 11

12 1.1. Το ενεργειακό πρόβληµα Το ενεργειακό πρόβληµα συνειδητοποιήθηκε όταν εµφανίστηκε η ενεργειακή κρίση του Η συνειδητοποίηση του προβλήµατος ήταν αποτέλεσµα: του περιορισµού άντλησης και συνεπώς των ποσοτήτων διάθεσης αργού πετρελαίου, του µονοµερή καθορισµού τιµών από τον ΟΠΕΚ, της επακόλουθης αύξησης της τιµής του (τετραπλασιασµός της τιµής σε σχέση µε αυτή του 2007), της απόφασης του ΟΠΕΚ για εθνικοποιήσεις κοιτασµάτων αργού πετρελαίου. Οι παράγοντες που τροφοδοτούν το ενεργειακό πρόβληµα είναι: οι ποσότητες των συµβατικών ενεργειακών πηγών αργά ή γρήγορα θα εξαντληθούν, η αβεβαιότητα της επάρκειας της παραγωγής και της σταθερότητας στην τροφοδοσία µε καύσιµα, µε σκοπό την διατήρηση των αποθεµάτων και παράλληλα την αύξηση των τιµών, πολιτικά και µη γεγονότα αλλά και αστάθµητοι παράγοντες επηρεάζουν και ανεβάζουν τις τιµές. Με λίγα λόγια, η ουσία του ενεργειακού προβλήµατος βρίσκεται στην συσχέτιση των ενεργειακών αποθεµάτων, που διαρκώς µειώνονται, µε τις απαιτήσεις για κατανάλωση ενέργειας, που διαρκώς αυξάνονται. Πίνακας 1.1. Αποθέµατα ορυκτών καυσίµων (x1012 kwh). Πηγή: British Petroleum, World Oil. Είδος Β. Αµερική Κ.&Ν. Αµερική Δ. Ευρώπη Α. Ευρώπη Σύνολο Πετρέλαιο Φυσικό αέριο Άνθρακας Σύνολο Πίνακας 1.2. Κατανάλωση ενέργειας το 1991 (x1012 kwh). Πηγή: Bisio & Boots (1995). Είδος Β. Αµερική Κ.&Ν. Αµερική Δ. Ευρώπη Α. Ευρώπη Σύνολο Πετρέλαιο 11,39 2,19 8,24 5,68 27,76 Φυσικό 6,83 0,68 3,41 7,68 18,6 Άνθρακας 5,88 0,2 3,81 5,63 15,52 Σύνολο 24,36 3,07 15,46 18,99 61,88 12

13 Με βάση τους Πίνακες 1.1 και 1.2 παράγονται οι παρακάτω συγκεντρωτικοί Πίνακες 1.3 και 1.4. Πίνακας 1.3. Συγκεντρωτικός πίνακας ενεργειακών αποθεµάτων. Είδος Β. Αµερική Κ.&Ν. Αµερική Δ. Ευρώπη Α. Ευρώπη Σύνολο Αποθέµατα ενέργειας ανά περιοχή (x1012 kwh) Αποθέµατα ενέργειας ανά περιοχή (%) 34 (=2059/6057) 4,1 13,5 48,4 100 Είδος Κατανάλωση ενέργειας ανά περιοχή (x1012 kwh) Κατανάλωση ενέργειας ανά περιοχή (%) Πίνακας 1.4. Συγκεντρωτικός πίνακας κατανάλωσης ενέργειας. Κ.&Ν. Β. Αµερική Δ. Ευρώπη Α. Ευρώπη Σύνολο Αµερική 24,36 3,07 15,46 18,99 61,88 39,4 (=24,36/61,88) ,6 100 Από τους παραπάνω πίνακες παρατηρούµε ότι η συνολική ενέργεια που καταναλώνεται ανά έτος στην Ευρώπη και Αµερική είναι: 61,88 / 6057 = 0,0102 = 1,02% στο σύνολο των αποθεµάτων, ενώ η Β. Αµερική κατέχει το 34% των αποθεµάτων, καταναλώνει ανά έτος το 39,4% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας, η Δ. Ευρώπη, ενώ κατέχει το 13,5 % των αποθεµάτων, καταναλώνει το 25% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας η Κ. και Ν. Αµερική καταναλώνει περίπου το ίδιο ποσοστό σε σχέση µε τα αποθέµατά της αντιθέτως η Α. Ευρώπη, ενώ κατέχει το 48,4 των αποθεµάτων, καταναλώνει ανά έτος µόνο το 30,6% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Από τα παραπάνω συµπεραίνεται ότι η Α. Ευρώπη είναι ενεργειακά αυτοδύναµη µε δυνατότητες ενεργειακής ανάπτυξης, ενώ η Β. Αµερική και ειδικά η Δ. Ευρώπη έχουν µεγάλη εξάρτηση από τις παραγωγούς χώρες. Αυτό σηµαίνει ότι θα πρέπει να αναπτύξουν νέες µορφές ενέργειας, ώστε να γίνουν ενεργειακά αυτοδύναµες ή τουλάχιστον λιγότερο εξαρτώµενες. Πάντως η ενεργειακή κατανάλωση αυξάνεται συνεχώς σε παγκόσµια κλίµακα, πράγµα π ου επισύρει την όλο και µεγαλύτερη παραγωγή ποσών της. Το 78% της 13

14 προέρχεται από ορυκτά καύσιµα, το 10% από Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) και 6% από πυρηνική ενέργεια. Η µεγάλη χρήση των ορυκτών καυσίµων, συνδεδεµένη πλέον µε την αύξηση των θερµοκηπιακών αερίων (και δη του CO 2 ) στην ατµόσφαιρα, µε αποτέλεσµα τις γνωστές επιπτώσεις τους στο παγκόσµιο κλίµα (πλανητική ή κλιµατική µεταβολή), είναι επιβεβληµένο να µειωθεί µε την αύξηση διείσδυσης των ΑΠΕ στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστηµα κάθε χώρας. Όσον αφορά στην Ελλάδα, τα κύρια ενεργειακά προβλήµατά της σχετίζονται άµεσα µε το λανθασµένο ενεργειακό µοντέλο που εφαρµόζεται. Η χώρα µας χαρακτηρίζεται από υψηλή ενεργειακή ένταση (παραγόµενες kwh ανά µονάδα ΑΕΠ), υψηλή εξάρτηση από πετρέλαιο και λιγνίτη, που αποτελούν τα πλέον ρυπογόνα καύσιµα, και άσκοπη κατανάλωση ενέργειας στον οικιακό και τριτογενή τοµέα. Για την αντιµετώπιση του ενεργειακού προβλήµατος πρέπει να ληφθούν µέτρα που θα στηρίζονται στους εξής άξονες: 1. αποδοτικότερη χρήση της ενέργειας 2. διαχωρισµός ενέργειας - οικονοµικής ανάπτυξης 3. στην αύξηση της ωφέλιµης ενέργειας σε σχέση µε την καταναλισκόµενη 4. στην µείωση της κατανάλωσης 5. στην υποκατάσταση των συµβατικών ενεργειακών πηγών µε ΑΠΕ και εξασφάλιση των προϋποθέσεων (οικονοµική ανάπτυξη, νοµισµατική σταθερότητα, ορθός καταµερισµός του πλούτου, σταθερότητα τροφοδοσίας ενέργειας) µιας µακροχρόνιας στρατηγικής επιτυχούς εκµετάλλευσης των ΑΠΕ. Η πιο καθαρή και φθηνή µορφή ενέργειας είναι αυτή που εξοικονοµούµε κάνοντας σωστή χρήση της τεχνολογίας καλύπτοντας τις πραγµατικές µας ανάγκες χωρίς υπερβολές και σπατάλες. Αυτό προϋποθέτει ευαισθητοποίηση των καταναλωτών µε σκοπό την αλλαγή στάσεων και συµπεριφορών, όχι µόνο σε προσωπικό επίπεδο, αλλά και σε επίπεδο παραγωγής, αξιοποιώντας παράλληλα και τη σύγχρονη τεχνολογία. Επίσης θα πρέπει να υιοθετηθούν: σχέδια προστασίας των σηµαντικών οικοσυστηµάτων της χώρας, αλλαγές στις γεωργικές καλλιέργειες, διαχειριστικά σχέδια των υδάτινων πόρων, µέτρα εξοικονόµησης ενέργειας για ψύξη-θέρµανση, προώθηση καινοτόµων καθαρών τεχνολογιών, δηµιουργία υποδοµών για την αντιµετώπιση ακραίων καιρικών φαινοµένων, συστήµατα επίβλεψης των δασών ανά την επικράτεια, δράσεις καταπολέµησης της ερηµοποίησης, εκστρατείες ευαισθητοποίησης της ελληνικής κοινωνίας. Γενικότερα, θα πρέπει να ληφθούν πολιτικά µέτρα προώθησης των ΑΠΕ και εξοικονόµησης ενέργειας, να εξορθολογιστεί η πολιτική των µεταφορών στη χώρα µας, να καταρτιστεί µια στιβαρή και φιλόδοξη ενεργειακή πολιτική, διότι διαφορετικά η Ελλάδα θα µείνει ουραγός στις εξελίξεις. 14

15 1.2. Κατανεµηµένη Παραγωγή Ως Κατανεµηµένη Παραγωγή (ΚΠ) ορίζεται συνήθως η παραγωγή ενέργειας µικρής κλίµακας κοντά στο φορτίο (στα αγγλικά εµφανίζονται οι όροι distributed generation, embedded generation, dispersed generation, decentralized generation). Μέχρι σήµερα δεν έχει δοθεί ένας σαφής ορισµός, είτε βιβλιογραφικά είτε νοµοθετικά. Οι Dondi et al. (2002) και ο Chambers (2001) αναφέρουν ορισµούς που καθορίζονται τόσο από την παραγόµενη ισχύ όσο και τον τρόπο σύνδεσης στην πλευρά τ ων καταναλωτών (ΙΕΑ 2002). Οι Pepermans et al. (2003) ορίζουν ως ΚΠ την πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που είναι απευθείας συνδεδεµένη στο δίκτυο διανοµής ή τη θέση κατανάλωσης. Για έναν ενιαίο ορισµό ΚΠ υπάρχουν διάφορα αντικείµενα συζήτησης που πρέπει περαιτέρω να αναλυθούν. Αυτά µπορεί να είναι ο σκοπός της παραγωγής, η τοποθεσία, το φορτίο λειτουργίας, η περιοχή διανοµής, η χρησιµοποιούµενη τεχνολογία, οι επιπτώσεις στο περιβάλλον, ο τρόπος λειτουργίας, το ιδιοκτησιακό καθεστώς και το ποσοστό διείσδυσης της ΚΠ (Ackermann et al. 2001). Οι κυριότερες τεχνολογίες που απαρτίζουν την ΚΠ είναι οι του Πίνακα 1.5. Πίνακας 1.5. Τυπικές τεχνολογίες ΚΠ (Duffie and Beckman 1991, IEA 2002α, Linden). Τεχνολογία Τυπικό διαθέσιµο µέγεθος ανά µονάδα Αεροστρόβιλος συνδυασµένου κύκλου MW Μηχανές εσωτερικής καύσης 5 kw-10 MW Στρόβιλος καύσης MW Μικρο-στρόβιλοι 35 kw-1 MW ΑΠΕ Μικρό υδροηλεκτρικό MW Μικρο-υδροηλεκτρικό 25 kw-1 MW Αιολική 200 Watt-3 MW Φωτοβολταϊκή 20 Watt-100 kw Ηλιοθερµική, κεντρικός δέκτης 1-10 MW Ηλιοθερµική, σύστηµα Lutz MW Βιοµάζα 100kW-20 MW Ενεργειακές κυψέλες, phosacid 200 kw-2 MW Ενεργειακές κυψέλες, molten carbonate 250 kw-2 MW Ενεργειακές κυψέλες, proton exchange 1 kw-250 kw Ενεργειακές κυψέλες, solid oxide 250 kw-5 MW Γεωθερµική MW Θαλάσσια ενέργεια 100 kw-1 MW Μηχανή Stirling 2-10 kw Αποθήκευση συσσωρευτών 500 kw-5 MW 15

16 Σκοπός της ΚΠ είναι η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας µέσα σε ένα σύστηµα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούµενου εκ συνόλου µικρών πηγών ενέργειας. Κατ αυτόν τον τρόπο, επιδιώκεται η παραγωγή ηλεκτρικής ενεργού ισχύος χωρίς την επιβολή παραγωγής ηλεκτρικής άεργου ισχύος. Πρόκειται, δηλαδή, για λειτουργία µικρών, συµπαγών και καθαρών µονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος κοντά στην κατανάλωση. Η ΚΠ ξεκίνησε ως µέθοδος τη στιγµή εµφάνισης της παραγωγής και εκµετάλλευσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλη κλίµακα. Στην αρχή, η ΚΠ ήταν ο κανόνας. Τούτο διότι τα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκονταν κοντά στα φορτία η λεκτρικής κατανάλωσης µιας και τα ηλεκτρικά δίκτυα ήταν δίκτυα συνεχούς ρεύµατος, έχοντας µεγάλες απώλειες ισχύος µε την απόσταση. Για το λόγο αυτό, χρησιµοποιούνταν συσσωρευτές ως µέσο αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας για τη διάθεσή σε περιόδους αιχµής. Με την εφαρµογή του εναλλασσόµενου ρεύµατος, συστήµατος µικρών σχετικά απωλειών έναντι εκείνων του συνεχούς και µεταφορά του σε µεγάλες αποστάσεις, δηµιουργήθηκαν µεγάλοι σταθµοί παραγωγής, οι οποίοι απαίτησαν την υιοθέτηση της Κεντρικής Παραγωγής. Αν κ αι η ΚΠ είχε εγκαταλειφτεί ως έννοια µε την εµφάνιση του εναλλασσόµενου ρεύµατος, την τελευταία δεκαετία έκανε πάλι την εµφάνισή της λόγω της χρησιµότητάς της. Έτσι, άρχισαν να εξετάζονται πάλι τρόποι εφαρµογής της στα σύγχρονα ηλεκτρικά δίκτυα. Οι λόγοι που την επέβαλαν είναι: αυξηµένη απαίτηση για ηλεκτρική ενέργεια υψηλής αξιοπιστίας ανάπτυξη τεχνολογιών κατανεµηµένης παραγωγής περιορισµοί στην κατασκευή των γραµµών µεταφοράς απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η εφαρµογή της ΚΠ γίνεται προς το παρόν σε µικρή κλίµακα λόγω οικονοµικών και τεχνικών κυρίως θεµάτων, τα οποία, ό µως, δύνανται να αντιµετωπιστούν µε κατάλληλο σχεδιασµό. Στην ΚΠ θέση έχουν σήµερα και οι ΑΠΕ, µορφές δηλαδή ενέργειας που προέρχονται από φυσικές διεργασίες (αιολική, ηλιακή, γεωθερµική, θαλάσσια, υδροηλεκτρική ενέργεια και ενέργεια από την καύση βιοµάζας). Κύριο χαρακτηριστικό των µορφών αυτών ενέργειας είναι η συνεχής ανανέωσή τους, η µη εξάντλησή τους. Σε παγκόσµιο επίπεδο η εκµετάλλευση των ΑΠΕ είναι σχετικά µικρή, γύρω στο 7%. Η ΕΕ έχει θέσει παρ όλα αυτά το στόχο 20:20:20, ήτοι το 2020 το 20% της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας στις χώρες της ΕΕ να προέρχεται από ΑΠΕ µε σύγχρονη µείωση των εκποµπών των θερµοκηπιακών αερίων κατά 20% και αύξηση κατά 20% της ενεργειακής απόδοσης Περιγραφή των ΑΠΕ Μια σύντοµη περιγραφή των διαφόρων µορφών ΑΠΕ είναι η εξής. Αιολική ενέργεια. Ονοµάζεται η ενέργεια που παράγεται από τον άνεµο. Η µετατροπή της κινητικής ενέργειας του ανέµου σε ηλεκτρική επιτυγχάνεται µέσω των αιολικών µηχανών ή ανεµογεννητριών. Η αιολική ενέργεια χρησιµοποιήθηκε παλιότερα στην άντληση νερού από πηγάδια καθώς και σε µηχανικές εφαρµογές (π.χ. ανεµόµυλους). Έχει αρχίσει να χρησιµοποιείται ευρέως στην ηλεκτροπαραγωγή. Οι ανεµογεννήτριες διακρίνονται στις οριζ όντιου και κάθετου άξονα. Το Σχήµα 1.1 παρουσιάζει αυτά τα είδη. 16

17 Σχήµα 1.1. Ανεµογεννήτριες οριζόντιου (αριστερά) και κάθετου άξονα ή τύπου Darhius (δεξιά). Πηγή: εικόνες από το διαδίκτυο. Οι ανεµογεννήτριες αρχίζουν να λειτουργούν σε ταχύτητες ανέµου 5-6 m/s, ενώ αγγίζουν τη µέγιστη απόδοσή τους σε ταχύτητες m/s. Σε µεγαλύτερες ταχύτητες ανέµου, ο ελεγκτικός µηχανισµός της ανεµογεννήτριας τροχοπεδεί την παραγωγή για να αποφευχθούν ζηµιές ή καταστροφή της ανεµογεννήτριας (Tresher and Dodge 1998). Τούτο καταδεικνύεται στο διάγραµµα του Σχήµατος 1.2, όπου η µέγιστη παραγωγή διατηρείται σταθερή για ταχύτητες ανέµου µεγαλύτερες των 17 m/s. Σχήµα 1.2. Τυπική καµπύλη παραγωγής ισχύος ανεµογεννήτριας οριζόντιου άξονα. Πηγή: Βαγρόπουλος (2010). Το Σχήµα 1.3 δείχνει την τοµή του συστήµατος παραγωγής µια οριζόντιου άξονα ανεµογεννήτριας. 17

18 Σχήµα 1.3. Τοµή του συστήµατος ηλεκτροπαραγωγής µιας οριζόντιου άξονα ανεµογεννήτριας: 1 πτερύγια, 2 ρότορας, 3 κλίση πτερύγων, 4 φρένο, 5 άξονας χαµηλής ταχύτητας, 6 κιβώτιο ταχυτήτων, 7 γεννήτρια, 8 ελεγκτής, 9 ανεµόµετρο, 10 ανεµοδείκτης, 11 θάλαµος, 12 άξονας υψηλής ταχύτητας, 13 γρανάζια, 14 κινητήρας, 15 πύργος (στήριξης). Πηγή : Η παραγόµενη από την ανεµογεννήτρια ηλεκτρική ενέργεια, P, υπολογίζεται από τη σχέση (Sarkar and Behera 2012): P = 1 2 n m n e ρc p Av3 (1.1) όπου n m ο συντελεστής απόδοσης του µηχανικού µέρους της ανεµογεννήτριας (0,7-0,8), n e ο βαθµός απόδοσης της ηλεκτροµηχανικής µετατροπής ( 0,9), ρ η πυκνότητα του αέρα ( 1,3 kg/m 3 ), C p ο αεροδυναµικός συντελεστής ισχύος ( 0,3-0,4), A η επιφάνεια των πτερύγων (Α=πR 3, R η ακτίνα των πτερύγων), v η ταχύτητα του ανέµου (m/s). Ο αεροδυναµικός συντελεστής δεν δύναται να λάβει τιµή µεγαλύτερη του 0,593 (όριο Betz) και εξαρτάται από δυο παράγοντες, το λόγο, λ, της ταχύτητας των άκρων των πτερύγων προς την ταχύτητα του ανέµου και την κλίση των πτερύγων, β ( ο ). λ = 2ωπ R / v (1.2) όπου ω η περιστροφική ταχύτητα των πτερυγίων (περιστροφές/s). Ο υπολογισµός της ταχύτητας του ανέµου, v z, στο ύψος z του άξονα της ανεµογεννήτριας δίδεται από τη λογαριθµική σχέση (Oke 1987): v z = u * κ ln( z d z 0 ) (1.3) όπου u * η ταχύτητα τριβής (m/s), z 0 η επιφανειακή τραχύτητα (m), d η µετατόπιση µηδενικού επιπέδου (m) και κ η σταθερά Von Karman ( 0,41). Το d είναι το ύψος υπεράνω του εδάφους στο οποίο επισυµβαίνει µηδενική ταχύτητα ανέµου ως 18

19 αποτέλεσµα τριβής του ανέµου µε τα εµπόδια (δένδρα, κτίρια). Προσεγγιστικά είναι τα 2/3 του µέσου ύψους των εµποδίων. Η τραχύτητα του εδάφους είναι ένα µέτρο της τραχύτητας του εδάφους που «αισθάνεται» ο άνεµος κατά τη ροή του πάνω από την επιφάνεια. Τυπικές τιµές για α νοικτές υδάτινες επιφάνειες 0,0002 m, για ανοικτά χωράφια µε γρασίδι 0,03 m, για χωράφια µε σπαρτά 0,1-0,25 m και σε θαµνώδη ή δασώδη έκταση 0,5-1 m. Η καµπύλη της παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος από µια ανεµογεννήτρια ως προς την ταχύτητα του ανέµου δίδεται στο Σχήµα 1.4. Σχήµα 1.4. Τυπικό διάγραµµα παραγόµενης ηλεκτρικής ισχύος από ανεµογεννήτρια ως προς την ταχύτητα του ανέµου. Ταχύτητα ανέµου για έναρξη λειτουργίας της ανεµογεννήτριας τα 3,5 m/s (cut-in speed), ταχύτητα ανέµου για κανονική λειτουργία (rated output speed) στην περιοχή m/s και ταχύτητα ανέµου για διακοπή λειτουργίας της ανεµογεννήτριας (cutout speed) τα 25 m/s. Πηγή: Επειδή η ταχύτητα του ανέµου είναι µέγεθος στοχαστικό (µεταβάλλεται συνεχώς στο χρόνο και τον τόπο), κάθε ανεµογεννήτρια δέχεται διαφορετικές τιµές ταχύτητας (ακόµη και ριπές) σε µικρά χρονικά διαστήµατα. Αυτό έχει ως συνέπεια όχι µόνον τη µηχανική καταπόνηση της αιολικής µηχανής, αλλά και µεγάλες διακυµάνσεις στην παραγόµενη ηλεκτρική ισχύ. Για την αποφυγή των δεύτερων συνεπειών γίνεται χρήση γεννητριών µεταβαλλόµενης ταχύτητας πτερύγων, καταφέρνοντας έτσι µιαν οµαλότερη ισχύ εξόδου. Στην περίπτωση αιολικών πάρκων (περιοχών µε αριθµό ανεµογεννητριών) η συνολική ισχύς εξόδου είναι εξοµαλυµένη καθώς οι ριπές του ανέµου δεν προσβάλλουν όλες τις ανεµογεννήτριες µε την ίδια ένταση. Σε ιδανικές συνθήκες, οι µισές διακυµάνσεις της παραγόµενης ισχύος µειώνονται κατά συντελεστή ν, όπου ν ο αριθµός των ανεµογεννητριών στο αιολικό πάρκο. Ο σχεδιασµός µικρών διαφέρει σηµαντικά από εκείνο των µεγάλων ανεµογεννητριών. Οι µικρές ανεµογεννήτριες απαιτούν διαφορετικό αεροδυναµικό προφίλ εξαιτίας του διαφορετικού λ. Η αιολική βιοµηχανία δίνει σαφώς µεγαλύτερη σηµασία στην ανάπτυξη αεροδυναµικών προφίλ για τις µεγάλες ανεµογεννήτριες, 19

20 αφού η απόδοση των µικρών ανεµογεννητριών είναι περιορισµένη έναντι εκείνης των µεγάλων. Το µέλλον της αιολικής ενέργειας, που θεωρείται «πράσινη» µορφή, είναι πολλά υποσχόµενο. Εντούτοις, η παραγωγή πτερύγων, του πύργου στήριξης, της ατράκτου, η εξαγωγή πρώτων υλών, η µεταφορά και εγκατάσταση του εξοπλισµού, οδηγούν σε κατανάλωση ενεργειακών πόρων, οπότε έµµεσα δηµιουργούνται ανεπιθύµητες εκποµπές CO 2. Επί πλέον, ο θόρυβος των αιολικών µηχανών και η οπτική ρύπανση που προκαλούν είναι θέµατα πολυσυζητηµένα. Παρ όλα αυτά, µικρά συστήµατα ανεµογεννητριών των 30 kw ή µικρότερων χρησιµοποιούνται σε περιοχές µε αδυναµία πρόσβασης στο δηµόσιο ηλεκτρικό δίκτυο (π.χ. κατοικίες, ξενοδοχεία, τηλεπικοινωνιακοί σταθµοί. Ηλιακή ενέργεια. Χρησιµοποιείται περισσότερο σε θερµικές εφαρµογές (ηλιακοί θερµοσίφωνες, ηλιακοί φούρνοι), ενώ η χρήση της για την παραγωγή ηλεκτρισµού έχει αρχίσει να κερδίζει έδαφος, µε τη βοήθεια της πολιτικής προώθησης των ΑΠΕ από το ελληνικό κράτος και την ΕΕ. Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας γίνεται µε τους εξής τρόπους: µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισµό µε τη χρήση ηλιακών πλεγµάτων (φωτοβολταϊκά), µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερµότητα µε τη χρήση ηλιακών θερµικών συλλεκτών (ηλιακοί θερµοσίφωνες), µετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερµό (ή ψυχρό) αέρα για τον κλιµατισµό εσωτερικών χώρων. Μεγαλύτερη αξιοποίηση σε παγκόσµια κλίµακα γίνεται µε τ α φωτοβολταϊκά συστήµατα. Τα πλεονεκτήµατά τους είναι: Η ηλιακή ενέργεια είναι δωρεάν. Σε χώρες µε µεγάλη ηλιοφάνεια, τα φωτοβολταϊκά µπορεί να χρησιµοποιηθούν εναλλακτικά του κυρίως δικτύου, εφόσον αυτό δεν έχει ακόµη φτάσει εκεί (π.χ. σε ορισµένες περιοχές της Ινδίας, της Ν. Ασίας και της Αφρικής). Αποτελούν ιδανική πηγή ενέργειας για χρήσεις χαµηλής ισχύος (π.χ. φορτιστές συσσωρευτών, φώτα κήπου). Στα µειονεκτήµατα συγκαταλέγονται τα εξής. Δεν λειτουργούν τη νύκτα. Σε περιοχές µε µικρή ηλιοφάνεια, µπορεί να φανούν αναξιόπιστα, όπως στο ΗΒ. Το Σχήµα 1.5 παρουσιάζει εφαρµογές φωτοβολταϊκών συστηµάτων. 20

21 Σχήµα 1.5. Φωτοβολταίκές εφαρµογές: ηλιακό πάρκο στην Αεροπορική Βάση Nellis των ΗΠΑ (άνω αριστερά), «ηλιακό σκίαστρο» και φορτιστής ηλεκτρικών αυτοκινήτων στη Γαλλία (άνω δεξιά), φωτοβολταϊκες συστοιχίες στο διάστηµα (µέσον αριστερά), φωτοβολταϊκός τοίχος στο κτίριο της εταιρείας MNACTEC στην Τερράσσα της Ισπανίας (µέσον δεξιά), ηλιακό αυτοκίνητο (κάτω αριστερά) και ηλιακό παρκόµετρο (κάτω δεξιά). Πηγή: Wikipedia «Photovoltacs». Υδραυλική ενέργεια. Είναι τα γνωστά υδροηλεκτρικά έργα, που στο πεδίο των ήπιων µορφών ενέργειας εξειδικεύονται περισσότερο στα µικρά υδροηλεκτρικά. Είναι η πιο διαδεδοµένη µορφή ανανεώσιµης ενέργειας. Ενέργεια από καύση βιοµάζας. Χρησιµοποιεί τους υδατάνθρακες των φυτών (κυρίως απόβλητων της βιοµηχανίας ξύλου, τροφίµων και ζωοτροφών και της βιοµηχανίας ζάχαρης) µε σκοπό την αποδέσµευση της ενέργειας που δεσµεύτηκε από το φυτό µε τη φωτοσύνθεση. Ακόµα µπορούν να χρησιµοποιηθούν αστικά απόβλητα και απορρίµµατα. Μπορεί να δώσει βιοαιθανόλη και βιοαέριο, που είναι καύσιµα πιο φιλικά προς το περιβάλλον από τα παραδοσιακά. Είναι µια πηγή ενέργειας µε πολλές δυνατότητες και εφαρµογές που θα χρησιµοποιηθεί πλατιά στο µέλλον. Τα πλεονεκτήµατά της είναι: Φθηνό καύσιµο. Λογική η χρήση βιοµάζας για παραγωγή ενέργειας. Η χρήση της βιοµάζας δηµιουργεί µικρότερη ζήτηση των ορυκτών καυσίµων. Στα µειονεκτήµατά της συγκαταλέγονται τα εξής. Απαιτείται συστηµατική καλλιέργεια του καυσίµου και περισυλλογή σε ικανοποιητικές ποσότητες. Παραγωγή θερµοκηπιακών αερίων κατά την καύση βιοµάζας. 21

22 Κάποια υλικά αποβλήτων δεν είναι διαθέσιµα καθ όλο το έτος. Γεωθερµική ενέργεια. Προέρχεται από τη θερµότητα που παράγεται απ' τη ραδιενεργό αποσύνθεση των πετρωµάτων της γης. Είναι εκµεταλλεύσιµη εκεί όπου η θερµότητα αυτή ανεβαίνει µε φυσικό τρόπο στην επιφάνεια (π.χ. θερµοπίδακες ή πηγές ζεστού νερού). Μπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε απ ευθείας σε θερµικές εφαρµογές είτε στην παραγωγή ηλεκτρισµού. Η Ισλανδία καλύπτει το 80-90% των ενεργειακών της αναγκών, όσον αφορά τη θέρµανση, και το 20%, όσον αφορά τον ηλεκτρισµό, µε γεωθερµική ενέργεια. Σχήµα 1.6. Ο γεωθερµικός σταθµός Nesjavellir στην Ισλανδία. Πηγή: Wikipedia «Geothermal energy». Πλεονεκτήµατα της γεωθερµίας: Δεν παράγεται ρύπανση και δεν υπάρχει συνεισφορά στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Οι γεωθερµικοί σταθµοί δεν καταλαµβάνουν µεγάλη έκταση και, έτσι, δεν επιδρούν στο περιβάλλον. Δεν απαιτούνται καύσιµα. Το µόνο κόστος ενός γεωθερµικού σταθµού είναι το κόστος κατασκευής του. Μετά η ενέργεια µιας αντλίας λαµβάνεται από την ίδια την παραγόµενη ενέργεια. Στα µειονεκτήµατα της µεθόδου συγκαταλέγονται τα εξής. Δεν είναι υπάρχει αφθονία γεωθερµικών πεδίων ανά τον κόσµο. Μερικές φορές κάποια γεωθερµική τοποθεσία µπορεί να «εξατµιστεί» για δεκαετίες. Επικίνδυνα αέρια και µέταλλα µπορεί να ανέβουν από το εσωτερικό της γης και να µην είναι δυνατόν να αποµακρυνθούν. Θαλάσσια ενέργεια. Αυτή κατατάσσεται στις εξής κατηγορίες ανάλογα του τρόπου εκµετάλλευσής της. (1) Παλιρροιακή ενέργεια. Εκµεταλλεύεται τη βαρύτητα του ήλιου και της σελήνης, που προκαλεί ανύψωση της στάθµης του νερού. Το νερό αποθηκεύεται, καθώς ανεβαίνει. Για να µεταβεί στην πρότερη στάθµη του, αναγκάζεται να περάσει µέσα από µια τουρµπίνα, παράγοντας ηλεκτρισµό. Έχει εφαρµοστεί στην Αγγλία, τη Γαλλία, τη Ρωσία και αλλού. (2) Κυµατική ενέργεια. Εκµεταλλεύεται την κινητική ενέργεια των κυµάτων της θάλασσας. (3) Ωκεάνια ενέργεια. Εκµεταλλεύεται τη διαφορά θερµοκρασίας ανάµεσα στα στρώµατα του ωκεανού, κάνοντας χρήση θερµικών κύκλων. Βρίσκεται ακόµη σε ερευνητικό στάδιο. Η µέση κυµατική ενεργειακή πυκνότητα, E (J/m 2 ), δίδεται από τη σχέση (Phillips 1977, Goda 2000): 22

23 (1.4) όπου q η πυκνότητα του νερού (gr/m 3 ), g η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s 2 ) και h s 2 (m) το ύψος του σηµαντικότερου κύµατος. Το Σχήµα 1.7 παρουσιάζει διάφορες εφαρµογές εκµετάλλευσης της θαλάσσιας ενέργειας. Σχήµα 1.7. Άνω αριστερά: PowerBuoy, άνω δεξιά: WaveDragon, κάτω: WaveRoller στην Peniche της Πορτογαλίας. Πηγή: Wikipedia «Wave power». Πλεονεκτήµατα της ωκεάνιας ενέργειας: Η ενέργεια είναι δωρεάν. Δεν είναι ακριβή ενέργεια στη διαχείριση και συντήρηση των εγκατασεων εκµετάλλευσής της. Μπορεί να παράγει µεγάλα ποσά ενέργειας. Στα µειονεκτήµατα της µεθόδου συγκαταλέγονται τα εξής: Εξαρτάται από τα κύµατα (µερικές φορές λαµβάνονται τεράστια ποσά ενέργειας, άλλοτε καθόλου). Απαιτείται µελέτη για την εξεύρεση της τοποθεσίας ισχυρών ως επί το πλε ίστον κυµάτων. Μερικοί σχεδιασµοί είναι θορυβώδεις (το ίδιο και τα κύµατα). Ο σχεδιασµός των εγκαταστάσεων πρέπει να είναι τέτοιος, ώστε αυτές να αντέχουν σε αντίξοες καιρικές συνθήκες. 23

24 Πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα των ΑΠΕ Τα πλεονεκτήµατα των ΑΠΕ συνοψίζονται στα εξής (Βικιπαίδεια «Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας»): Είναι πολύ φιλικές προς το περιβάλλον, έχοντας ουσιαστικά µηδενικά κατάλοιπα και απόβλητα. Δεν εξαντλούνται ποτέ, σε αντίθεση µε τα ορυκτά καύσιµα. Δύνανται να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια µικρών και αναπτυσσόµενων χωρών 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 επιτόπιου πληθυσµού, καταργώντας την ανάγκη για τεράστιες µονάδες παραγωγής ενέργειας (καταρχήν για τ ην 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. Επιδοτούνται από τις περισσότερες κυβερνήσεις. Στα µειονεκτήµατα των ΑΠΕ µπορούν να καταχωρηθούν τα εξής (Βικιπαίδεια: Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας): Έχουν αρκετά µικρό συντελεστή απόδοσης, της τάξης του 30% ή και χαµηλότερο. Συνεπώς, απαιτείται αρκετά µεγάλο αρχικό κόστος εφαρµογής σε µεγάλη επιφάνεια της γης. Γι' αυτό το λόγο µέχρι τώρα χρησιµοποιούνται σαν συµπληρωµατικές πηγές ενέργειας. Για τον παραπάνω λόγο, προς το παρόν, δεν δύνανται 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 το γεωγραφικό πλάτος και το κλίµα της περιοχής στην οποία εγκαθίστανται. Για τις αιολικές µηχανές υπάρχει η άποψη ότι δεν είναι κοµψές από αισθητική άποψη κι ότι προκαλούν θόρυβο και θανάτους πουλιών. Με την εξέλιξη όµως της τεχνολογίας τους και την προσεκτικότερη επιλογή χώρων εγκατάστασης (π.χ. σε παράκτιες ή υπεράκτιες εγκαταστάσεις) αυτά τα προβλήµατα έχουν σχεδόν λυθεί. Για τα υδροηλεκτρικά έργα λέγεται ότι προκαλούν έκλυση µεθανίου από την αποσύνθεση των φυτών που βρίσκονται κάτω απ' το νερό κι έτσι συντελούν στο φαινόµενο του θερµοκηπίου. Στην Ελλάδα η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ έχει αυξηθεί δραµατικά την τελευταία πενταετία λόγω των πρωτοκόλλων επιδότησης που έχει εφαρµόσει η Πολιτεία. Στο Σχήµα 1.8 φαίνεται το προβλεπόµενο ποσοστό διείσδυσης των ΑΠΕ στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστηµα της χώρας κατά τη δεκαετία (Εθνικό Σχέδιο Δράσης για τις ΑΠΕ). 24

25 Σχήµα 1.8. Κατανοµή των µορφών ΑΠΕ κατά την περίοδο στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστηµα της Ελλάδας (Ροντρίγκεζ-Ρουΐζ 2012) Πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα της ΚΠ Υπάρχει αυξηµένο ενδιαφέρον στους προµηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας για τη δυνατότητα της ΚΠ στη δηµιουργία νέων θέσεων εργασίας (Pepermans et al. 2003). H διείσδυση της ΚΠ έχει ως αποτέλεσµα µεγαλύτερη δυνατότητα επιλογής και εξυπηρέτησης του πελάτη (Maskovitz 1999). Παρά την υποχρέωση για µείωση των εκποµπών CO 2, οι µονάδες ΚΠ υιοθετούνται κυρίως στον τοµέα εξοικονόµησης ηλεκτρικής ενέργειας και θερµότητας (Strachan and Dowlatabadi 2002). Τέλος, η παραγωγή ρεύµατος στον τόπο της κατανάλωσης είναι δυνατόν να επιφέρει µειώσεις κόστους στη µεταφορά και τη διανοµή της τάξης έως 30% στο κόστος του ρεύµατος (IEA 2002α). Η ΚΠ µπορεί να προσφέρει σηµαντικά περιβαλλοντικά πλεονεκτήµατα συµπεριλαµβανοµένης τ ης µείωσης της κατανάλωσης ορυκτών καυσίµων και µείωσης στις εκποµπές CO 2 (Shelor 1998). Στις περισσότερες περιπτώσεις η ΚΠ συµπεριλαµβάνει και τη συµπαραγωγή θερµότητας και ηλεκτρισµού, ανεβάζοντας, έτσι, την συνολική απόδοση των µηχανών (Laurie 2001). Η ΚΠ παρουσιάζει, επίσης, θετικές επιπτώσεις, ακόµη και όταν δεν είναι συνδεδεµένη στο δίκτυο. Η εκτός δικτύου ΚΠ µε ΑΠΕ καταφέρνει να «αναλάβει» κάποια από τα αποµακρυσµένα φορτία ή να καθυστερήσει την επέκταση του δικτύου από πιθανά µελλοντικά φορτία σε αυτό (Wijayatunga et al. 2004). Αναφορικά µε τις θέσεις εργασίας, οι εκτιµήσεις είναι ότι οι επενδύσεις σε ΚΠ αναµένεται να ανοίξουν 5πλάσιες θέσεις εργασίας αναλογικά µε τους συµβατικούς σταθµούς ηλεκτροπαραγωγής (Lovins and Lotspeich 1999). Η ΚΠ είναι ιδανική να προσφέρει ηλεκτρικό ρεύµα εκεί ακριβώς όπου υπάρχει ανάγκη. Αυτό το γεγονός µπορεί να άρει περιορισµούς στην παραγωγή, µεταφορά και διανοµή και να αποφευχθεί η ανάγκη δηµιουργίας νέων σταθµών ηλεκτροπαραγωγής (Linden). Οι µικρότερες µονάδες ΚΠ δ ύνανται, επίσης, να µειώσουν την ζήτηση αιχµής, τις απώλειες µεταφοράς και να βελτιώσουν την ποιότητα των υπηρεσιών σε αποµακρυσµένες περιοχές (Laurie 2001). Επίσης σε περιοχές όπου είναι δύσκολη η 25

26 υποστήριξη της τάσης του δικτύου, η ΚΠ µπορεί να προσφέρει, µιας και η σύνδεση ενός σταθµού ΚΠ οδηγεί γενικά σε άνοδο της τάσης του δικτύου (IEA 2002α). Για να αντιµετωπισθούν τα οικονοµικά και περιβαλλοντικά µειονεκτήµατα της ΚΠ, είναι αναγκαίος ένας ολοκληρωµένος σχεδιασµός των αρνητικών επιπτώσεων, οι οποίες µπορεί να εξοµαλυνθούν ή και να εξαλειφθούν µε την εφαρµογή µιας ορθής πολιτικής (Greene and Hammerschlag 2000). Πιο συγκεκριµένα, οι τεχνολογίες ΚΠ παρουσιάζουν ένα µεικτό περιβαλλοντικό προφίλ. Τεχνολογίες, που χρησιµοποιούν ΑΠΕ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θεωρούνται «καθαρές», ενώ αυτές που χρησιµοποιούν στερεά καύσιµα επιβαρύνουν άµεσα το περιβάλλον (Clark and Bradshaw 2004). Πέραν τούτου, ένα από τα µεγαλύτερα πλεονεκτήµατα της ΚΠ, αυτό της εγγύτητας στο φορτίο της, µπορεί να αποτελέσει κ αι µειονέκτηµά της (Greene and Hammerschlag 2000). Τούτο συµβαίνει διότι µε τον τρόπο αυτό µεταφέρεται η ρυπογόνα πηγή µέσα στις πόλεις, µε αποτέλεσµα την πρόσθετη επιβάρυνση του αστικού περιβάλλοντος. Η διαθεσιµότητα, εποµένως, των ενεργειακών πόρων (ΑΠΕ ή µη) σε µία περιοχή και η µελέτη των έργων τους καθορίζουν την τεχνολογία παραγωγής και την αντίστοιχη περιβαλλοντική υποβάθµιση (Allsion and Lents 2002). Σε πολλές Ευρωπαϊκές χώρες, η αξιοπιστία των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψηλή, λόγω αυστηρών τεχνικών προδιαγραφών. Αυτό µπορεί να αλλάξει σε µια απελευθερωµένη αγορά, διότι υψηλή αξιοπιστία συνεπάγεται µεγάλο αρχικό κόστος επένδυσης και υψηλά έξοδα συντήρησης και λειτουργίας (Pepermans and al. 2003). 26

27 1.3. Μικροδίκτυα Ορισµός, τρόποι σύνδ εσης, εξοπλισµός, επιδράσεις των µικροδικτύων Παρ όλο που οι ΚΠ έχουν τα προαναφερθέντα πλεονεκτήµατα, όταν πρόκειται να ελεγχθεί µεγάλος αριθµός τους, δηµιουργείται ένα σηµαντικό πρόβληµα. Η λύση τότε είναι τα µικροδίκτυα (microgrids). Μικροδίκτυα είναι ηλεκτρικά συστήµατα µε τουλάχιστον µία ΚΠ και φορτία, που έχουν την ικανότητα να λειτουργούν αυτόνοµα εντός του δικτύου διανοµής, αν χρειαστεί. Επειδή η παραγωγή ορισµένων ΚΠ είναι αβέβαιη, ενδείκνυται αποθήκευση της ενέργειας. Μέσα στα µικροδίκτυα, τα φορτία και οι πηγές µπορούν να συνδέονται και να αποσυνδέονται, όπως και το µικροδίκτυο µπορεί να αποσυνδέεται από το υπόλοιπο ηλεκτρικό δίκτυο µε την ελάχιστη δυνατή διαταραχή στα τοπικά φορτία. Όταν το µικροδίκτυο εργάζεται αυτόνοµα και χρειάζεται να επανασυνδεθεί στο υπόλοιπο δίκτυο, τότε απαιτείται συγχρονισµός µεταξύ τους πριν κλείσει ο διακόπτης. Τα µικροδίκτυα αναφέρονται στη µικρό-παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, µιας έννοιας όχι νέας στην ηλεκτρική παραγωγή και µεταφορά ενέργειας. Η µικρόπαραγωγή αναφέρεται στην παραγωγή ενέργειας στην κλίµακα των εκατοντάδων kw. Παρ όλα αυτά, τα µικροδίκτυα είναι µια νέα έννοια που δηµιουργήθηκε από τη συνεχώς αυξανόµενη ανάγκη ύπαρξης ενέργειας και την αδυναµία των υπαρχόντων δικτύων να την καλύψουν. Με την ένταξη των ΑΠΕ στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστηµα έγινε πιο επίκαιρος ο ρόλος των µικροδικτύων. Τα µικροδίκτυα είναι µικρογραφίες του δηµόσιου δικτύου. Συµβάλλουν στην κατανοµή της παραγωγής παρέχοντας τη δυνατότητα αποµονωµένοι καταναλωτές να έχουν αδιάλειπτη ηλεκτρική παροχή. Η δυνατότητα χρήσης των ΑΠΕ σε µικροδίκτυα καθιστά την εφαρµογή πολύ πιο ενδιαφέρουσα. Οι µονάδες ενός µικροδικτύου είναι οι: µονάδες παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας και φορτία. Οι αντιστροφείς (inverters) παίζουν σπουδαίο ρόλο λόγω της παραγωγής συνεχούς τάσης και ρεύµατος στο µικροδίκτυο και µετατροπής τους σε εναλλασσόµενο. Η µόνη περίπτωση να µην χρησιµοποιηθούν είναι όταν το µικροδίκτυο χρησιµοποιεί κλασσικές µονάδες παραγωγής. Σχήµα 1.9. Διασύνδεση τοπικών µονάδων µικροδικτύου µε το κεντρικό σύστηµα διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας: Πηγή: 27

28 Σχήµα Πραγµατικό τοπικό µικροδίκτυο εγκατεστηµένο µέσα στην Πανεπιστηµιούπολη του Παν/µίου Tohoku Fukushi της πόλης Sendai στην επαρχία Tohoku της Ιαπωνίας. Πηγή: Wikipedia «Distributed generation». Το Σχήµα 1.9 εµφανίζει διαγραµµατικά τον τρόπο διασύνδεσης ενός µικροδικτύου µε το κεντρικό δίκτυο διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας και το Σχήµα 1.10 ένα τέτοιο πραγµατικό µικροδίκτυο στην Ιαπωνία. Οι µονάδες παραγωγής ενός µικροδικτύου µπορεί να είναι είτε κλασσικής µορφής είτε ΑΠΕ, παρέχοντας έτσι πολλές δυνατότητες και ευχέρειες επιλογών ανάλογα µε τους διαθέσιµους φυσικούς πόρους στην τοποθεσία της εγκατάστασης. Για παράδειγµα, στο Σχήµα 1.10 το µικροδίκτυο έχει ενσωµατώσει φωτοβολταϊκή παραγωγή. Τυπικές πηγές είναι οι γεννήτριες ντήζελ ή φυσικού αερίου, ΣΥΘΗΑ, ανεµογεννήτριες, φωτοβολταϊκά στοιχεία, κυψέλες Η 2, γεωθερµία, ηλιοθερµικοί σταθµοί, µικρά υδροηλεκτρικά έργα και ακόµη µονάδες που χρησιµοποιούν ως πρώτη ύλη βιοµάζα ή βιοντήζελ ή άλλη µορφή ενέργειας. Παρά το γεγονός του διαχωρισµού των µονάδων παραγωγής, τα ηλεκτρικά φορτία παραµένουν στην κλασσική τους έννοια. Σηµαντικό ρόλο στη λειτουργία των µικροδικτύων παίζουν οι µονάδες αποθήκευσης ενέργειας για την εξασφάλιση της αυτονοµίας του δικτύου. Οι µονάδες αυτές είναι είτε συσσωρευτές είτε αποθηκευµένα καύσιµα για ώρα ανάγκης. Μια συνδυασµένη χρήση των νέων τεχνολογιών (συµ)παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ΑΠΕ µπορεί να καταστήσει την τιµή της ηλεκτρικής ενέργειας από ένα µικροδίκτυο ανταγωνιστική εκείνης των δηµοσίων δικτύων. Η τοποθεσία εγκατάστασης ενός µικροδικτύου ανευρίσκεται εκεί όπου είναι διαθέσιµη η πηγή ή οι πηγές ενέργειας. Ένα άλλο κριτήριο είναι το µικροδίκτυο να βρίσκεται κοντά στην κατανάλωση για την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Το µέγεθος του µικροδικτύου είναι ανάλογο των αναγκών που εξυπηρετεί (π.χ. οικιακό, νοσοκοµειακό). Το µικροδίκτυο έχει τη δυνατότητα διασύνδεσης µε το κεντρικό δηµόσιο σε µια παραλληλισµένη λειτουργία ανταλλαγής ενέργειας. Στις περιπτώσεις πλεονάζουσας ενέργειας στο µικροδίκτυο, αυτό την διοχετεύει στο δηµόσιο, ενώ στην περίπτωση έλλειψης τροφοδοτείται από το δηµόσιο δίκτυο. Ένα πλεονέκτηµα του µικροδικτύου είναι η αυτοτροφοδότησή του στην περίπτωση επαρκούς παραγωγής του και σύγχρονης κατάρρευσης του δηµόσιου δικτύου. Πάντως στην περίπτωση 28

29 διασύνδεσης του µικροδικτύου µε το δηµόσιο δίκτυο, αυτό που προέχει είναι να υπάρχει ποιότητα τάσης στο πρώτο, η οποία να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές του δικτύου, ενώ η απορροφούµενη ενέργεια να µην ξεπερνά τις απαιτήσεις του τυπικού καταναλωτή. Εκτός των παραπάνω περιπτώσεων, ένα µικροδίκτυο µπορεί να δράσει επικουρικά στο κεντρικό. Κάτι τέτοιο µπορεί να συµβεί όταν το µικροδίκτυο είναι ρυθµισµένο να υποστηρίζει το κεντρικό, παρέχοντας ή απορροφώντας ενεργό ή άεργο ισχύ σε τακτά χρονικά διαστήµατα. Όσον αφορά στον τρόπο διανοµής και µεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας από το σταθµό παραγωγής στο φορτίο υπάρχουν τρεις ουσιαστικές διαφορές µεταξύ τους. Οι διαφορές αυτές εµπλέκουν και την περίπτωση σύνδεσης µικροδικτύων. (1) Τα δίκτυα διανοµής είναι σχεδιασµένα για διαφορετικό σκοπό από αυτά της µεταφοράς, µε κύριο χαρακτηριστικό ότι δεν έχουν προβλέψει σύνδεση µε µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα δίκτυα διανοµής είναι σχεδιασµένα να ρέει η ηλεκτρική ενέργεια ακτινικά, δηλαδή προς µία κατεύθυνση, οπότε στην περίπτωση σύνδεσης µε µονάδες παραγωγής ενός µικροδικτύου, η ροή ισχύος µεταβάλλεται. (2) Στις γραµµές µεταφοράς η αντίσταση είναι χαµηλή, πράγµα που συνεπάγεται µικρές πτώσεις τάσης και µικρές απώλειες στους αγωγούς. Αντίθετα, στα συστήµατα διανοµής η αντίσταση των γραµµών είναι µεγαλύτερη, µε αποτέλεσµα µεγαλύτερη πτώση τάσης κατά µήκος των γ ραµµών διανοµής και αυξηµένες απώλειες σε αυτές. Η χρήση ΚΠ µπορεί, λοιπόν, να έχει σηµαντική επίδραση στο τοπικό επίπεδο της τάσης. (3) Η χαµηλή τάση στα άκρα των συστηµάτων διανοµής δεν είναι συνήθως συνδεδεµένη µε τα συστήµατα επιτήρησης και ελέγχου (SCADA). Κατά συνέπεια, η συλλογή των δεδοµένων για τον έλεγχο του συστήµατος διανοµής, όπως και των µονάδων παραγωγής του µικροδικτύου, είναι ανεπαρκής. Η τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο µικροδίκτυο και η σύνδεσή του στο κεντρικό µπορεί να διαφέρουν σηµαντικά από εκείνα που χρησιµοποιούνται στην κεντρική παραγωγή. Οι µεγάλες µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιµοποιούν σύγχρονες γεννήτριες, όπως και εκείνες της ΚΠ. Οι µεσαίου µεγέθους και ιδιαίτερα οι µικρού µεγέθους µονάδες ΚΠ κάνουν συχνή χρήση ασύγχρονων γεννητριών, γνωστών και ως επαγωγικών, λόγω χαµηλότερου κόστους από τις σύγχρονες. Εδώ πρέπει να υπενθυµιστεί ότι τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ασύγχρονων διαφέρουν εκείνων των σύγχρονων µηχανών. Οι πολύ µικρού µεγέθους µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, οι συσσωρευτές και οι κυψέλες H 2, πρέπει να συνδεθούν µέσω µετατροπέα (διεπαφής) µε το δίκτυο, καθώς τα εν λόγω µικροσυστήµατα παράγουν συνεχές ρεύµα. Πάντως τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ισχύος προσφέρουν λύσεις στην προκείµενη µετατροπή. Οι επιδράσεις από τη σύνδεση ενός µικροδικτύου στο κεντρικό είναι πολλές. Οι πιο σηµαντικές είναι οι παρακάτω. Αλλαγές στο επίπεδο της τάσης. Μεταβολή στην ποιότητα της παραγόµενης τάσης. Μεταβολή των ρευµάτων αλλαγή στο επίπεδο βραχυκύκλωσης. Τροποποίηση των µηχανισµών προστασίας του δικτύου. Αύξηση των παραγοµένων στο δίκτυο αρµονικών από τους ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος. Επιπτώσεις στην ευστάθεια του συστήµατος. Εκτός των επιδράσεων κατά τη σύνδεση του µικροδικτύου στο κεντρικό, δηµιουργούνται και µεταβολές στην τάση. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές διατήρησης της τάσης στα επιθυµητά όρια: ρύθµιση του λόγου 29

30 µέσης-προς-χαµηλή τάση στο µετασχηµατιστή του υποσταθµού, αναστροφή της ροής της αέργου ισχύος µε τη χρήση ασύγχρονων γεννητριών, χρήση εξελιγµένων τεχνικών ελέγχου της τάσης. Η ποιότητα ισχύος στη λειτουργία ενός δικτύου είναι πρώτιστης σηµασίας, όπως ειπώθηκε και νωρίτερα. Ως ποιότητα ισχύος νοούνται οι διακυµάνσεις της τάσης και η ύπαρξη αρµονικών στο δίκτυο. Τα προβλήµατα αυτά περιορίζονται µε τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων και ορθό συγχρονισµό των σύγχρονων γεννητριών κατά τη ζεύξη τους µε το σύστηµα. Παρ όλα αυτά, η διασπορά γεννητριών σε ένα δίκτυο ενδέχεται να δηµιουργήσει προβλήµατα σε αυτό. Οι σηµαντικότερες επιπτώσεις σχετίζονται µε (1) το ρεύµα βραχυκύκλωσης από τις διεσπαρµένες γεννήτριες που µπορεί να προκαλέσει αποσύνδεση των υγιών γραµµών, (2) µια ελαττωµατική γραµµή στην οποία είναι συνδεδεµένες διεσπαρµένες γεννήτριες διατηρείται διεγερµένη, (3) αυτόµατη επανάζευξη της γραµµής, παρ όλο που οι γεννήτριες έχουν χάσει το συγχρονισµό τους. Οι νέες τεχνολογίες αντιµετωπίζουν επιτυχώς πλέον τη διαχείριση των µεταβατικών φαινοµένων. Έτσι, για παράδειγµα, για την κάλυψη αιχµών ζήτησης ενέργειας (π.χ. κλιµατιστικά τη θερινή περίοδο) και την αποθήκευση της περίσσειας ενέργειας, ένα µικροδίκτυο µπορεί να χρησιµοποιεί την αποθηκευµένη ενέργεια σε υπερπυκνωτές, συσσωρευτές, µηχανές στρεφόµενης αδράνειας ή τη δυναµική ενέργεια µέσω συµπιεστών αέρα. Η τελευταία τεχνική χρησιµοποιείται στην περίπτωση ύπαρξης αιολικών ή ηλιακών πάρκων κοντά σε θάλασσα ή λίµνη, οπότε αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργειας που παράγεται, αντλώντας νερό σε ταµιευτήρες υψηλότερης στάθµης. Όταν χρειαστεί ενέργεια, οι κινητήρες άντλησης χρησιµοποιούνται ως γεννήτριες, παρέχοντας ενέργεια στο µικροδίκτυο. Βέβαια και εδώ η χρήση ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος είναι απαραίτητη για τον έλεγχο της τάσης και της συχνότητας µέσω της ροής ενεργού και αέργου ισχύος. Ο τρόπος σύνδεσης των µικροδικτύων στο κυρίως δίκτυο διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας ποικίλλει. Η διαφοροποίηση έγκειται στο αν το µικροδίκτυο είναι συνδεδεµένο στο δίκτυο στη µέση ή τη χαµηλή τάση σε µία ή περισσότερες θέσεις. Βέβαια, ένα µικροδίκτυο µπορεί να µην έχει κανένα σηµείο σύνδεσης µε το κυρίως δίκτυο, είτε γιατί λειτουργεί αυτόνοµα είτε γιατί έχει αποκοπεί λόγω διαταραχής του δικτύου διανοµής. Οι µονάδες παραγωγής µαζί µε τα φορτία σχηµατίζουν ένα δίκτυο (µικροδίκτυο) χαµηλής τάσης, ενώ συνδέονται στη µέση τάση. Κατ αντιστοιχία, υπάρχουν µικροδίκτυα στο δίκτυο µέσης τάσης που συνδέονται στο δίκτυο υψηλής τάσης. Από την άλλη µεριά, υπάρχουν αναφορές για «βαθµίδες» σε ένα µικροδίκτυο. Η ανώτερη βαθµίδα είναι η σύνδεση του µικροδικτύου στην υψηλή τάση, ενώ η κατώτερη αυτό της χαµηλής, που υπακούει στις απαιτήσεις των ανώτερων βαθµίδων Χαρακτηριστικά λειτουργίας, πλεονεκτήµατα - µειονεκτήµατα των µικροδικτύων Ένα βασικό χαρακτηριστικό των µικροδικτύων είναι η ανεξαρτησία των µονάδων του να λειτουργούν η µία της άλλης. Λειτουργούν, δηλαδή, οµότιµα µεταξύ τους. Με τον τρόπο αυτό, διασφαλίζεται η απρόσκοπτη λειτουργία του µικροδικτύου, αφού λειτουργεί ανεξάρτητα των µονάδων του που είναι συνδεδεµένες ή ακόµη, στη χειρότερη περίπτωση, που κάποιες εξ αυτών έχουν απολέσει τη λειτουργία τους. Τούτο επιτυγχάνεται µε το χαρακτηριστικό η σταθερή λειτουργία του µικροδικτύου να µην εξαρτάται από κάποια κεντρική µονάδα µε τις υπόλοιπες να έχουν 30

31 υποστηρικτικό ρόλο, αλλά να διαµοιράζεται ισότιµα µε όλες, µε αποτέλεσµα να υπάρχουν πολλές µονάδες οδηγοί (Beyene 2005). Ένα άλλο χαρακτηριστικό των µικροδικτύων είναι η ανυπαρξία ανάγκης επαναπροσδιορισµού των ελέγχων του σε περίπτωση προσθαφαίρεσης κάποιων µονάδων του (π.χ. µονάδων παραγωγής, αποθήκευσης ή φορτίων). Έτσι, η σύνδεση ή αποσύνδεση µονάδων του µικροδικτύου σε οποιοδήποτε σηµείο του επιτυγχάνεται χωρίς προβλήµατα. Αυτό υπονοεί ότι η κάθε µονάδα του µικροδικτύου και ο έλεγχός της είναι σε θέση να ανταποκρίνονται άµεσα στις αλλαγές του συστήµατος, ή των χαρακτηριστικών του δικτύου, ή του φορτίου χωρίς την απαίτηση συγκέντρωσης δεδοµένων από άλλα φορτία ή µονάδες παραγωγής (Lasseter and Piagi 2004). Η εύκολη προσαρµογή και επέκταση των µικροδικτύων ανάλογα µε τη ζήτηση τούς δίδει το συγκριτικό πλεονέκτηµα να προσθέτουν φορτία και µονάδες παραγωγής µε µικρό κόστος και µηδενικές απώλειες, εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα σταθερότητα και ασφάλεια στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πλην των παραπάνω πλεονεκτηµάτων, τα µικροδίκτυα παρέχουν και τα εξής οφέλη: απόδοση ενέργειας (αύξηση της συνολικής ενέργειας µε εφαρµογές συµπαραγωγής, που αποτελούν βασικό χαρακτηριστικό των µικροδικτύων), ελαχιστοποίηση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας, αυξηµένη αξιοπιστία και προσαρµοστικότητα, µεγάλη µείωση των απωλειών µεταφοράς ενέργειας λόγω της τοπικής παραγωγής της, τοπικός έλεγχος τάσης και συχνότητας, αποτροπή κατάρρευσης του συστήµατος στην περίπτωση αυξηµένης ζήτησης του φορτίου, σηµαντική µείωση εκποµπών του CO 2 λόγω χρήσης ΑΠΕ, ο ρόλος των οποίων ενισχύεται, αποφυγή µεγάλων εκτάσεων για την εγκατάστασή τους. Παρ όλα τα πλεονεκτήµατά τους, τα µικροδίκτυα, όπως και κάθε νέο τεχνολογικό σύστηµα, παρουσιάζουν µειονεκτήµατα. Αυτά συνοψίζονται στα εξής. Απαιτείται περιοδικός έλεγχος της τάσης, της συχνότητας και της ποιότητας ισχύος, ώστε να κυµαίνονται σε αποδεκτά όρια και να διατηρείται το ισοζύγιο ενέργειας και ισχύος. Απαιτείται ικανός χώρος για την τοποθέτηση συσσωρευτών στους οποίους αποθηκεύεται η περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας. Παρουσιάζονται δυσκολίες σε κάθε νέο συγχρονισµό του µικροδικτύου µε το κεντρικό. Η αναµονή του φορτίου και η ακριβής µέτρηση της ενέργειας αποτελούν προς στιγµή εµπόδια στην ανάπτυξη των µικροδικτύων. Η αξιοπιστία των διατάξεων προστασίας των µικροδικτύων θεωρείται σηµαντική για την ορθή λειτουργία τους και αποτελεί πρόκληση κατά την ανάπτυξη των µικροδικτύων. Η διασύνδεση των µικροδικτύων πρέπει να στηρίζεται σε πρότυπα που λείπουν αυτή τη στιγµή, παρ όλο που το πρότυπο IEEE P1547 φαίνεται να συµπληρώνει το κενό αυτό προς στιγµή. 31

32 Εγγενή προβλήµατα στην ανάπτυξη των µικροδικτύων Εν πάσει περιπτώσει, όσο υποσχόµενη και να ακούγεται η ανάπτυξη και λειτουργία των µικροδικτύων, αυτή δεν µπορεί να υλοποιηθεί επαρκώς και επωφελώς, αν οι προκλήσεις και ευκαιρίες, που υπάρχουν στον τοµέα της ηλεκτροδότησης, δεν εφαρµοστούν στο τοπικό δίκτυο. Οι προκλήσεις αυτές είναι οι παρακάτω. Ανανέωση και καινοτοµία στα ηλεκτρικά δίκτυα. Χρήση ΚΠ και ΑΠΕ. Ανανέωση του εξοπλισµού της κεντρικής παραγωγής. Διασύνδεση των ευρωπαϊκών δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας. Προσέγγιση του χρήστη. Ασφάλεια παροχής της ενέργειας. Ανταπόκριση και διαχείριση της αυξηµένης ζήτησης. Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Μείωση απωλειών και αναγκών για νέες υποδοµές. Για να γίνει, ό µως, το µικροδίκτυο πραγµατικότητα, δεν αρκεί η διασφάλιση των παραπάνω προκλήσεων. Κατά τη µετάβαση από το κεντρικό στο κατανεµηµένο δίκτυο και την εισαγωγή του µικροδικτύου εµπλέκονται πολλοί παράγοντες (πελάτες, παροχείς, ερευνητές, νοµοθέτες). Δηµιουργούνται, λοιπόν, υποχρεώσεις από όλες τις εµπλεκόµενες πλευρές, οι οποίες συνοψίζονται στις εξής. Χρήστες. Αυτοί από απλοί παραλήπτες λογαριασµών τύπου ΔΕΗ γίνονται οι ίδιοι σιγά-σιγά παραγωγοί (π.χ. οικιακή παραγωγή) µε δυνατότητα πώλησης της πλεονάζουσας ηλεκτροπαραγωγής τους στο κεντρικό δίκτυο. Εταιρείες παραγωγής και διανοµής ηλεκτρισµού. Απαιτείται διασφάλιση ποιότητας της παραγόµενης ισχύος και ασφάλεια του συστήµατος διανοµής της. Εταιρείες υπηρεσιών ενέργειας. Οι εν λόγω εταιρείες πρέπει να συµβαδίζουν µε τις απαιτήσεις των χρηστών ενέργειας. Η ενηµέρωση για την επιλογή της πιο συµφέρουσας από οικονοµικής άποψης χρήσης του δικτύου πρέπει να απλοποιηθεί. Εταιρείες ανάπτυξης τεχνολογίας. Η ΚΠ και τα µικροδίκτυα απαιτούν, όπως είδαµε στα προηγούµενα του παρόντος κεφαλαίου, την εισαγωγή σύγχρονης τεχνολογίας για τον έλεγχο της παραγωγής και διασύνδεσης µε το κεντρικό δίκτυο. Έρευνα. Για την ανάπτυξη της απαιτούµενης τεχνολογίας απαιτείται πρότερη έρευνα τόσο σε Ερευνητικά Κέντρα όσο και ΑΕΙ. Νοµοθετικές ρυθµίσεις. Είναι αναγκαία η σύσταση νέας νοµοθεσίας που να λαµβάνει υπόψη της τις νέες προκλήσεις των µικροδικτύων και της ΚΠ και να τις θέτει σε πλαίσιο λειτουργικό, περιβαλλοντικά φιλικό και οικονοµικά σύµφορο για τους χρήστες Στοιχεία των µικροδικτύων Όπως ελέχθη παραπάνω, οι ΑΠΕ αποτελούν βασικό στοιχείο ενός µικροδικτύου, διότι παρουσιάζουν το σηµαντικό πλεονέκτηµα ότι δεν συµβάλλουν στο φαινόµενο του θερµοκηπίου, αφού δεν εκπέµπουν θερµοκηπιακά αέρια και δη CO 2. Από την άλλη µεριά, η εφαρµογή της ΚΠ περιλαµβάνει από µόνη της µιαν εκτεταµένη χρήση ΑΠΕ. Προς το παρόν, υπάρχει µια µικρή συµβολή αυτών των µορφών ενέργειας στο δίκτυο. Εντούτοις, η ΕΕ έχει υιοθετήσει ένα σχέδιο προώθησης της πράσινης ενέργειας από κάθε κράτος-µέλος στην αγορά του ηλεκτρισµού. Στο σχέδιο αυτό οι 32