ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αποτίμηση Αξιοπιστίας Έξυπνων Δικτύων Διανομής με χρήση σεναρίων Διαχείρισης Ζήτησης ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗΣ ΜΠΑΚΑΛΗ Επιβλέπων : Δημήτριος Λαμπρίδης Καθηγητής Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2013

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Αποτίμηση Αξιοπιστίας Έξυπνων Δικτύων Διανομής με χρήση σεναρίων Διαχείρισης Ζήτησης ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ της ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗΣ ΜΠΑΚΑΛΗ Επιβλέπων : Δημήτριος Λαμπρίδης Καθηγητής Α.Π.Θ. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την. (Υπογραφή) (Υπογραφή) (Υπογραφή) Γρηγόρης Παπαγιάννης Δημήτρης Λαμπρίδης Γιώργος Ανδρέου Αναπληρωτής Καθηγητής Α.Π.Θ. Καθηγητής Α.Π.Θ. Λέκτορας Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2013.

4 (Υπογραφή)... ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ ΜΠΑΚΑΛΗ Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ All rights reserved.

5 Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Δημήτριο Λαμπρίδη, καθηγητή Α.Π.Θ, για την υποστήριξη του κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Καλλισθένη Σγούρα, Υπ. Διδάκτορα του ΤΗΜΜΥ Α.Π.Θ, για την άριστη συνεργασία μας, τη βοήθεια και την καθοδήγηση που μου παρείχε σε όλη τη διάρκεια διεξαγωγής της εργασίας.

6

7 Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη της αξιοπιστίας σε Έξυπνα Δίκτυα Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας. Γίνεται αναφορά όλων των χαρακτηριστικών των έξυπνων δικτύων που επηρεάζουν το επίπεδο αξιοπιστίας τους. Ωστόσο στη συγκεκριμένη εργασία μελετάται μόνο η επίδραση της Διαχείρισης-Απόκρισης Ζήτησης. Παραθέτονται παραδείγματα τεχνικών Διαχείρισης Ζήτησης και προγραμμάτων Απόκρισης Ζήτησης που έχουν εφαρμοστεί και τα οφέλη που έχουν επιφέρει. Αναφέρονται επίσης οι δείκτες αξιοπιστίας που χρησιμοποιούνται για την αποτίμηση της αξιοπιστίας ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και οι παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την λειτουργία των διάφορων στοιχείων του συστήματος και κατ επέκταση τις τιμές των δεικτών. Τέλος στο δίκτυο προσομοίωσης γίνονται εφαρμογές σεναρίων διαχείρισης-απόκρισης ζήτησης, σε οικιακούς καταναλωτές και σε κτίρια γραφείων, που στοχεύουν στην μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους αυξημένης ζήτησης. Στην ανάλυση αξιοπιστίας του υπό μελέτη δικτύου υπολογίζονται οι δείκτες αξιοπιστίας αλλά και το οικονομικό όφελος που προκύπτει λόγω της απόκρισης της ζήτησης σε ώρες αιχμής. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω του προγράμματος NEPLAN. Λέξεις κλειδιά: Έξυπνο Δίκτυο, Διαχείριση Ζήτησης, Απόκριση Ζήτησης, Αξιοπιστία, Δείκτες Αξιοπιστίας.

8

9 Abstract The scope of this thesis is the study of reliability in Smart Grids. There is a reference to all the features of Smart Grids which affect the level of reliability. However, in this study only the impact of Demand Side Management/Demand Response (DSM/DR) is examined. There are given examples of DSM techniques and DR programs that have been implemented and the benefits that have been brought about. There is also an analysis of the reliability indices used to assess the reliability of a power system and the factors that may influence the operation of the components of a system and consequently the values of reliability indices. At the end, a grid simulation is presented and demand side management/response scenarios are implemented in residential consumers and office buildings in order to reduce power consumption during periods of high demand. In the reliability analysis of this grid apart from the calculation of reliability indices, the economic benefit, which arises from each demand management scenario because of the demand response during peak periods, is estimated. In order to come to results and conclusions, we used the NEPLAN program. Keywords: Smart Grid, Demand Side Management, Demand Response, Reliability, Reliability Indices.

10

11 Πίνακας Περιεχομένων Αποτίμηση Αξιοπιστίας Έξυπνων Δικτύων Διανομής με χρήση σεναρίων Διαχείρισης Ζήτησης Εισαγωγή Αντικείμενο της διπλωματικής Οργάνωση κειμένου Έξυπνα Δίκτυα (Smart Grids) Περιγραφή Καθοριστικά χαρακτηριστικά των έξυπνων δικτύων είναι Βασικές διαφορές μεταξύ έξυπνου δικτύου και συμβατικού δικτύου Τεχνολογίες έξυπνου δικτύου Συσκευές έξυπνου δικτύου Προκλήσεις αξιοπιστίας του δικτύου Οι επιδράσεις των κυριότερων στοιχείων του έξυπνου δικτύου στην αξιοπιστία Ανανεώσιμες πηγές Διαχείριση φορτίου-απόκριση ζήτησης Συσκευές αποθήκευσης Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς Διαχείριση και Απόκριση Ζήτησης Διαχείριση ζήτησης (Demand Side Management) Περιγραφή έννοιας Κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη του DSM Τεχνικές του DSM που έχουν εφαρμοστεί Μέτρα του DSM Απόκριση ζήτησης (Demand Response) Περιγραφή έννοιας Οφέλη της απόκρισης ζήτησης Στρατηγικές απόκρισης φορτίου Μείωση μεγίστου (peak clipping)

12 Μετατόπιση φορτίου (load shifting) Επιτόπου παραγωγή (on-site generation) Είδη Προγραμμάτων Απόκρισης Ζήτησης Price Based Incentive Based Διάκριση εννοιών Demand Response και Demand Side Management Εφαρμογές Απόκρισης Ζήτησης στην Ευρώπη Αξιοπιστία δικτύου διανομής Περιγραφή έννοιας Αποτίμηση αξιοπιστίας Δείκτες αξιοπιστίας Δείκτες εξυπηρέτησης πελατών Ενεργειακοί δείκτες Παράμετροι αξιοπιστίας σημείων του δικτύου Τυπικές τιμές δεικτών αξιοπιστίας Επίδραση της απόκρισης ζήτησης στην αξιοπιστία του δικτύου διανομής Διάκριση μεταξύ απόκριση ζήτησης και διακοπής παροχής Είδη περικοπής φορτίου Δείκτες αξιοπιστίας με την παρουσία της απόκρισης ζήτησης Μοντελοποίηση του DR για ανάλυση αξιοπιστίας Απόκριση ζήτησης και ασφάλεια Η απόκριση ζήτησης ως λύση για την ενίσχυση της αξιοπιστίας Η επίδραση κάθε είδους απόκρισης φορτίου στην αξιοπιστία Υπηρεσίες παροχής αξιοπιστίας Παροχή υπηρεσιών αξιοπιστίας από αποκρινόμενα φορτία Ικανοποίηση απαιτήσεων αξιοπιστίας μέσω της προσφοράς βοηθητικών υπηρεσιών από φορτία Το πλεονέκτημα της απόκρισης για αξιοπιστία έναντι της απόκρισης για μείωση μέγιστου φορτίου Απαιτούμενα χαρακτηριστικά φορτίων για παροχή υπηρεσιών αξιοπιστίας

13 4.4.7 Ικανότητα φορτίων για απόκριση σε κρίσιμες περιόδους Ανάλυση αξιοπιστίας Μέθοδοι υπολογισμού αξιοπιστίας Διαγράμματα μπλοκ αξιοπιστίας (Reliability Block Diagrams-RBDs) Στοιχεία σε σειρά Στοιχεία παράλληλα Δέντρα σφαλμάτων (Fault Trees) Μέθοδος Markov Περιγραφή της μεθόδου Βήματα της μεθόδου Markov Εφαρμογή μεθόδων υπολογισμού αξιοπιστίας σε απλή τοπολογία Στοιχεία αξιοπιστίας εξαρτημάτων δικτύου διανομής Ρυθμός αποτυχίας και χρόνος επιδιόρθωσης Αιτίες αποτυχίας εξαρτημάτων του δικτύου Αξιοπιστία και αποτυχία Η καμπύλη bathtub Επίδραση υπερφόρτισης στον ρυθμό αποτυχίας του μετασχηματιστή Ρυθμοί αποτυχίας στοιχείων του δικτύου Διακόπτες Μετασχηματιστές Γραμμές καλώδια Αιτίες διακοπής παροχής ηλεκτρισμού Μέθοδοι βελτίωσης αξιοπιστίας σε δίκτυα διανομής Κόστος μη εξυπηρετούμενης ενέργειας πελατών Παράγοντες επίδρασης στην αξία του μη εξυπηρετούμενου φορτίου Διάκριση άμεσου και έμμεσου κόστους διακοπής Είδη καταναλωτών Διαχείριση της ζήτησης σε κατοικίες και γραφεία Τροποποίηση καμπύλης φορτίου ανάλογα με την τεχνική DSM

14 6.2 Εξοικονόμηση ενέργειας σε κατοικίες (Energy Conservation) Βασικοί τρόποι εξοικονόμησης ενέργειας σε κατοικίες Μέτρα μεταβολής της κατανάλωσης σε κατοικίες σε περιόδους αιχμής Εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια γραφείων Τεχνικές απόκρισης ζήτησης σε γραφεία Σε συστήματα κλιματισμού, εξαερισμού και θέρμανσης (Heating, Ventilation and Air-Conditioning systems, HVAC systems) Σε συστήματα φωτισμού Σε άλλα φορτία Συνδυασμός τεχνικών ελέγχου όλων των φορτίων του κτιρίου Προηγμένες μέθοδοι ελέγχου των φορτίων του κτιρίου Παραδείγματα σεναρίων διαχείρισης-απόκρισης ζήτησης Ενημέρωση καταναλωτών με ανατροφοδότηση πληροφοριών (Feedback) Τρόποι ενημέρωσης καταναλωτών In-house displays (IHD) Ambient displays Websites Informative billing Περιεχόμενο πληροφοριών Προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης (dynamic pricing) Μεταβλητές που επιδρούν στα αποτελέσματα των προγραμμάτων Συγκεντρωτικά αποτελέσματα πιλοτικών εφαρμογών Αποτίμηση αξιοπιστίας στο NEPLAN Περιγραφή Βήματα ανάλυσης αξιοπιστίας Αποτελέσματα ανάλυσης Πίνακας δεικτών σε σημεία τροφοδοσίας φορτίων Πίνακας δεικτών συστήματος Εφαρμογές σεναρίων διαχείρισης-απόκρισης ζήτησης στο NEPLAN

15 8.1 Δίκτυο προσομοίωσης Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά στοιχείων του δικτύου προσομοίωσης Μοντελοποίηση καμπυλών φορτίου Κτίρια γραφείων Οικιακοί καταναλωτές Ανάλυση ροής φορτίου με προφίλ φορτίων Περιγραφή Αποτελέσματα ανάλυσης ροής φορτίου Ανάλυση Αξιοπιστίας Περιγραφή Ανάλυση αξιοπιστίας ανά χρονικές περιόδους κατανάλωσης Αποτελέσματα τις ανάλυσης αξιοπιστίας ανά περίοδο κατανάλωσης Απόκριση Ζήτησης σε περιόδους αιχμής (1-3μμ και 8-10μμ) Σενάριο Σενάριο Σενάριο Σενάριο Συμπεράσματα-Προοπτικές Σύνοψη συμπερασμάτων Προτάσεις για μελλοντική έρευνα Βιβλιογραφία

16 1 Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια λόγω της αυξανόμενης ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας εντείνεται η ανάγκη για εύρεση λύσης στο ζήτημα της ικανοποίησης των καταναλωτών με στόχο την αποφυγή κατασκευής νέων συμβατικών μονάδων παραγωγής και επέκτασης των δικτύων μεταφοράς. Ταυτόχρονα, εξαιτίας του παγκόσμιου αυξανόμενου περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος έχει αρχίσει η όλο και πιο οργανωμένη αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Η διείσδυση των ΑΠΕ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας οδήγησε στη Διανεμημένη Παραγωγή, δηλαδή στη παραγωγή ενέργειας μικρής κλίμακας με μονάδες κοντά στο φορτίο. Ωστόσο, η συνεχώς αυξανόμενη ένταξη των μονάδων Διανεμημένης Παραγωγής στα δίκτυα μέσης και χαμηλής τάσης επιφέρει προβλήματα στην διαχείριση των δικτύων αυτών και στην ικανότητα τους να επιτελέσουν σωστά τη λειτουργία τους. Απαιτείται λοιπόν αναβάθμιση των δικτύων διανομής με χρήση νέων ψηφιακών τεχνολογιών, ώστε να αποκτήσουν δυνατότητα αμφίδρομης ροής πληροφοριών και να γίνει δυνατός ο έλεγχος των φορτίων των καταναλωτών. Η τάση αυτή οδηγεί στη δημιουργία των Έξυπνων Δικτύων. Η έννοια των Έξυπνων Δικτύων, εκτός από τις λειτουργίες της παρακολούθησης και του ελέγχου των φορτίων, περιλαμβάνει και τις έννοιες της Διαχείρισης και της Απόκρισης της ζήτησης. Στην κατεύθυνση αυτή οδήγησε η ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας και αποσυμφόρησης των δικτύων διανομής κατά τις περιόδους αιχμής της ζήτησης. Η Απόκριση Ζήτησης αναφέρεται στους μηχανισμούς της Διαχείρισης της Ζήτησης αποκρινόμενη σε συνθήκες προσφοράς, όπως είναι η μείωση της κατανάλωσης σε περιόδους αιχμής λόγω αυξημένης χρέωσης της καταναλισκόμενης ενέργειας. Λόγω της αυξημένης ζήτησης, της διείσδυσης των ΑΠΕ και επιπλέον, της μελλοντικής χρησιμοποιήσης ηλεκτρικών οχημάτων, η διατήρηση και η ενίσχηση της αξιοπιστίας των δικτύων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Ο όρος της αξιοπιστίας αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος ή 16

17 υποσυστήματος να επιτελέσει μια συγκεκριμένη λειτουργία για καθορισμένο χρονικό διάστημα σε κάποιο περιβάλλον. Οι ξαφνικές διακοπές παροχής ηλεκτρικής ενέργειας επιδρούν στην αξιοπιστία του δικτύου και μειώνουν το επίπεδο αξιοπιστίας του. Οι διακοπές αυτές μπορεί να οφείλονται είτε σε βλάβη κάποιου στοιχείου του δικτύου λόγω δυσμενών καιρικών συνθηκών, γήρανσης, ελλέιψης συντήρησης, ελαττωμάτων σχεδίασης είτε σε υπερφόρτιση λόγω υψηλής ζήτησης από τους καταναλωτές. Η τεχνικές της διαχείρισης και της απόκρισης ζήτησης στοχεύουν στην μείωση της κατανάλωσης σε περιόδους αιχμής. Αποτέλεσμα της εφαρμογής τέτοιων στρατηγικών είναι η μείωση της υπερφόρτισης του δικτύου, η ομαλοποίηση της καμπύλης ζήτησης και συνεπώς ο περιορισμός των απρογραμμάτιστων διακοπών που οφείλονται στον παράγοντα της υπερφόρτισης. Έτσι βελτιώνεται η αξιοπιστία του δικτύου και οι καταναλωτές απολαμβάνουν υπηρεσίες υψηλότερου επιπέδου. 1.1 Αντικείμενο της διπλωματικής Στην παρούσα διπλωματική μελετάται η επίδραση της εφαρμογής τεχνικών διαχείρισηςαπόκρισης ζήτησης στην αξιοπιστία του δικτύου διανομής. Οι τεχνικές εφαρμόζονται στα φορτία οικιακών καταναλωτών και σε κτίρια γραφείων. Για την αποτίμηση της αξιοπιστίας στο δίκτυο πριν και μετά την απόκριση ζήτησης χρησιμοποιούνται δείκτες αξιοπιστίας και γίνεται και υπολογισμός του κόστους μη εξυπηρετούμενης ενέργειας ώστε να αποτυπωθεί η αξία της αξιοπιστίας σε νομισματικές μονάδες. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω του προγράμματος Neplan. 1.2 Οργάνωση κειμένου Σκοπός της διπλωματικής είναι η αξιολόγηση της επίδρασης της διαχείρισης-απόκρισης ζήτησης στην αξιοπιστία των έξυπνων δικτύων διανομής. Για την ολοκλήρωση της εργασίας και την διεξαγωγή συμπερασμάτων, αρχικά συγκεντρώθηκε βιβλιογραφία σχετική με το 17

18 θέμα και έπειτα πραγματοποιήθηκε το πείραμα με προσομοίωση ενός δικτύου μικρής κλίμακας και εφαρμογή σεναρίων διαχείρισης ζήτησης στα φορτία των καταναλατών. Η διάρθρωση του κειμένου είναι η εξής: Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύεται η έννοια του Έξυπνου Δικτύου. Αναφέρονται τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά και οι διαφορές που παρουσιάζονται σε σχέση με τη λειτουργία των σημερινών δικτύων. Επίσης γίνεται μια συνοπτική περιγραφή των τεχνολογιών και των συσκευών που εντάσσονται σ αυτό καθώς και τηε επίδρασης των κύριων στοιχείων του (ΑΠΕ, ηλεκτρικά οχήματα, συσκευές αποθήκευσης, Απόκριση Ζήτηση) στην αξιοπιστία. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά οι έννοιες της Διαχείρισης και της Απόκρισης Ζήτησης (DSM/DR), τα οφέλη τους, οι διάφορες τεχνικές DSM, τα είδη των προγραμμάτων DR, ενώ γίνεται και μια προσπάθεια για διάκριση των δύο όρων. Παρουσιάζονται επίσης και οι εφαρμογές προγραμμάτων DR σε διάφορες χώρες της Ευρώπης. Στο τέταρτο κεφάλαιο η διπλωματική εργασία εστιάζει στην αξιοπιστία των δικτύων διανομής και στην αποτίμησή της μέσω των δεικτών αξιοπιστίας. Γίνεται επίσης ανάλυση της επίδρασης που επιφέρει η Απόκριση της Ζήτησης στην αξιοπιστία και της δυνατότητας των αποκρινόμενων φορτίων να παρέχουν βοηθητικές υπηρεσίας αξιοπιστίας, εκτός από την συμβολή τους στη μείωση της κατανάλωσης σε ώρες αιχμής. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται οι διάφορες μέθοδοι υπολογισμού της αξιοπιστίας και τα χαρακτηριστικά στοιχεία αξιοπιστίας των συνιστωσών του δικτύου. Δίνονται οι ορισμοί του ρυθμού αποτυχίας και του χρόνου επιδιόρθωσης βλάβης, καθώς και οι παράγοντες που επηρεάζουν την κανονική λειτουργία των εξαρτημάτων. Τέλος, γίνεται μια περιγραφή του κόστους μη εξυπηρετούμενης ενέργειας, των παραγόντων που επιδρούν στην αξία της χαμένης ισχύος και των διάφορων κατηγοριών καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας. Στο έκτο κεφάλαιο δίνεται έμφαση στην διαχείριση της ζήτησης και στις τεχνικές απόκρισης της ζήτησης που μπορούν να εφαρμοστούν συγκεκριμένα σε κατοικίες και σε κτίρια γραφείων. Δίνονται οι τεχνικές που ανταποκρίνονται στα διάφορα είδη φορτίων των γραφείων και στις ηλεκτρικές οικιακές συσκευές. Επιπλέον, αναφέρονται και μέτρα εξοικονόμησης ενέργειας για τα δύο αυτά είδη καταναλωτών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αναλύεται ο ρόλος της ενημέρωσης των καταναλωτών μέσω της ανατροφοδότησης 18

19 πληροφοριών (feedback) και οι δυνατοί τρόποι ενημέρωσης τους, καθώς και τα πιο διμοφιλή προγράμματα κυμαινόμενης τιμολόγησης. Τέλος αναφέρονται συνοπτικά τα αποτελέσματα πιλοτικών εφαρμογών τεχνικών feedback και δυναμικής τιμολόγησης σύμφωνα με έρευνες που έχουν γίνει σε οικιακούς καταναλωτές και σε γραφεία. Στο έβδομο κεφάλαιο περιγράφεται η ανάλυση αξιοπιστίας στο πρόγραμμα Neplan, που χρησιμοποιήθηκε στο πειραματικό μέρος της διπλωματικής. Αναφέρονται τα βήματα της ανάλυσης αξιοπιστίας και οι δείκτες που δίνει ως αποτελέσματα της ανάλυσης το πρόγραμμα. Στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται προσομοίωση ενός δικτύου για την μελέτη της επίδρασης της διαχείρισης-απόκρισης της ζήτησης με εφαρμογή διάφορων σεναρίων διαχείρισης των φορτίων του δικτύου. Η αποτίμηση των αποτελεσμάτων γίνεται με τους δείκτες αξιοπιστίας και τον υπολογισμό του κόστους του μη εξυπηρετούμενου φορτίου. Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο αναλύονται τα συμπεράσματα των πειραμάτων και προτείνονται διάφορες ιδέες για μελλοντική έρευνα. 19

20 2 Έξυπνα Δίκτυα (Smart Grids) 2.1 Περιγραφή Τα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζουν διάφορα θέματα. Κάποια από αυτά είναι η σχετικά χαμηλή απόδοση και οι υψηλές απώλειες, ενώ η ραγδαία αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις που έχουν να αντιμετωπίσουν. Πέραν αυτού, η ανάγκη για διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο υπάρχον δίκτυο ώστε να μειωθούν οι περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις εξαιτίας της εκμετάλλευσης ορυκτών καυσίμων οδηγεί σε μια νέα εποχή για τον τομέα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας και δημιουργεί νέες προκλήσεις για την επιτυχή ενσωμάτωση τους. Επιπλέον, ένα άλλο νέο ζήτημα είναι η προώθηση των ηλεκτρικών οχημάτων (plug in hybrid electric vehicles),αφού αναμένεται να αποτελέσουν ένα επιπλέον σημαντικά μεγάλο φορτίο. Η αντιμετώπιση θεμάτων αξιοπιστίας του δικτύου, όπως τυχαία συμβάντα, αλλά και θεμάτων ασφάλειας κρίνεται επιτακτική. Όλα τα παραπάνω, οδηγούν στην εξέλιξη των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μια προσπάθεια αντιμετώπισης όλων αυτών των ζητημάτων με το βέλτιστο δυνατό τρόπο. Αυτή η κατεύθυνση αναβάθμισης των υφιστάμενων δικτύων αποτελεί τα έξυπνα δίκτυα. Χαρακτηριστικό των έξυπνων δικτύων είναι η αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ καταναλωτών και προμηθευτών ηλεκτρικής ενέργειας. Τα έξυπνα δίκτυα χρησιμοποιούν αισθητήρες, μετρητές, ψηφιακά συστήματα ελέγχου και εργαλεία ανάλυσης δεδομένων για την αυτοματοποίηση, την παρακολούθηση και τον έλεγχο της αμφίδρομης ροής ενέργειας σε όλες τις λειτουργίες από το σταθμό ηλεκτροπαραγωγής μέχρι τα σπίτια των καταναλωτών. 20

21 Με την αξιοποίηση των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών, των στρατηγικών διαχείρισης και απόκρισης της ζήτησης (Demand side management/demand response) και των on-line υπηρεσιών καταφέρνει να ενισχύσει την αξιοπιστία του δικτύου. Το έξυπνο δίκτυο παρακολουθεί και καλύπτει τις ανάγκες των χρηστών, συντονίζοντας τις δυνατότητες των παραγωγών, των διαχειριστών, των δικτύων και των καταναλωτών με το ελάχιστο κόστος και επίδραση στο περιβάλλον. Η δυνατότητα ανταλλαγής πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο επιτρέπει στους καταναλωτές να ελέγχουν την κατανάλωση τους, να εξοικονομούν ενέργεια και να αποκρίνονται σε αυξημένες τιμές ηλεκτρισμού ή σε κρίσιμα γεγονότα. Η Εταιρεία Παροχής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ESCO) ή ο Διαχειριστής του Δικτύου Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (DSO) μπορεί να βελτιστοποιεί την απόδοση του δικτύου διανομής, να προλαμβάνει τις διακοπές παροχής, να αποκαθιστά ταχύτερα τις βλάβες που προκαλούν διακοπές και να επιτρέπει στους πελάτες να διαχειρίζονται την κατανάλωση ρεύματος αναλυτικά, μέχρι και το επίπεδο της μεμονωμένης διασυνδεδεμένης ηλεκτρικής συσκευής. Τα έξυπνα δίκτυα μπορούν επίσης να ενσωματώνουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η αιολική και η ηλιακή, και να αλληλεπιδρούν σε τοπικό επίπεδο με διανεμημένες πηγές ενέργειας ή με συνδεόμενα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Σχήμα 2.1 : Αναπαράσταση έξυπνου δικτύου [2]. 21

22 2.2 Καθοριστικά χαρακτηριστικά των έξυπνων δικτύων είναι. Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα ενός έξυπνου δικτύου είναι [56]: Κάθε έξυπνο δίκτυο παρέχει μια διασύνδεση μεταξύ των συσκευών του καταναλωτή και των επενδυτικών αγαθών του συστήματος ενέργειας (σταθμοί παραγωγής, δίκτυα μεταφοράς και διανομής). Αυτού του είδους η αμφίδρομη επικοινωνία επιτρέπει στον καταναλωτή να ελέγχει την κατανάλωση του και του προσφέρει περισσότερες επιλογές. Επιπλέον, ενισχύει την διαχείριση της ζήτησης (DSM) από τους διαχειριστές του συστήματος που μπορούν να ελέγχουν με ευκολία τα διαθέσιμα φορτία, καθώς το σύστημα αποκτά ευελιξία και προσαρμοστικότητα. Το έξυπνο δίκτυο είναι τουλάχιστον ημιαυτόνομο. Με την χρησιμοποίηση έξυπνων συστημάτων (εξελιγμένοι αισθητήρες) και την παρακολούθηση του δικτύου ενεργοποιείται η απόκριση σε ερεθίσματα, με ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση. Το έξυπνο δίκτυο αξιοποιεί με το βέλτιστο τρόπο τον εξοπλισμό του συστήματος ενέργειας. Η αξιοπιστία του δικτύου ενισχύεται και αναβάλλονται επεκτάσεις των δικτύων μεταφοράς και η κατασκευή επιπλέον σταθμών παραγωγής μέσω στρατηγικών απόκρισης που βελτιστοποιούν την ροή ισχύος μεταξύ των υφιστάμενων δικτύων. Εξαιτίας της δυνατότητας επικοινωνίας κατά τις ώρες αιχμής και την πιθανή απόκριση του καταναλωτή σε σήματα που φέρουν πληροφορίες για αυξημένες τιμές, το επίπεδο μέγιστης ζήτησης μειώνεται και ως επακόλουθο μειώνεται η ανάγκη για παραγωγή ενέργειας από τις ακριβότερες μονάδες. Το έξυπνο δίκτυο υποστηρίζει την διείσδυση διανεμημένης παραγωγής στο υπάρχον συμβατικό σύστημα παραγωγής. Βελτιωμένη επικοινωνία και προηγμένες τεχνολογίες μέτρησης δίνουν την δυνατότητα για έξυπνη ενσωμάτωση της διανεμημένης παραγωγής. Αυτό προτρέπει τους καταναλωτές (οικιακούς, εμπορικούς, βιομηχανικούς) να επανεκτιμήσουν την πιθανότητα εγκατάστασης εξοπλισμού τοπικής παραγωγής 22

23 ενέργειας στο χώρο τους. Έτσι ο καταναλωτής μετατρέπεται σε παραγωγό και καταναλωτή ηλεκτρικής ενέργειας ταυτόχρονα (prosumer). 2.3 Βασικές διαφορές μεταξύ έξυπνου δικτύου και συμβατικού δικτύου. Το συμβατικό δίκτυο απέχει σε μεγάλο βαθμό από την έννοια του έξυπνου δικτύου. Από τη σύγκριση τους προκύπτουν σημαντικές διαφορές, κάποιες από τις οποίες περιγράφονται παρακάτω [57]. Το έξυπνο δίκτυο είναι προσαρμοστικό και έχει την δυνατότητα αυτοίασης. Εστιάζει στην πρόληψη, ανιχνεύει πιθανά προβλήματα και αποκρίνεται άμεσα χωρίς να επιδρά στον καταναλωτή. Αντιθέτως, στο συμβατικό δίκτυο υπάρχουν δυσλειτουργίες που συχνά καταλήγουν σε εκτεταμένες διακοπές ρεύματος (blackout) ώστε να αποτραπούν περαιτέρω ζημιές. Οι καταναλωτές σε ένα έξυπνο δίκτυο έχουν πολλές επιλογές, είναι ενημερωμένοι και συμμετέχουν ενεργά στην αγορά ενέργειας. Το υπάρχον δίκτυο είναι ευάλωτο σε καταπονήσεις και φυσικές καταστροφές ενώ το έξυπνο δίκτυο είναι ανθεκτικό σε τέτοιους κινδύνους με ικανότητα ταχείας αποκατάστασης της βλάβης. Το επίκεντρο του συμβατικού δικτύου είναι η προσφορά αδιάλειπτης ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς να εστιάζει σε θέματα ποιότητας της παρεχόμενης ενέργειας. Σε αντίθεση με τους στόχους ενός ευφυούς δικτύου να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις των καταναλωτών προσφέροντας υψηλής ποιότητας ηλεκτρική ενέργεια ή διαφορετικές ποιότητες σε διαφορετικές τιμές. Τα ευφυή δίκτυα διευκολύνουν όλες τις επιλογές παραγωγής (ανανεώσιμες πηγές, διανεμημένη παραγωγή) και αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει στο σημερινό δίκτυο κεντρικής παραγωγής όπου με δυσκολία ενσωματώνονται τα παραπάνω. 23

24 Το έξυπνο δίκτυο χρησιμοποιεί ψηφιακές διατάξεις, πληθώρα αισθητήρων, φορητές συσκευές έλεγχου και αμφίδρομη επικοινωνία. Τα στοιχεία αυτά δεν υπάρχουν στο συμβατικό δίκτυο αφού διαθέτει ελάχιστους αισθητήρες, δεν υπάρχει παρακολούθηση και αμφίδρομη ροή πληροφοριών. 2.4 Τεχνολογίες έξυπνου δικτύου. Για τον εκσυγχρονισμό ενός συμβατικού δικτύου και την εξέλιξη του ώστε να αποκτήσει ευφυΐα απαιτείται η υιοθέτηση κάποιων τεχνολογιών. Κάποιες βρίσκονται σε στάδιο ανάπτυξης ενώ άλλες έχουν ήδη εφαρμοστεί. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι τεχνολογίες του ευφυούς δικτύου [2]: Γενική παρακολούθηση και έλεγχος. Πρόκειται για γενική παρακολούθηση (monitoring) όλου του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η παρακολούθηση γίνεται σε πραγματικό χρόνο και αφορά τις λειτουργίες παραγωγής, μεταφοράς και διανομής και τις διασυνδέσεις μεταξύ διάφορων περιοχών. Έτσι μειώνονται οι πιθανότητες εμφάνισης σφαλμάτων στο δίκτυο και παρέχεται εποπτεία σε ειδικού τύπου τεχνολογίες παραγωγής όπως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επίσης, τα δεδομένα που συγκεντρώνονται αποτελούν τη βάση για τις στρατηγικές λήψης αποφάσεων. Information Communication Technology (ICT). Αποτελεί την υποδομή της μεταφοράς της πληροφορίας. Το έξυπνο δίκτυο προϋποθέτει τη μεταφορά πληροφορίας διπλής ροής και μέσα για την επίτευξη αυτής της λειτουργίας είναι το διαδίκτυο, τα τηλεφωνικά δίκτυα, τα ραδιοφωνικά δίκτυα κτλ. ΑΠΕ και διανεμημένη παραγωγή. Η αποκέντρωση της παραγωγής έχει απασχολήσει τους φορείς λήψης αποφάσεων στην αγορά ενέργειας. Η διανεμημένη παραγωγή προσφέρει λύσεις για κάλυψη απομονωμένων φορτίων. Εμπορικά κτίρια και κατοικίες θα μπορούσαν να καλύπτουν μέρος των αναγκών 24

25 τους από μονάδες διανεμημένης παραγωγής. Το ευφυές δίκτυο περιλαμβάνει μονάδες ελέγχου και αποθηκευτικά μέσα για τη βέλτιστη λειτουργία τους. Διαχείριση του δικτύου διανομής. Το έξυπνο δίκτυο χρησιμοποιεί αισθητήρες σε καλώδια τροφοδοσίας και μετασχηματιστές, αυτόματους διακόπτες και εισάγει αυτοματισμούς στους υποσταθμούς που συμβάλλουν στην σταθεροποίηση της τάσης, στην ανίχνευση των σφαλμάτων και στη μείωση του χρόνου αποκατάστασης αυτών. Εξελιγμένη υποδομή μέτρησης (Advanced Metering Infrastructure, AMI). Το AMI είναι από τις βασικότερες τεχνολογίες ευφυούς δικτύου και παρέχει αμφίδρομη επικοινωνία, καταγραφή του φορτίου σε πραγματικό χρόνο, αποστολή δεδομένων που αφορούν τις τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας κ.α. Χρησιμοποιεί έξυπνους μετρητές και αισθητήρες για την καταγραφή των δεδομένων των φορτίων τα οποία χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή συμπερασμάτων για τα πρότυπα της κατανάλωσης. Υποδομή υποστήριξης της λειτουργίας ηλεκτρικών οχημάτων. Για την υποστήριξη των ηλεκτρικών οχημάτων απαιτούνται συστήματα για τη σύνδεση και τη φόρτιση τους. Το ευφυές δίκτυο έχει την δυνατότητα να επιτρέψει την διείσδυση τους στην σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας. Εκτός από περιβαλλοντικό όφελος τα ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να συμβάλλουν στην μείωση της αιχμής του φορτίου, σε περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται ως συσκευές αποθήκευσης φθηνής ηλεκτρικής ενέργειας φορτίζοντας τα σε ώρες χαμηλής ζήτησης και έχουν την δυνατότητα να την προσφέρουν στο δίκτυο σε περιόδους αιχμής. Συστήματα στην πλευρά των καταναλωτών. Είναι οι διατάξεις και οι εφαρμογές που αποσκοπούν στον έλεγχο της κατανάλωσης και στην εγκατάσταση έξυπνων συσκευών. Νέες προσεγγίσεις προτείνουν την ανάπτυξη εφαρμογών για συσκευές κινητής τηλεφωνίας αλλά και τη χρήση των μέσων κοινωνικής δικτύωσης για την δημιουργία τάσεων ευρείας αποδοχής της ενεργειακής αποδοτικότητας. 25

26 2.5 Συσκευές έξυπνου δικτύου. Σταθερές συσκευές [57]: Συσκευές εποπτικού ελέγχου και συλλογής δεδομένων (Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA) καθώς και συσκευές διανεμημένου αυτόματου ελέγχου (distribution automation, DA). Συσκευές αυτοματοποιημένης μέτρησης (Automation Meter Reading, AMR) και έξυπνους μετρητές (smart meters). Συστήματα παρακολούθησης και ελέγχου και συστήματα διαχείρισης ενέργειας (Energy Management Systems, EMS). Κινητές συσκευές [57]: Ασύρματοι αποστολείς δεδομένων και ήχου (voice and data dispatch radios). Συσκευές προσδιορισμού γεωγραφικής θέσης (GPS). Συσκευές αυτόματου εντοπισμού οχήματος (automatic vehicle location, AVL). Φορητοί υπολογιστές. Κινητά τηλέφωνα και άλλες συσκευές τηλεπικοινωνίας με πρόσβαση στο internet. 2.6 Προκλήσεις αξιοπιστίας του δικτύου. Η αξιοπιστία βρίσκεται στην πρώτη γραμμή του σχεδιασμού και της λειτουργίας του δικτύου λόγω του ιδιαίτερα υψηλού κόστους των απρογραμμάτιστων διακοπών παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα σύγχρονα δίκτυα βρίσκονται αντιμέτωπα με πολλούς παράγοντες που επηρεάζουν την αξιοπιστία και γι αυτό γίνεται πιο δύσκολο να επιτύχουν τους στόχους για ενισχυμένη αξιοπιστία. Έτσι επιτακτική είναι η ανάγκη για αντιμετώπιση των παρακάτω προκλήσεων που δυσχεραίνουν την αξιοπιστία του δικτύου. Για την αντιμετώπιση των προκλήσεων αυτών αναπόφευκτη είναι η ώθηση προς ένα πιο έξυπνο δίκτυο ικανό να 26

27 μετριάσει τα προβλήματα του σύγχρονου δικτύου. Οι προκλήσεις που ταυτόχρονα αποτελούν κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη των έξυπνων δικτύων είναι [39]: Η επιδείνωση της συμφόρησης του δικτύου διανομής, εξαιτίας μεταξύ άλλων της αβεβαιότητας, της ποικιλομορφίας και της αυξημένης ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές συνδεδεμένες σ αυτό. Οι πολυάριθμες και μεγαλύτερου μεγέθους μεταφορές σε πιο μακρινές αποστάσεις που αυξάνουν την αστάθεια και μειώνουν τα περιθώρια αξιόπιστης λειτουργίας. Το δίκτυο που λειτουργεί στα όρια του συχνά λόγω: Ανεπαρκών επενδύσεων. Της αυξανόμενης κατανάλωσης ενέργειας και της υψηλότερης μέγιστης ζήτησης ισχύος. Της γήρανσης της υποδομής. Της μεγιστοποίησης της χρησιμοποίησης του εξοπλισμού με χρήση σύγχρονων εργαλείων για παρακολούθηση, ανάλυση και έλεγχο. Η ενοποίηση των φορέων λειτουργίας που δημιουργεί πιο σύνθετα προβλήματα περιορίζοντας τους χρόνους αποφάσεων και τα περιθώρια λάθους. Η μαζική διείσδυση της διανεμημένης παραγωγής που καθιστά ασαφή την διάκριση μεταξύ μεταφοράς και διανομής και επιτείνει την πολυπλοκότητα και την αστάθεια του δικτύου. 27

28 2.7 Οι επιδράσεις των κυριότερων στοιχείων του έξυπνου δικτύου στην αξιοπιστία Ανανεώσιμες πηγές. Οι ταχύτερα αναπτυσσόμενες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας είναι η αιολική και η ηλιακή. Εγγενές πρόβλημα της αιολικής ενέργειας είναι η περιορισμένη προβλεψιμότητα της που υποδεικνύεται από τους χαμηλούς συντελεστές χρησιμοποίησης (20%-40%) σε σύγκριση με αυτούς των συμβατικών γεννητριών [40]. Αυτό δημιουργεί προβλήματα στον έλεγχο και την αξιοπιστία του δικτύου [41]. Η μεταβλητότητα της αιολικής ενέργειας δεν συμπίπτει απαραίτητα με την μεταβλητότητα του φορτίου και γι αυτό δεν συνεισφέρει πάντα στην κάλυψη της μέγιστης ζήτησης, αφού υπάρχει πιθανότητα στις ώρες αιχμής να μην είναι διαθέσιμη. Η άφθονη ηλιακή ενέργεια που φτάνει στην επιφάνεια της γης ξεπερνά κατά περίπου 1000 φορές την ενέργεια που παράγεται από σημερινή παγκόσμια κατανάλωση ορυκτών καυσίμων κάθε χρόνο [42]. Μέχρι το 2020 η παραγωγή ισχύος από την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας αναμένεται να φτάσει τα 16GW [43].Οι δύο επικρατούσες τεχνολογίες εκμετάλλευσης της ενέργειας αυτής είναι τα φωτοβολταϊκά και τα ηλιοθερμικά συστήματα. Η μεταβλητότητα της ηλιακής ενέργειας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το κλίμα και την διαθεσιμότητα ηλιακής ακτινοβολίας. Οι συντελεστές χρησιμοποίησης των φωτοβολταϊκών είναι μεταξύ 10-20%, ενώ για τα θερμικά ηλιακά συστήματα με δυνατότητα αποθήκευσης μπορεί να φτάσει έως 70% [44]. Οι μεγάλης κλίμακας ηλιακές πηγές μπορεί να βρίσκονται μακριά από τα φορτία και κατά συνέπεια να αντιμετωπίζουν διάφορους περιορισμούς μεταφοράς. Ωστόσο, η ηλιακή ενέργεια συμπίπτει με την αυξημένη ζήτηση κατά τους θερινούς μήνες οπότε η αυξημένη διαθεσιμότητα της εκείνες τις περιόδους μπορεί να καλύψει τα αυξημένα φορτία των κλιματιστικών. Από την προσέγγιση της αξιοπιστίας, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η γεωθερμία και η βιομάζα συμπεριφέρονται παρόμοια με την συμβατική παραγωγή ενέργειας. Σε αντίθεση με την αιολική και την ηλιακή ενέργεια που γενικά έχουν δυσμενή επίδραση στην αξιοπιστία του δικτύου εξαιτίας: 28

29 Της μεταβλητότητας και των χαμηλών συντελεστών χρησιμοποίησης. Της χαμηλής συσχέτισης τους με τις καμπύλες φορτίου ειδικά για την αιολική ενέργεια. Της μεγάλης δυσκολίας πρόβλεψης για μακροχρόνιο διάστημα. Της συμφόρησης στη μεταφορά και τη διανομή εξαιτίας της εγκατάστασης μεγάλων και διανεμημένων μονάδων. Των ζητημάτων λειτουργικής απόδοσης όπως ο συγχρονισμός και η ρύθμιση τάσης. Οι συμβατικοί τρόποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (υδροηλεκτρικοί σταθμοί, ατμοηλεκτρικοί σταθμοί κτλ.) έχουν χρησιμοποιηθεί ως λύση στην κάλυψη της μεταβλητής ζήτησης των καταναλωτών. Όμως η ραγδαία ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας κάνει επιτακτική την ανάγκη απόκρισης της ζήτησης και εγκατάστασης συστημάτων αποθήκευσης, που μπορούν να συμπληρώσουν τις συμβατικές λύσεις [39] Διαχείριση φορτίου-απόκριση ζήτησης. Η διαχείριση του φορτίου περιλαμβάνει την μείωση του φορτίου ως απόκριση σε κρίσιμες καταστάσεις και/ή σε υψηλές τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοιες συνθήκες επικρατούν κυρίως κατά την διάρκεια περιόδων αιχμής ή σε περιπτώσεις κορεσμένης λειτουργίας του δικτύου. Η μείωση του φορτίου ως πρωτοβουλία του καταναλωτή αναφέρεται ως απόκριση της ζήτησης. Η απόκριση της ζήτησης σε καταστάσεις μη έκτακτης ανάγκης εκτιμάται σε εύρος 5% με 10% του μέγιστου φορτίου και μπορεί να προσφέρει σημαντικά οφέλη, περιορίζοντας τις ανάγκες για επιπλέον παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και μειώνοντας τις τιμές του ηλεκτρισμού [45]. Η απόκριση ζήτησης δεν μεταβάλει σε αξιοσημείωτο βαθμό την συνολική κατανάλωση ενέργειας αφού μεγάλο τμήμα της ενέργειας που εξοικονομείται κατά την περικοπή του φορτίου καταναλώνεται σε κάποια άλλη χρονική στιγμή. Ως αποτέλεσμα αυτού του χαρακτηριστικού της απόκρισης ζήτησης προκύπτει μια πιο επίπεδη καμπύλη φορτίου. Η απόρριψη φορτίου για προστασία του δικτύου σε επείγουσες καταστάσεις εφαρμόζεται είτε με εντολή από τον διαχειριστή του συστήματος είτε μέσω ρελέ προστασίας σε περιπτώσεις υπότασης ή/και μειωμένης συχνότητας. Το έξυπνο δίκτυο μπορεί να ενισχύσει τη διαχείριση του φορτίου ώστε να εκτελείται με περισσότερη ευφυΐα και μεγαλύτερη 29

30 συμμετοχή από τους καταναλωτές. Η διαφορετική χρέωση της ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογα με την χρονική περίοδο, σε ένα έξυπνο δίκτυο, καθιστά δυνατή την αυξημένη εκούσια συμμετοχή των καταναλωτών μέσω αυτοματοποιημένης ή χειρονακτικής απόκρισης και μέσω επικοινωνίας του καταναλωτή με την εταιρία παροχής ή τον διαχειριστή του συστήματος. Η απόκριση της ζήτησης, με την ικανότητα της να συνεισφέρει στην διαμόρφωση μιας πιο επίπεδης καμπύλης φορτίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την παροχή βοηθητικών υπηρεσιών με αποτέλεσμα την βελτίωση της αξιοπιστίας του δικτύου [39] Συσκευές αποθήκευσης. Ο κύριος τρόπος αποθήκευσης είναι τα συστήματα άντλησης και αποθήκευσης υδραυλικής ενέργειας [39]. Ωστόσο, η δυνατότητα περαιτέρω ανάπτυξης αυτών των συστημάτων είναι περιορισμένη σε σχέση με την ανάγκη για αποθήκευση ενέργειας που έχει προκύψει εξαιτίας της μεταβλητότητας της συμπεριφοράς των αναπτυσσόμενων ανανεώσιμων πηγών, της αιολικής και της ηλιακής ενέργειας. Διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης αναδύονται για να συμπληρώσουν το κενό. Η μπαταρία φαίνεται να είναι η πιο υποσχόμενη απ αυτές λόγω των πρόσφατων βελτιώσεων στην τεχνολογία της και στην οικονομία χώρου που προσφέρει. Η αποθήκευση γρήγορης απόκρισης, που ουσιαστικά δρα ως <<ανακυκλωτής>> ενέργειας, έχει την τάση να επιδρά στην καμπύλη ζήτησης μετασχηματίζοντας την σε πιο επίπεδη και ως αναμενόμενο αποτέλεσμα αυτού ενισχύει την αξιοπιστία του δικτύου. Οι μπαταρίες μπορούν να καταστήσουν δυνατή την πραγματοποίηση ταχύτατων ελέγχων σε έξυπνα δίκτυα, καθώς έχουν την δυνατότητα να αποκρίνονται μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Με διαφορετικού μεγέθους αποθήκευση διανεμημένη κατά μήκους του δικτύου, σε τελικούς καταναλωτές, σε υποσταθμούς αλλά και σε μεγάλους σταθμούς παραγωγής, μπορεί να επιτευχθεί αποσυμφόρηση των δικτύων διανομής και μεταφοράς [39] Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς. Τα ηλεκτρικά οχήματα (PEV, ecar) συνεχίζουν να γίνονται όλο και πιο δημοφιλή όσο οι περιβαλλοντικές ανησυχίες εντείνονται. Αποτελούν ένα σπουδαίο μέσο για να περιοριστεί η εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και η εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου στην 30

31 ατμόσφαιρα. Αναμένεται να αποτελέσουν σημαντικό παράγοντα της μελλοντικής αύξησης του φορτίου. Από την πλευρά της αξιοπιστίας, τα ηλεκτρικά οχήματα διακρίνονται από χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά της απόκρισης ζήτησης και της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας [39]. Όμως, δεδομένου ότι θα επιφέρουν ραγδαία αύξηση του φορτίου, τα PEVs μπορούν να επιβαρύνουν την μεταβλητότητα της ζήτησης και τα σχετικά με την αξιοπιστία προβλήματα ανάλογα με τα συστήματα φόρτισης και τις συνήθειες του καταναλωτή. Μεγάλης διάρκειας επαναφόρτιση οδηγεί σε μη διαθεσιμότητα του οχήματος κατά το χρονικό διάστημα αυτό. Κάτι τέτοιο ενδέχεται να μην γίνει αποδεκτό από τον καταναλωτή. Από την άλλη πλευρά, η σύντομη επαναφόρτιση είναι πιθανό να αυξήσει την συμφόρηση στο δίκτυο διανομής [39]. 31

32 3 Διαχείριση και Απόκριση Ζήτησης 3.1 Διαχείριση ζήτησης (Demand Side Management) Περιγραφή έννοιας. Η έννοια της διαχείρισης ζήτησης αναφέρεται στα προγράμματα και τις δράσεις που εφαρμόζουν οι εταιρίες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας με σκοπό τον έλεγχο, την διαμόρφωση και την μείωση της ζήτησης από τους καταναλωτές [3,20]. Τα προγράμματα αυτά στοχεύουν στην χρησιμοποίηση της διαθέσιμης ενέργειας πιο αποτελεσματικά έτσι ώστε να αποφευχθεί ή έστω να καθυστερήσει η εγκατάσταση νέων σταθμών παραγωγής και η περαιτέρω επέκταση των δικτύων μεταφοράς. Περιλαμβάνουν προγράμματα εξοικονόμησης ενέργειας και ενεργειακής αποδοτικότητας, προγράμματα απόκρισης της ζήτησης, προγράμματα υποκατάστασης καυσίμου και προγράμματα διαχείρισης φορτίου για εμπορικούς και οικιακούς καταναλωτές [3,21-23]. Το DSM μέσα από όλες αυτές τις δραστηριότητες για μεταβολή της ποσότητας ή/και της χρονικής στιγμής της κατανάλωσης αποφέρει οφέλη για τις εταιρίες παροχής, τους καταναλωτές και γενικά το κοινωνικό σύνολο. Η ανάγκη για αποδοτικότερη διαχείριση της ενέργειας προέκυψε εξαιτίας των ζητημάτων της ραγδαίας αύξησης της ζήτησης, της αβεβαιότητας των τιμών των καυσίμων και της επίδρασης στο περιβάλλον και της ανάγκης διείσδυσης των ανανεώσιμων μορφών ενέργειας στο υπάρχων δίκτυο διανομής. Με την υιοθέτηση και την κατάλληλη εφαρμογή των μέτρων αυτών η κατανάλωση των συμβατικών καυσίμων μπορεί να μειωθεί με 32

33 αποτέλεσμα την μείωση εκπομπής αέριων ρύπων. Για την επίτευξη των στόχων της διαχείρισης ζήτησης είναι απαραίτητη η αξιοποίηση τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας, η συνεχής εποπτεία και ο έλεγχος των εγκαταστάσεων, η εκμετάλλευση των ανανεώσιμων πηγών και η διαφορετική τιμολόγηση ανάλογα με την ώρα κατανάλωσης. Το τελευταίο είναι πολύ σημαντικό γιατί αντικατοπτρίζει το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον καταναλωτή δημιουργώντας κίνητρα για μείωση της κατανάλωσης σε ώρες αιχμής, με αποτέλεσμα την ομαλοποίηση της καμπύλης ζήτησης. Οι δύο πυλώνες του DSM είναι η ενεργειακή αποδοτικότητα (energy efficiency) και η απόκριση ζήτησης (demand response) [2]. Η ενεργειακή απόδοση περιλαμβάνει προγράμματα προώθησης ενεργειακά αποδοτικού εξοπλισμού στις διάφορες κατηγορίες καταναλωτών και αναφέρονται στον μακροπρόθεσμο σχεδιασμό μιας και οι μειώσεις της κατανάλωσης που φέρει η ενεργειακή αποδοτικότητα είναι μόνιμες [76]. Για παράδειγμα, η ενεργειακή αναβάθμιση ενός κτιρίου, η αντικατάσταση των συσκευών με καινούργιες που λειτουργούν πιο αποδοτικά είναι μέτρα που εξοικονομούν ενέργεια συνεχώς ακόμη και χωρίς μεταβολή των συνηθειών του καταναλωτή Κινητήριες δυνάμεις για την ανάπτυξη του DSM. Η προοπτική για αυξημένη αποδοτικότητα της λειτουργίας του συστήματος και των υφιστάμενων επενδύσεων στους τομείς της παραγωγής και της μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν τους κυριότερους λόγους για την εισαγωγή προγραμμάτων διαχείρισης ζήτησης [1]. Επιπλέον, η δέσμευση για λειτουργία βασισμένη σε απελευθερωμένη αγορά ηλεκτρισμού καθιστά τους καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας κεντρικά πρόσωπα στην διαδικασία αποφάσεων για την λειτουργία και την μελλοντική ανάπτυξη του συστήματος. Είναι φανερό ότι η αξιοποίηση του DSM υποστηρίζει την τάση για απελευθερωμένη αγορά ηλεκτρισμού και παρέχει δυνατότητες επιλογής στους καταναλωτές σχετικά με την χρήση του και δυνατότητες απόκρισης σε διακυμάνσεις στις τιμές του ηλεκτρισμού [1]. Ωστόσο, η διαχείριση της ζήτησης δεν έχει ενσωματωθεί πλήρως στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Υπάρχουν όμως ορισμένα θέματα που μπορούν να επιταχύνουν την διείσδυση της διαχείρισης ζήτησης, όπως η πρόκληση της κλιματικής αλλαγής που κάνει επιτακτική την ανάγκη για προστασία του περιβάλλοντος, η ανάπτυξη στον κλάδο της τεχνολογίας 33

34 πληροφοριών και επικοινωνιών (Information and Communication Technology, ICT) και η γήρανση του εξοπλισμού της υποδομής του ηλεκτρικού συστήματος [1] Τεχνικές του DSM που έχουν εφαρμοστεί. Η ιδέα της διαχείρισης της ζήτησης δεν είναι καινούργια και βασικές τεχνολογίες για την εφαρμογή της έχουν αναπτυχθεί. Κάποιες από τις κυριότερες τεχνικές που έχουν ήδη εφαρμοστεί αναφέρονται παρακάτω [1]: Νυχτερινή ηλεκτρική θέρμανση. Δεδομένου ότι οι σταθμοί βάσης έχουν χαμηλότερο κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η νυχτερινή ηλεκτρική θέρμανση έχει εφαρμοστεί σε πολλές χώρες. Η τεχνική αυτή επιτυγχάνει μια πιο ισορροπημένη χρήση του ηλεκτρισμού κατά την διάρκεια της ημέρας, αφού το αυξημένο φορτίο της ηλεκτρικής θέρμανσης μετατοπίζεται σε ώρες χαμηλής ζήτησης. Άμεσος έλεγχος φορτίου. Οικιακά προγράμματα για άμεσο έλεγχο φορτίων εφαρμόζονται σε συσκευές που μπορούν να σταματούν την λειτουργία τους σε σύντομο χρονικό διάστημα, όπως είναι τα κλιματιστικά, οι θερμοσίφωνες, οι αντλίες σε πισίνες. Απαραίτητη είναι η επικοινωνία μεταξύ της εταιρίας παροχής, του διαχειριστή του συστήματος και του καταναλωτή. Γι αυτό γίνεται εγκατάσταση ευφυών συστημάτων ανταλλαγής πληροφοριών και ελέγχου. Οι πελάτες που συμμετέχουν σε αυτά τα προγράμματα αποζημιώνονται με μειωμένους λογαριασμούς ηλεκτρισμού. Περιοριστές φορτίου. Οι περιοριστές φορτίου ορίζουν ένα όριο κατανάλωσης σε ατομικούς καταναλωτές. Η τεχνική αυτή δίνει την δυνατότητα στους καταναλωτές να επιλέξουν ποιες συσκευές θα χρησιμοποιήσουν και ποιες καταναλώσεις θα αναβάλλουν. 34

35 Εμπορικά/ βιομηχανικά προγράμματα. Προγράμματα διαχείρισης του μέγιστου φορτίου είναι διαθέσιμα σε μεγάλους εμπορικούς και βιομηχανικούς καταναλωτές. Ιδιαίτερα δημοφιλή είναι τα προγράμματα διακοπτόμενου φορτίου για την παροχή υπηρεσιών εφεδρείας και για βελτίωση της αξιοπιστίας του συστήματος. Οι συμμετέχοντες προέρχονται από τους κλάδους της διύλισης, των εξορύξεων, των κατασκευών, της επεξεργασίας του νερού. Για τους εμπορικούς καταναλωτές προσφέρονται προγράμματα για έλεγχο του συστήματος εξαερισμού, κλιματισμού και φωτισμού. Ρύθμιση συχνότητας. Η συχνότητα του συστήματος είναι στο άμεσο μέτρο ισορροπίας μεταξύ παραγωγής και ζήτησης και πρέπει να διατηρείται συνεχώς στα 50Hz με μικρές αποκλίσεις. Για παράδειγμα, την απώλεια μιας μεγάλης γεννήτριας ακολουθεί σημαντική πτώση της συχνότητας και το σήμα αυτό πυροδοτεί μειώσεις φορτίων που έτσι συνεισφέρουν στην ρύθμιση της συχνότητας. Μεγάλοι βιομηχανικοί καταναλωτές λαμβάνουν μέρος σε τέτοιες δραστηριότητες. Τιμολόγηση του ηλεκτρισμού ανάλογα με την ώρα. Οι διακυμάνσεις στην τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας αντανακλούν το κόστος παραγωγής της, δημιουργώντας κίνητρα για ολίσθηση φορτίου από περιόδους υψηλής σε περιόδους χαμηλής ζήτησης. Κατάλληλο για οικιακούς καταναλωτές. Προγράμματα προσφορών. Τα προγράμματα διατίθενται σε καταναλωτές που είναι πρόθυμοι να μειώσουν την κατανάλωση τους για μια προκαθορισμένη τιμή. Προγραμματίζοντας τους θερμοστάτες επιτυγχάνεται ο έλεγχος των κλιματιστικών και των συστημάτων θέρμανσης. Οι θερμοστάτες μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να υιοθετούν ρυθμίσεις ανάλογα με την τιμολόγηση της ηλεκτρικής ενέργειας και την εποχή. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ειδοποίηση των ενοίκων για συμμετοχή σε κάποιο γεγονός. Διάφορα προγράμματα που βασίζονται στην χρήση του 35

36 διαδικτύου εξελίσσονται και επιτρέπουν στον πελάτη να δέχεται πληροφορίες και να αναλαμβάνει ενεργό δράση για διαχείριση του μέγιστου φορτίου. Έξυπνες συσκευές και έξυπνοι μετρητές Η εφαρμογή των παραπάνω τεχνικών θα πρέπει να συνοδεύεται με την χρήση έξυπνων συσκευών. Θέτοντας ως στόχο την διευκόλυνση ενός τέτοιου συστήματος ενέργειας όπου κυριαρχούν οι συνεχείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός μεγάλου αριθμού οικιακών καταναλωτών, ένα ηλεκτρονικό σύστημα αγοράς ενέργειας υποστηριζόμενο από το διαδίκτυο χρειάζεται να αναπτυχθεί Μέτρα του DSM. Για την υιοθέτηση των τεχνικών και για συμμετοχή στα προγράμματα διαχείρισης ζήτησης θα πρέπει να ληφθούν μέτρα που θα κάνουν πιο οικεία την έννοια του DSM, που διακρίνονται σε τέσσερις κατηγορίες [2]: Προγράμματα ενημέρωσης Στοχεύουν στην ενημέρωση του κοινού για τα πλεονεκτήματα της ενεργειακής απόδοσης και γενικότερα της διαχείρισης ζήτησης. Κάποιοι τρόποι για την επίτευξη της ενημέρωσης είναι οι διαφημιστικές εκστρατείες, τα σεμινάρια, το διαδίκτυο. Η ενημέρωση είναι απαραίτητο μέτρο για την προώθηση του DSM στα διάφορα είδη καταναλωτών. Προγράμματα τεχνικής υποστήριξης Παρέχουν στους καταναλωτές ενεργειακές επιθεωρήσεις και καταγράφουν τα τεχνικά εμπόδια που υπάρχουν για την εισαγωγή μεθόδων μεταβολής της ζήτησης. Προγράμματα οικονομικής υποστήριξης Στοχεύουν στην μείωση του κόστους για την εισαγωγή μέτρων ενεργειακής απόδοσης. Τα προγράμματα περιέχουν δανειοδοτήσεις και επιδοτήσεις για αγορά ενεργειακά αποδοτικού εξοπλισμού. Η προώθηση του ενεργειακά αποδοτικού εξοπλισμού είναι βασική προσέγγιση του DSM. 36

37 Προγράμματα άμεσης παρέμβασης Πρόκειται για προγράμματα που παρεμβαίνουν στην αγορά και προωθούν αποδοτικό εξοπλισμό με μηδενικό κόστος. Οι κυβερνητικές οδηγίες που αναφέρονται στον καθορισμό των ελαχίστων κριτηρίων που πρέπει να πληροί ο εξοπλισμός για να θεωρείται ενεργειακά αποδοτικός είναι ουσιαστικά προγράμματα άμεσης παρέμβασης. 3.2 Απόκριση ζήτησης (Demand Response) Περιγραφή έννοιας. Η έννοια της απόκρισης ζήτησης αναφέρεται σε μεταβολές στο προφίλ κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από τους τελικούς καταναλωτές ως απόκριση σε διακυμάνσεις της τιμής του ηλεκτρισμού σε διαφορετικές χρονικές περιόδους. Επιπλέον, αναφέρεται σε πληρωμές κινήτρων σχεδιασμένων να επιφέρουν μείωση της κατανάλωσης σε περιόδους υψηλού κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ή όταν κινδυνεύει η αξιοπιστία του συστήματος [4,5,24,76]. Περιλαμβάνει όλες τις σκόπιμες τροποποιήσεις της κατανάλωσης ηλεκτρισμού που στοχεύουν σε μετατόπιση της κατανάλωσης από ώρες αιχμής σε περιόδους που η ζήτηση είναι χαμηλή, ή σε μείωση του επιπέδου της μέγιστης ζήτησης χωρίς αντιστάθμιση σε ώρες εκτός αιχμής. Δηλαδή έχουμε μετατόπιση των αιχμών ζήτησης της και υπέρθεση τους ώστε να προκύψει μια όσο γίνεται πιο ομαλή και συμφέρουσα από πλευρά κόστους παραγωγής καμπύλη ζήτησης. [4,5,25] Για την κινητοποίηση των καταναλωτών απαιτείται κατάλληλος σχεδιασμός και υλοποίηση ενεργειών καθώς και παρακολούθηση της ανταπόκρισης τους. Οι καταναλωτές που συμμετέχουν σε προγράμματα απόκρισης ζήτησης ενημερώνονται για τις διαφορετικές τιμολογήσεις της καταναλισκόμενης ενέργειας με σήματα που μεταδίδονται από τον διαχειριστή του συστήματος. 37

38 3.2.2 Οφέλη της απόκρισης ζήτησης Τα οφέλη που σχετίζονται με την εφαρμογή προγραμμάτων απόκρισης ζήτησης κατανέμονται σε τέσσερις κατηγορίες [4,5]: Οι καταναλωτές που συμμετέχουν στα προγράμματα αυτά επωφελούνται από μειωμένους λογαριασμούς ως ανταμοιβή για την μείωση της κατανάλωση τους σε ώρες αιχμής. Σε κάποιες περιπτώσεις οι καταναλωτές πληρώνονται για την συμμετοχή τους στο πρόγραμμα ή απολαμβάνουν χαμηλότερες τιμές για αύξηση της κατανάλωσης σε περιόδους εκτός αιχμής [5,24,26-28]. Εκτός από τους συμμετέχοντες όμως οικονομικά οφέλη προκύπτουν για όλους τους καταναλωτές ηλεκτρισμού. Οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας μειώνονται χάρη στην αποδοτικότερη αξιοποίηση της υπάρχουσας υποδομής και μείωση της ανάγκης για παραγωγή ενέργειας από τις ακριβές μονάδες. Έτσι αποφεύγονται ή έστω αναβάλλονται οι επεκτάσεις του δικτύου μεταφοράς και η εγκατάσταση νέων μονάδων παραγωγής [24,25,29]. Αξιοσημείωτη είναι η επίδραση στην βελτίωση της αξιοπιστίας του δικτύου που επηρεάζει όλη την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. Όλοι οι καταναλωτές υφίστανται λιγότερες διακοπές ρεύματος, ενώ οι διαχειριστές του δικτύου έχουν περισσότερες επιλογές για να διατηρήσουν την αξιοπιστία του δικτύου μειώνοντας έτσι τις ξαφνικές διακοπές παροχής ηλεκτρισμού [30]. Τέλος, ενισχύεται η απόδοση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας αφού οι συμμετέχοντες στα προγράμματα DR έχουν την δυνατότητα να επηρεάσουν την αγορά και τις τιμές του ηλεκτρισμού. Έτσι η απόκριση ζήτησης μειώνει την τάση των μεγάλων εταιριών παροχής ηλεκτρισμού να αυξάνουν σημαντικά τις τιμές άνω του κόστους παραγωγής [31-33]. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η επίδραση της απόκρισης ζήτησης στην διαμόρφωση της τιμής της ηλεκτρικής ενέργειας [4,5]. Η δυνατότητα αυτή της απόκρισης ζήτησης να οδηγεί σε χαμηλότερες τιμές οφείλεται στο γεγονός ότι το κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται εκθετικά καθώς στενεύουν τα περιθώρια για περαιτέρω αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Στις περιπτώσεις δηλαδή που η αυξημένη ζήτηση οδηγεί 38

39 το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στο όριο του, η τιμή της καταναλισκόμενης KWh αυξάνεται λόγω του αυξημένου κόστους παραγωγής της. Έτσι μια μικρή μείωση στη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη διάρκεια ενός γεγονότος απόκρισης της ζήτησης μπορεί να επιφέρει μεγάλη μείωση στο κόστος παραγωγής και κατά συνέπεια σημαντική πτώση στην τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας. Στο παράδειγμα του σχήματος η αρχική ζήτηση αναπαρίσταται από μια κάθετη γραμμή καθώς γίνεται η υπόθεση ότι το σύστημα λειτουργεί χωρίς την εφαρμογή προγραμμάτων απόκρισης ζήτησης. Η εφαρμογή προγραμμάτων DR εισάγει μια αρνητική κλίση στην αρχική καμπύλη της ζήτησης, με αποτέλεσμα μια περιορισμένη μείωση στη ζήτηση και μια αρκετά μεγάλου μεγέθους μέιωση στη τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 3.1: Επίδραση του DR στην διαμόρφωση της τιμής ηλεκτρικής ενέργειας [4,5] Στρατηγικές απόκρισης φορτίου. Οι καταναλωτές που συμμετέχουν στην απόκριση ζήτησης μπορούν να αποκριθούν στις υψηλές τιμές και στις επείγουσες καταστάσεις με τρεις διαφορετικούς τρόπους [4,5,24] Μείωση μεγίστου (peak clipping) Πρώτον, οι καταναλωτές μπορούν να μειώσουν την χρήση ηλεκτρισμού στις ώρες υψηλών τιμών ή κρίσιμών γεγονότων ανάλογα με το πρόγραμμα στο οποίο συμμετέχουν χωρίς μετά να την αντισταθμίσουν. Στην περίπτωση αυτή ο καταναλωτής υφίσταται σε κάποιο βαθμό απώλεια ανέσεων. Παράδειγμα τέτοιας απόκρισης είναι η αύξηση της θερμοκρασίας 39

40 ρύθμισης στο θερμοστάτη του κλιματιστικού τους θερινούς μήνες κατά την διάρκεια περιόδων αιχμής [34,35] Μετατόπιση φορτίου (load shifting) Δεύτερον, οι καταναλωτές μπορούν να αναβάλουν κάποιες δραστηριότητες τους που απαιτούν κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από περιόδους αιχμής σε άλλες χρονικές περιόδους. Για παράδειγμα κάποιος θα μπορούσε να αναβάλει την λειτουργία του πλυντηρίου για τις βραδινές ώρες. Εδώ λοιπόν ο καταναλωτής δεν έχει απώλεια ανέσεων Επιτόπου παραγωγή (on-site generation) Τέλος, κάποιοι καταναλωτές μπορούν να αποκριθούν με επί τόπου παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (διανεμημένη παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές) για την ικανοποίηση των αναγκών τους [36,37]. Αν και ο πελάτης δεν μειώνει ή μειώνει ελάχιστα την κατανάλωση του, η απαίτηση για ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο μειώνεται Είδη Προγραμμάτων Απόκρισης Ζήτησης Οι τεχνικές απόκρισης της ζήτησης διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Αυτές είναι οι Price Based Demand Response και Incentive Based Demand Response [5,24,76]. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει τιμολόγια με διαφορετική χρέωση κατά τη διάρκεια του χρόνου ενώ η δεύτερη προγράμματα που παρέχουν κίνητρα στους καταναλωτές για μεταβολή της ζήτησης [2,4,5] Price Based Time- of-use (TOU): Βασίζεται σε διαφορετική τιμολόγηση του ηλεκτρισμού κατά την διάρκεια του 24ώρου. Διαφορετικοί συντελεστές χρέωσης ισχύουν για κάθε χρονολογική ζώνη, αντικατοπτρίζοντας το μέσο κόστος παραγωγής και διανομής 40

41 του ηλεκτρισμού κατά την διάρκεια κάθε ζώνης. Εκτός από την ημερήσια διακύμανση υπάρχουν και διαφορετικά τιμολόγια ανά εποχή. Real time pricing (RTP): Η τιμή του ηλεκτρισμού αλλάζει ωριαία ανταποκρινόμενη στην ωριαία διακύμανση του κόστους παραγωγής. Οι πελάτες ενημερώνονται για τις τιμές μια ώρα ή μια μέρα πριν την εφαρμογή τους. Critical peak pricing (CPP): Η τεχνική αυτή είναι συνδυασμός των παραπάνω και περιλαμβάνει μια βασική TOU τιμολόγηση ενώ σε περιπτώσεις υψηλής αιχμής (όταν απειλείται η αξιοπιστία του δικτύου ή όταν οι τιμές παροχής ηλεκτρισμού είναι πολύ υψηλές) εφαρμόζεται μια επιπλέον χρέωση στην κανονική μέγιστη τιμή. Ο καταναλωτής ενημερώνεται μια μέρα πριν για την εφαρμογή της επιπλέον χρέωσης. Ως ανταμοιβή οι καταναλωτές που συμμετέχουν σε αυτά τα προγράμματα έχουν έκπτωση για κατανάλωση σε ώρες εκτός αιχμής. Critical peak rebate (CPR): Στην στρατηγική αυτή οι καταναλωτές ανταμείβονται ανάλογα με το πόσο μειώνουν την κατανάλωση τους στις ώρες υψηλής αιχμής. ουσιαστικά πρόκειται για το αντίστροφο της προηγούμενης μεθόδου. Τα προγράμματα αυτά γίνονται πιο εύκολα αποδεκτά από τους καταναλωτές γιατί δεν συνδέονται με την έννοια της ποινής όπως στα προγράμματα CPP, δεν έχει ωστόσο εφαρμοστεί ακόμη σε μεγάλο εύρος καθώς αποτελεί καινούργια στρατηγική. Extreme day pricing (EDP): Στην τιμολόγηση αυτού του είδους εφαρμόζεται μια επιπλέον χρέωση στις ώρες υψηλής αιχμής όπως στα CPP όμως η αυξημένη αυτή τιμή ισχύει για όλη την ημέρα χωρίς να έχουν ενημερωθεί οι καταναλωτές την προηγούμενη μέρα. Extreme day CPP (ED-CPP): Εδώ εφαρμόζονται δύο επίπεδα αυξημένων χρεώσεων για ώρες εντός και εκτός αιχμής κατά την διάρκεια των επικίνδυνων για το δίκτυο ημερών. Ωστόσο τις υπόλοιπες μέρες η τιμολόγηση του ηλεκτρισμού δεν έχει διακυμάνσεις. Σημαντικό είναι ότι στο price-based DR η απόκριση των καταναλωτών που συμμετέχουν σε κάποιο πρόγραμμα δεν είναι υποχρεωτική. Οι πελάτες μπορούν να ανταποκρίνονται ανάλογα με τις ανάγκες τους στις διαφορετικές χρεώσεις. 41

42 Incentive Based Direct load control (DLC): Στο πρόγραμμα του άμεσου ελέγχου ο διαχειριστής του προγράμματος μπορεί να διακόψει την λειτουργία κάποιων φορτίων (κλιματιστικά, θερμοσίφωνες) απομακρυσμένα, μετά από σύντομη ειδοποίηση του καταναλωτή. Οι καταναλωτές που συμμετέχουν σε αυτά τα προγράμματα επωφελούνται με μειώσεις στους λογαριασμούς τους. Τα προγράμματα άμεσου ελέγχου των φορτίων απευθύνονται κυρίων σε οικιακούς ή μικρούς εμπορικούς καταναλωτές. Interruptible/ curtailable programs (I/C) : Πρόκειται για προγράμματα αποκοπής φορτίου. Οι συμμετέχοντες σε τέτοιου είδους προγράμματα έχουν έκπτωση στους λογαριασμούς αλλά η συμμετοχή τους στην μείωση του φορτίου σε προκαθορισμένες τιμές είναι υποχρεωτική. Ο πάροχος μπορεί να ζητήσει αποκοπή φορτίου σε κρίσιμες για το σύστημα καταστάσεις και μπορούν να τεθούν ποινές σε περίπτωση μη αποκοπής. Τέτοια προγράμματα προσφέρονται κυρίως σε μεγάλους βιομηχανικούς ή εμπορικούς καταναλωτές. Demand bidding/buyback programs: Προγράμματα προσφορών που ενθαρρύνουν τον καταναλωτή να προσφέρει μείωση του φορτίου του σε μια αγορά χονδρικής στην τιμή στην οποία θέλουν και προγράμματα που δίνουν την δυνατότητα στους καταναλωτές να αποφασίσουν το μέγεθος του φορτίου που θα αποκόψουν σε μια συγκεκριμένη τιμή. Σε περίπτωση που η προσφορά ενός πελάτη γίνει δεκτή και η μείωση φορτίου δεν πραγματοποιηθεί εφαρμόζονται κυρώσεις. Emergency demand response programs: Αναφέρονται σε προγράμματα επείγουσας ανάγκης που προσφέρουν κίνητρα μέσω πληρωμών προς τους πελάτες για μειώσεις φορτίων σε κρίσιμες περιόδους για την αξιοπιστία του δικτύου. Και εδώ υπάρχουν ποινές σε περίπτωση μη ανταπόκρισης των πελατών. Capacity market programs: Πρόκειται για προγράμματα αγοράς ισχύος που προσφέρονται σε καταναλωτές που μπορούν να εγγυηθούν εκ των προτέρων για συγκεκριμένη μείωση φορτίου σε κρίσιμες καταστάσεις. Ενημέρωση των καταναλωτών γίνεται μια μέρα πριν. Σε αυτήν την κατηγορία προγραμμάτων οι πελάτες υπόκεινται σε αυστηρές ποινές αν δεν ανταποκριθούν. 42

43 Ancillary services market programs: Τα προγράμματα αγοράς βοηθητικών υπηρεσιών δίνουν την δυνατότητα στους πελάτες να προσφέρουν περικοπές φορτίου στους διαχειριστές του συστήματος. Εφόσον οι προσφορές γίνουν αποδεκτές πληρώνονται στην τιμή της αγοράς ώστε να βρίσκονται σε ετοιμότητα σε περίπτωση που χρειαστεί η αποκοπή του συμφωνηθέντος φορτίου. Σε αντίθεση με την προηγούμενη κατηγορία, στο incentive-based DR οι καταναλωτές που έχουν συμφωνήσει με συμβόλαιο για την συμμετοχή τους στο κάθε πρόγραμμα υποχρεούται να ανταποκρίνονται στο περιορισμό της ζήτησης στις κρίσιμες για το σύστημα περιόδους [2,4,5]. Σε διαφορετική περίπτωση επιβάλλονται οικονομικές ποινές. Σχήμα 3.2: Ο ρόλος του DR στον σχεδιασμό και τη λειτουργία του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας [2]. 43

44 3.3 Διάκριση εννοιών Demand Response και Demand Side Management Όπως έχει αναφερθεί και στα προηγούμενα η έννοια του DSM περιλαμβάνει τις έννοιες της απόκρισης ζήτησης (Demand Response, DR) και της ενεργειακής αποδοτικότητας (Energy Efficiency,ΕΕ). Η διαφοροποίηση των δύο εννοιών είναι δύσκολη, ωστόσο υπάρχουν κάποια χαρακτηριστικά που τις διαχωρίζουν [38]. Τα προγράμματα DSM ενθαρρύνουν τον καταναλωτή να χρησιμοποιεί την ηλεκτρική ενέργεια πιο αποδοτικά με στόχο την εξοικονόμηση όλες τις περιόδους. Κάποιες ενέργειες που μπορούν να γίνουν από την πλευρά τους καταναλωτή είναι η ενεργειακή αναβάθμιση της κατοικίας του, η αντικατάσταση παλαιών συσκευών με καινούριες υψηλότερης απόδοσης, η χρησιμοποίηση λαμπτήρων φθορισμού αντί για πυρακτώσεως, η κατάλληλη ρύθμιση των θερμοστατών του κλιματιστικού και του θερμοσίφωνα καθώς και απλές κινήσεις εξοικονόμησης ενέργειας. Σε αντίθεση, τα προγράμματα DR παρακινούν τον καταναλωτή να μειώσει την κατανάλωση του σε συγκεκριμένες περιόδους (ώρες αιχμής, επείγουσες καταστάσεις για την αξιοπιστία του δικτύου). Αυτό δεν οδηγεί πάντοτε σε συνολική μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας αφού συνήθως οι καταναλωτές που αποκρίνονται εκείνες τις ώρες, περικόπτοντας φορτία, μετατοπίζουν την κατανάλωση σε άλλες χρονικές περιόδους μέσα στην μέρα. Το DSM περιλαμβάνει μακροπρόθεσμο σχεδιασμό του φορτίου και τα οφέλη του δεν είναι άμεσα, ενώ το DR με βραχυπρόθεσμες, προσωρινές μεταβολές στην καμπύλη του φορτίου στοχεύει σε άμεσα αποτελέσματα. Τα κίνητρα για συμμετοχή των καταναλωτών είναι κυρίως οι διακυμάνσεις στις τιμές του ηλεκτρισμού και οι πληρωμές για παροχή βοηθητικών υπηρεσιών σε περιπτώσεις που κινδυνεύει η αξιοπιστία του δικτύου. Το βασικό κίνητρο είναι η εξοικονόμηση χρημάτων εξαιτίας της μειωμένης κατανάλωσης σε μόνιμη βάση. Η θετική επίδραση των στρατηγικών DSM στο περιβάλλον είναι σημαντικό όφελος, αφού η μειωμένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας μειώνει την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα και συνεισφέρει στην εξοικονόμηση ορυκτού πλούτου. Αντιθέτως η συνεισφορά του DR στο περιβάλλον δεν είναι σίγουρη όταν πρόκειται μόνο για προσωρινές τροποποιήσεις ή για μετατοπίσεις της κατανάλωσης. 44

45 Τα προγράμματα DR έχουν μικρότερο οικονομικό ρίσκο γι αυτό και γίνονται πιο εύκολα αποδεκτά από τους καταναλωτές, ενώ τα μέτρα του DSM που αναφέρονται σε εξοικονόμηση μέσω αντικατάστασης εξοπλισμού ή ανακαίνισης ενός κτιρίου απαιτούν αρχικά έξοδα που αποτελούν ανασταλτικό παράγοντα για τους καταναλωτές. Τέλος, ενώ τα προγράμματα απόκρισης ζήτησης περιορίζονται στην κατανάλωση ηλεκτρισμού, τα προγράμματα DSM μπορούν να επεκταθούν και σε δράσεις εξοικονόμησης άλλων καταναλώσεων όπως του νερού. 3.4 Εφαρμογές Απόκρισης Ζήτησης στην Ευρώπη Οι σχεδιασμοί της αγοράς και οι πολιτικές που εφαρμόζονται στις περισσότερες ευρωπαϊκές χώρες δεν έχουν βοηθήσει στην προώθηση καινοτομιών και ευκαιριών απόκρισης ζήτησης στις αγορές ηλεκτρισμού. Κάποια από τα προγράμματα DR που είναι σε εφαρμογή στα κράτη μέλη της ΕΕ έχουν εστιάσει σε μεγάλους βιομηχανικούς καταναλωτές και παρουσιάζουν φτωχά υποκατάστατα των πιθανών οφελών που θα προέκυπταν μέσα από μια πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση της απόκρισης ζήτησης, συμπεριλαμβανομένου προειδοποιημένη αποκοπή φορτίων σε εμπορικούς και οικιακούς καταναλωτές [46]. Τα τελευταία είκοσι χρόνια, οι ευρωπαϊκές εταιρίες παροχής έχουν χρησιμοποιήσει διάφορες μορφές μηχανισμών αποκοπής φορτίου σε μεγάλους βιομηχανικούς καταναλωτές για να μειώσουν την ζήτηση κατά τις ώρες αιχμής. Τα προγράμματα αυτά συνήθως δεν βασίζονται σε ακριβή σήματα τιμών, που αποτελούν την βάση της δυναμική τιμολόγησης. Είναι λιγότερο δαπανηρά στην εφαρμογή τους και βασίζονται σε διακριτά χρονικά διαστήματα και τιμολόγηση της διακοπής. Για παράδειγμα, στη Σουηδία ένας προσωρινός νόμος για τα αποθέματα μέγιστης ισχύος ίσχυε από το 2003 μέχρι το Βασιζόταν σε μελέτες για την απόκριση ζήτησης που έδειχναν ότι οι περισσότερες σουηδικές βιομηχανίες είχαν την δυνατότητα να αντιμετωπίσουν αποκοπές φορτίων που θα διαρκούσαν από 30 λεπτά έως 3 ώρες την μέρα. Ο νόμος θεσπίστηκε από την κυβέρνηση της Σουηδίας με σκοπό την εξασφάλιση επαρκούς εφεδρείας [47]. Οργανώθηκαν δημοπρασίες για την διατήρηση του εφεδρικού δυναμικού μέχρι τα 2000MW. Μετά από μία περίοδο εφαρμογής του νόμου διεξήχθη αξιολόγηση για να διερευνηθεί πως οι συμμετέχοντες αξιοποιούσαν τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των αποκοπών φορτίων για να προετοιμάσουν το έδαφος για μια λύση βασισμένη στην αγορά [46]. 45

46 Στη Φιλανδία, παρόμοια με ότι συνέβη στην Σουηδία, για αρκετά χρόνια εφαρμόστηκαν προγράμματα αποκοπής φορτίου για την εξασφάλιση εφεδρείας. Εταιρίες υπέγραφαν ετήσια συμβόλαια με τον διαχειριστή του εθνικού δικτύου μεταφοράς ηλεκτρισμού. Το 2005 το συνολικό δυναμικό της απόκρισης ζήτησης από μεγάλης κλίμακας βιομηχανικούς καταναλωτές που συμμετείχαν στα προγράμματα είχε εκτιμηθεί περίπου στα 1280MW, που αποτελεί το 9% της μέγιστης ζήτησης ισχύος στη Φιλανδία [48]. Έπειτα το 2008 η βασική εταιρία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας της Φιλανδίας επένδυσε σε ένα προηγμένο σύστημα μέτρησης ώστε να διαβάζει, να ελέγχει και να διαχειρίζεται αυτόματα τα σημεία μέτρησης των πελατών της [46]. Στην Ολλανδία ο Υπουργός Οικονομικών έχει εκτιμήσει το δυναμικό της διαχείρισης φορτίου μεταξύ MW. Ο αριθμός αυτός αναμένεται να αυξηθεί σταδιακά μέχρι το 2020 και βασίζεται σε ένα σύστημα προσφορών για εφεδρεία και ρύθμιση ισχύος [49]. Τα παραπάνω παραδείγματα αφορούσαν μακροχρόνιες εφαρμογές που ως στόχο είχαν τους μεγαλύτερους και πιο ενεργοβόρους βιομηχανικούς καταναλωτές. Ωστόσο πλέον σε αρκετές χώρες τα προγράμματα απόκρισης ζήτησης έχουν εξελιχθεί ώστε να κινητοποιήσουν εμπορικούς και οικιακούς καταναλωτές να συμμετέχουν [46]. Τυπικό παράδειγμα προγράμματος που βασίζεται σε διαφορετική τιμολόγηση ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες εφαρμόστηκε στη Γαλλία [50]. Περίπου οικιακοί πελάτες και πάνω από μικρές επιχειρήσεις χρησιμοποίησαν το τιμολόγιο αυτό. Η διάκριση των ημερών με βάση την τιμή γινόταν με ένα σύστημα χρωμάτων ( άσπρες και κόκκινες ημέρες) και μια υπόδειξη για το αν η κάθε ώρα ανήκει στην περίοδο εκτός αιχμής(8 ώρες) ή όχι. Οι πελάτες μπορούσαν να προσαρμόσουν την κατανάλωση τους είτε χειροκίνητα είτε επιλέγοντας ένα πρόγραμμα αυτοματοποιημένης σύνδεσης και αποσύνδεσης φορτίων (θέρμανση, θερμοσίφωνες). Βάσει υπολογισμών για την μέση κατοικία στη Γαλλία(10kW), η τιμολόγηση αυτή έφερε μείωση της τάξης του 15% στην κατανάλωση τις άσπρες ημέρες και 45% τις κόκκινες ημέρες [50]. Αυτό σημαίνει ότι οι πελάτες εξοικονόμησαν κατά μέσο όρο 10% στον λογαριασμό ηλεκτρισμού. Επιπλέον, εκτιμάται ότι η εφαρμογή προγράμματος άμεσης αποκοπής φορτίου θα έχει ως αποτέλεσμα εξοικονόμηση 35TWh ανά έτος μέχρι το 2020 [46]. Στη Δανία, έρευνες έχουν δείξει ότι τα οφέλη από τα προγράμματα συμβολαίων απόκρισης ζήτησης σε οικιακούς καταναλωτές θα είναι σημαντικά. Περίπου 260MW θα μπορούσαν να αφαιρεθούν από το μέγιστο φορτίο σε μια τυπική ημέρα κατά την χειμερινή περίοδο, αν το 46

47 50% των νοικοκυριών που διαθέτουν ηλεκτρική θέρμανση υπέγραφαν συμβόλαια απόκρισης ζήτησης. Η ισχύς αυτή αντιστοιχεί στο 6% του μέγιστου φορτίου (6400MW) στη Δανία. Η πιλοτική εφαρμογή συμπεριλάμβανε 25 σπίτια και απέδειξε ότι είναι δυνατή η επίδραση της απόκρισης ζήτησης να φτάσει έως τα 5kW ανά κατοικία [51]. Ως επακόλουθο αυτής της έρευνας, η κύρια εταιρία παροχής ηλεκτρισμού της Δανίας ξεκίνησε την εγκατάσταση συστημάτων μέτρησης ετησίως με σκοπό να εξυπηρετήσει τους πελάτες της σε 5-6 χρόνια [46]. Η Νορβηγία εφαρμόζει ειδικά προγράμματα με στόχους που αφορούν την αναβολή επέκτασης του δικτύου: 10% μείωση της μέγιστης ζήτησης στην περιοχή του Όσλο, επιπλέον γνώση της συμπεριφοράς των καταναλωτών, και δημιουργία κινήτρων για διαχείριση της ζήτησης (DSM). Πιλοτικές μελέτες υποδεικνύουν ότι χάρη σε αυτά τα προγράμματα απόκρισης ζήτησης το φορτίο αιχμής των εμπορικών καταναλωτών μειώθηκε κατά 4,5MW και η εξοικονόμηση ενέργειας έφτασε στο 15% [46]. Στην Βρετανία ειδικά προγράμματα απόκρισης ζήτησης έχουν εφαρμοστεί για αρκετά χρόνια. Στο βιομηχανικό και εμπορικό τομέα, οι μεγάλοι καταναλωτές μπορούν να υπογράψουν συμβόλαια αποκοπής (Interruptible contracts) φορτίων και/ή διαφορετικής τιμολόγησης ανά ώρα κατανάλωσης (Time of Use) με τους παρόχους ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον ο διαχειριστής του συστήματος μπορεί να συμφωνήσει με μεγάλους καταναλωτές με όμοιο τρόπο και να τους συμπεριλάβει σε δραστηριότητες εξισορρόπησης του δικτύου. Από την πλευρά των οικιακών καταναλωτών εκτιμάται ότι περίπου 4,5 εκατομμύρια καταναλωτές έχουν ενταχθεί σε κυμαινόμενες τιμολογήσεις. Αυτό περιλαμβάνει προγράμματα που επιτρέπουν στον πελάτη να καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια κατά τις νυχτερινές ώρες που οι τιμές είναι χαμηλότερες. Ένα παράδειγμα τέτοιου προγράμματος (Time of Use) ονομάζεται Economy 7 και εφαρμόζει χαμηλότερη χρέωση του ηλεκτρισμού από τη 1 έως τις 8 το πρωί. Έτσι οι πελάτες μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ηλεκτρική θέρμανση τις ώρες αυτές και να ικανοποιήσουν τις ανάγκες θέρμανσης τους, εξοικονομώντας στον λογαριασμό τους. Για να συμμετέχουν σε αυτά τα προγράμματα οι καταναλωτές χρειάζονται δύο μετρητές καταγραφής που εγκαθίστανται από το διαχειριστή του δικτύου διανομής ή την εταιρία παροχής [46]. Στην Ιταλία προγράμματα αποκοπής φορτίων (Interruptible Programs) αντιπροσωπεύουν το 6,5% του μέγιστου φορτίου και προγράμματα πτώσης φορτίων (Load Shedding Programs) αποκόπτουν αυτόματα φορτία σε επείγουσες καταστάσεις [52]. Στα προγράμματα αποκοπής φορτίου οι συμμετέχοντες υποχρεούνται να μειώσουν την κατανάλωση τους σε 47

48 προκαθορισμένες τιμές, ενώ με τα προγράμματα πτώσης φορτίων οι εταιρίες παροχής έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν τα φορτία των πελατών τους και να σταματούν τη λειτουργία τμημάτων του εξοπλισμού τους μετά από σύντομη προειδοποίηση. Μια σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο προγραμμάτων είναι ότι οι συμμετέχοντες στο πρόγραμμα αποκοπής φορτίου που δεν αποκρίνονται αντιμετωπίζουν ποινές. Επίσης στην Ιταλία εφαρμόζονται και διαφορετικές χρεώσεις με βάση την ώρα της κατανάλωσης (Time of Use rates) ώστε να μετατοπισθεί φορτίο από περιόδους αιχμής σε ώρες εκτός αιχμής [46]. Στην Ισπανία η ανάπτυξη στον τομέα της αιολικής ενέργειας θεωρείται ο κύριος λόγος για την εφαρμογή της απόκρισης ζήτησης [53]. Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες προγραμμάτων DR τα οδηγούμενα από το σύστημα και τα οδηγούμενα από τις τιμές. Τα προγράμματα της πρώτης κατηγορίας αλλάζουν με τον καιρό από κλασικά προγράμματα σε προγράμματα που στηρίζονται στην αγορά. Για παράδειγμα, ο άμεσος έλεγχος φορτίου (Direct Load Control) εφαρμοζόταν τα τελευταία 20 χρόνια, ενώ πλέον κερδίζουν έδαφος τα προγράμματα βοηθητικών υπηρεσιών (Ancillary Services). Από το 1988 μεγάλος αριθμός βιομηχανικών καταναλωτών είχε τη δυνατότητα να επιλέξει ειδικές χρεώσεις εθελοντικά. Ο διαχειριστής του συστήματος μεταφοράς της Ισπανίας είχε την αρμοδιότητα να ζητήσει από τις βιομηχανίες να περιορίσουν τη ζήτηση τους για περιόδους διαρκείας από 45 λεπτά μέχρι 12 ώρες, υπό την προϋπόθεση ότι οι καταναλωτές θα είχαν λάβει ειδοποίηση. Ο μέγιστος αριθμός ωρών περικοπής φορτίων και αιτημάτων μείωσης της ζήτησης από το διαχειριστή είναι καθορισμένος εκ των προτέρων για κάθε πελάτη. Οι πελάτες των προγραμμάτων αυτών επωφελούνται με μειωμένες χρεώσεις της ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογα με τον αριθμό των αιτημάτων για μείωση της ζήτησης που δέχονται κατά τη διάρκεια ενός έτους. Πλέον γίνονται προσπάθειες των εταιριών παροχής να συμφωνήσουν με τους βιομηχανικούς καταναλωτές για αντικατάσταση των προγραμμάτων άμεσου ελέγχου με προγράμματα παροχής βοηθητικών υπηρεσιών στα οποία οι συμμετέχοντες θα μπορούν να προσφέρουν περικοπή των φορτίων τους, ως εφεδρεία, σε κάποια αποδεκτή από αυτούς τιμή. Αν οι προσφορές τους γίνονται δεκτές οι πελάτες θα πληρώνονται στην τιμή αυτή όταν η περικοπή φορτίου τους ζητηθεί [54]. Στην δεύτερη κατηγορία προγραμμάτων (price-led) διαφορετικές τιμολογήσεις παρέχουν οικονομικά κίνητρα για απόκριση ζήτησης [55]. Οι χρώσεις Time of Use βασίζονται στο διαχωρισμό των 8760 ωρών του έτους σε επτά περιόδους διαφορετικών τιμών. Για κάθε περίοδο, καθορίζεται ένα επίπεδο ζήτησης και μια διαφορετική χρέωση για την καταναλισκόμενη ενέργεια [46]. 48

49 4 Αξιοπιστία δικτύου διανομής 4.1 Περιγραφή έννοιας. Η έννοια της αξιοπιστίας του δικτύου διανομής, σύμφωνα με τον ορισμό του IEEE, αναφέρεται στην ικανότητα του συστήματος διανομής να επιτελεί την λειτουργία του υπό ορισμένες συνθήκες για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα χωρίς αποτυχία [6,8]. Η αξιοπιστία του δικτύου διανομής καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική αφού είναι απευθείας συνδεδεμένη με το επίπεδο ικανοποίησης των πελατών. Ωστόσο, στην πράξη, πολλοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση του συστήματος διανομής. Για παράδειγμα τα δίκτυα αυτά είναι συχνά εκτεθειμένα σε φυσικά φαινόμενα με αποτέλεσμα σε περίπτωση δυσμενών καιρικών συνθηκών η λειτουργία τους να επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις εξαιτίας της ακτινικής δομής του δικτύου διανομής αντί για μια πιο πολύπλοκη και πλεονάζουσα δικτυωτή/βροχοειδή μορφή, οποιαδήποτε αποτυχία κάποιου στοιχείου του δικτύου μπορεί να επιδράσει στην τροφοδοσία μεγάλου αριθμού καταναλωτών. Στοιχεία του δικτύου που είναι επιρρεπή σε αποτυχίες είναι οι γραμμές και τα καλώδια διανομής, οι μετασχηματιστές ισχύος, οι πυκνωτές και οι ρυθμιστές τάσης. Στην πραγματικότητα, το τυπικό σύστημα διανομής είναι υπεύθυνο για το 80% των προβλημάτων αξιοπιστίας που έχουν αντίκτυπο στους καταναλωτές [6,8,9]. Με την διείσδυση νέων ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών στο δίκτυο σε οικιακούς, εμπορικούς και βιομηχανικούς καταναλωτές, η ποιότητα και η συνεχής παροχή της 49

50 ηλεκτρικής ενέργειας αποτελούν πλέον πολύ σημαντικά θέματα. Αυτό καθιστά την αξιοπιστία κύριο ζήτημα του ευφυούς δικτύου. Μοντέρνα συστήματα αυτοματισμού υιοθετούν νέες τεχνικές για την ανίχνευση σφάλματος, την απομόνωση και την επαναφορά έτσι ώστε σε περίπτωση κάποιου σφάλματος στο δίκτυο να διακόπτεται η παροχή ηλεκτρισμού στο μικρότερο δυνατό μέρος του συστήματος ενώ οι υπόλοιποι καταναλωτές να τροφοδοτούνται κανονικά μέσω εναλλακτικών διαδρομών ή εναλλακτικών πηγών. Επιπλέον, λύσεις όπως συσκευές αδιάλειπτης παροχής ισχύος (UPS), συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και μορφές διανεμημένης παραγωγής ενέργειας είναι κάποιες εναλλακτικές είσοδοι στο δίκτυο διανομής που μπορούν να οδηγήσουν στην ενίσχυση της αξιοπιστίας του συστήματος διανομής. Ωστόσο παρά την αποτελεσματικότητα αυτών των συσκευών στην παροχή ηλεκτρικής ενέργειας για περιορισμένη χρονική περίοδο, ο ρόλος τους είναι ακόμα συμπληρωματικός και δεν έχουν την δυνατότητα να αντικαταστήσουν την ανάγκη για ενέργεια υψηλής αξιοπιστίας που παρέχεται από το δίκτυο διανομής [6,10,11]. Παραδοσιακά, μεγαλύτερα επίπεδα αξιοπιστίας μπορούν να επιτευχθούν μέσω ενίσχυσης της παραγωγικής ικανότητας, δηλαδή αύξησης του επιπέδου πλεονασμού του δικτύου. Ωστόσο η πρακτική αυτή έχει κάποιους περιορισμούς εξαιτίας του κόστους των επιπλέον επενδύσεων στην υποδομή του δικτύου. Επιπλέον, εκτός του κόστους η εγκατάσταση νέων σταθμών παραγωγής και εναέριων γραμμών μεταφοράς επιδρά δυσμενώς στο περιβάλλον. Η περιορισμένη παραγωγική ικανότητα του συστήματος θέτει σε κίνδυνο την απόδοση του ειδικά κατά την διάρκεια περιόδων αιχμής που η ζήτηση είναι αυξημένη και το δίκτυο λειτουργεί κοντά στο μέγιστο όριο του, με ελάχιστο ή καθόλου περιθώριο ασφάλειας. Υπό αυτές τις συνθήκες, η υπερφόρτιση μια γραμμής ή ενός μετασχηματιστή, ή η δυσλειτουργία ενός στοιχείου μπορεί να επιφέρει καταστροφικές συνέπειες ευρείας κλίμακας. Σημαντικό θεωρείται το ζήτημα της μείωσης των απωλειών ισχύος και ειδικά στο δίκτυο διανομής που παρατηρείται το μεγαλύτερο ποσοστό. Προηγμένα συστήματα αυτοματισμού σε επίπεδο διανομής και τροφοδοσίας μπορούν να συνεισφέρουν στον περιορισμό των απωλειών του συστήματος διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, για παράδειγμα μέσω της βελτιστοποίησης της τάσης και της άεργου ισχύος (Voltage and Var Optimization, VVO). Φυσικά η δυνατότητα μείωσης των απωλειών είναι περιορισμένη καθώς είναι αδύνατη η πλήρης εξάλειψή τους και δυστυχώς η στρατηγική αυτή δεν είναι ικανή να ανακουφίσει το δίκτυο από την συμφόρηση [6,12]. 50

51 4.2 Αποτίμηση αξιοπιστίας. Η αξιοπιστία του συστήματος μπορεί να αξιολογηθεί από δύο πλευρές, από την επάρκεια που σχετίζεται με την ύπαρξη ικανοποιητικών εγκαταστάσεων στο σύστημα για την κάλυψη των αναγκών των καταναλωτών σε ηλεκτρική ενέργεια, και από την ασφάλεια δηλαδή την ικανότητα του συστήματος διανομής να ξεπερνά τις διαταραχές που συμβαίνουν σ αυτό. Η επάρκεια αφορά στη στατική ισορροπία μεταξύ φορτίου και παραγωγής (και στην ύπαρξη εγκαταστάσεων ικανών να καλύπτουν την ζήτηση), ενώ η ασφάλεια αποτελεί την δυναμική απόκριση του συστήματος σε καταστάσεις σφαλμάτων και δυσλειτουργιών [6,13,14]. Η εταιρία παροχής διεξάγει ανάλυση έκτακτης ανάγκης με σκοπό τον εντοπισμό των ασθενέστερων σημείων στο δίκτυο. Οι περισσότερες εταιρίες παροχής σχεδιάζουν το δίκτυο τους για αντοχή σε συγκεκριμένο βαθμό απρόβλεπτων καταστάσεων, για παράδειγμα ένα δίκτυο μπορεί να είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε η αποτυχία ενός στοιχείου να μην προκαλεί καμία παρεμβολή ή διακοπή στους πελάτες (κανόνας N-1). Υψηλοτέρα επίπεδα αντοχής σε έκτακτες καταστάσεις (κανόνας Ν-κ) υιοθετούνται συχνά για τα σύγχρονα δίκτυα διανομής που τροφοδοτούν πιο ευαίσθητα φορτία [6] Δείκτες αξιοπιστίας. Για την μέτρηση της αξιοπιστίας του συστήματος χρησιμοποιούνται συχνά δείκτες αξιοπιστίας. Οι δείκτες αξιοπιστίας κατανέμονται σε τρεις κατηγορίες [6,7,14,15]: Δείκτες εξυπηρέτησης πελατών. Οι δείκτες αυτοί σχετίζονται με την απόδοση των υπηρεσιών που προσφέρονται από τις εταιρίες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι πιο συνηθισμένοι είναι οι παρακάτω: Ο δείκτης μέσης συχνότητας διακοπών του συστήματος (System average interruption frequency index,saifi). SAIFI= (συνολικός αριθμός διακοπών πελατών)/ (συνολικός αριθμός εξυπηρετούμενων πελατών). Ο δείκτης αυτός μετρά πόσες διακοπές θα συμβούν σε ένα μέσο καταναλωτή κατά τη διάρκεια ενός έτους. Για ένα δεδομένο αριθμό 51

52 καταναλωτών ο μόνος τρόπος βελτίωσης του δείκτη είναι η μείωση του αριθμού των διακοπών. Για τον υπολογισμό του δείκτη χρησιμοποιείται ο τύπος: SAIFI Ni CI (4.1) N T N T Όπου: N i ο συνολικός αριθμός των πελατών των οποίων η παροχή ηλεκτρισμού επηρεάζεται κατά την διάρκεια μιας διακοπής N T ο συνολικός αριθμός των εξυπηρετούμενων πελατών CI πελάτες που έχουν υποστεί διακοπή φορτίου Ο δείκτης μέσης συχνότητας διακοπών πελατών (Customer average interruption frequency index,caifi). CAIFI= (συνολικός αριθμός διακοπών πελατών)/ (συνολικός αριθμός διακοπτόμενων πελατών). Με το δείκτη αυτό γίνεται μια εκτίμηση του αριθμού των διακοπών, που παρατηρούνται στους καταναλωτές του συστήματος, οι οποίοι έχουν αναφέρει κάποια βλάβη. Μαθηματικά δίνεται από τον τύπο: N i CAIFI (4.2) CN Όπου: CN ο συνολικός αριθμός των καταναλωτών που βίωσαν μια τουλάχιστον διακοπή διαρκείας κατά την διάρκεια του χρονικού διαστήματος που μελετάται. 52

53 N i ο συνολικός αριθμός των καταναλωτών των οποίων η παροχή ηλεκτρισμού επηρεάζεται κατά την διάρκεια μιας διακοπής. Ο δείκτης μέσης διάρκειας διακοπών του συστήματος (System average interruption duration index, SAIDI). SAIDI= (άθροισμα διάρκειας διακοπών πελατών)/ (συνολικός αριθμός εξυπηρετούμενων πελατών). Ο δείκτης αυτός δείχνει τη διάρκεια των διακοπών που θα παρατηρηθούν σε ένα μέσο καταναλωτή κατά τη διάρκεια ενός έτους. Για ένα δεδομένο αριθμό διακοπών η βελτίωση του δείκτη επιτυγχάνεται είτε μέσω της μείωσης του αριθμού των διακοπών είτε μέσω της μείωσης της διάρκειάς τους. Σε περίπτωση πραγματοποίησης ενός εκ των δύο παραπάνω, με τη βελτίωση του δείκτη επιτυγχάνεται και βελτίωση της αξιοπιστίας του συστήματος. Υπολογίζεται ως εξής: SAIDI ri Ni CMI (4.3) N T N T Όπου: r i ο χρόνος αποκατάστασης για κάθε διακοπή φορτίου N i ο συνολικός αριθμός των πελατών των οποίων η παροχή ηλεκτρισμού επηρεάζεται κατά την διάρκεια μιας διακοπής N T ο συνολικός αριθμός των εξυπηρετούμενων πελατών CMI διάρκεια διακοπών πελατών 53

54 Ο δείκτης μέσης διάρκειας διακοπών πελατών (Customer average interruption duration index,caidi). CAIDI= (άθροισμα διάρκειας διακοπών πελατών)/ (συνολικός αριθμός διακοπών πελατών)=(saidi/saifi). Ο δείκτης αυτός δείχνει πόσο διαρκεί μία μέση διακοπή του συστήματος και είναι χρήσιμος για το πώς το σύστημα θα αντιδράσει. Η βελτίωση του δείκτη επιτυγχάνεται είτε μειώνοντας τη διάρκεια των διακοπών είτε αυξάνοντας τον αριθμό των διακοπών μικρής διάρκειας. Η βελτίωση του δείκτη δεν έχει απαραίτητα αποτέλεσμα και στην αξιοπιστία του συστήματος. Για τον υπολογισμό του δείκτη χρησιμοποιείται η σχέση: CAIDI i r N N i i SAIDI SAIFI (4.4) Ο δείκτης μέσης συχνότητας στιγμιαίων διακοπών (Momentary average interruption frequency index, MAIFI). MAIFI= (συνολικός αριθμός διακοπών πελατών διάρκειας μικρότερης από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα/ συνολικός αριθμός εξυπηρετούμενων πελατών). Ο δείκτης αυτός αναφέρεται σε στιγμιαίες/ μικρής διάρκειας διακοπές που προκαλούνται από μεταβατικά σφάλματα. Ο ορισμός της στιγμιαίας διακοπής ποικίλει μεταξύ των εταιριών παροχής. Υπολογίζεται από την σχέση: MAIFI IM N i mi (4.5) N T Όπου: N mi ο συνολικός αριθμός των πελατών των οποίων η παροχή ηλεκτρισμού διακόπτεται κατά την διάρκεια μιας στιγμιαίας διακοπής IM i ο αριθμός των στιγμιαίων/ μικρής διάρκειας διακοπών 54

55 Ο δείκτης μέσης διαθέσιμης παροχής ισχύος (Average service availability index, ASAI). ASAI= (διάρκεια διαθεσιμότητας παροχής ισχύος πελατών)/ (διάρκεια ζήτησης ισχύος πελατών). Ο δείκτης αυτός δείχνει τη διαθεσιμότητα του συστήματος ως προς την παροχή ισχύος, ενώ αυξάνοντάς τον βελτιώνονται και τα επίπεδα αξιοπιστίας του συστήματος. Και υπολογίζεται ως εξής: ASAI NT ( hours / yr) ri Ni (4.6) N ( hours / yr) T Ο δείκτης μη διαθέσιμης παροχής ισχύος συστήματος (Average system unavailability index, ASUI). ASUI= (διάρκεια μη διαθεσιμότητας παροχής ισχύος/ διάρκεια ζήτησης παροχής ισχύος πελατών). ASUI=1-ASAI (4.7) Average system interruption frequency index, ASIFI ASIFI= (σύνολο διακοπτόμενου φορτίου/ συνολικό συνδεδεμένο φορτίο) Ο υπολογισμός του δείκτη αυτού βασίζεται στο φορτίο που επηρεάζεται από τις διακοπές τροφοδοσίας, σε αντίθεση με τους προηγούμενους δείκτες που επικεντρώνονται στους πελάτες. ASIFI i (4.8) L T L Όπου: L i το συνδεδεμένο φορτίο σε kva η τροφοδοσία του οποίου διεκόπη για κάθε διακοπή φορτίου 55

56 LT το συνολικό συνδεδεμένο φορτίο του συστήματος σε kva Average system interruption duration index, ASIDI ASIDI= (συνολική διάρκεια διακοπτόμενου φορτίου/ συνολικό συνδεδεμένο φορτίο) ASIDI rl i i (4.9) L T Όπου: r i ο χρόνος αποκατάστασης για κάθε διακοπή φορτίου Ενεργειακοί δείκτες. Οι δείκτες αυτοί εκτιμούν την επάρκεια των συστημάτων παραγωγής κατά την διάρκεια στατικών καταστάσεων αλλά και της συντήρησης (διορθωτική ή προληπτική) [6,14,15]. Αναμενόμενη μη εξυπηρετούμενη ενέργεια (Expected energy not supplied, EENS) [hours/year] Ο δείκτης αυτός υπολογίζει το αναμενόμενο πλήθος ωρών σε μια χρονική περίοδο κατά τις οποίες το σύστημα παραγωγής αδυνατεί να καλύψει τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Ο δείκτης αυτός αναφέρεται επίσης και ως πιθανότητα απώλειας φορτίου (Loss of load probability, LOLP) ή αναμενόμενη απώλεια φορτίου (Loss of load expectation, LOLE). Δεν παρέχει όμως καμία πληροφορία για τη σοβαρότητα αυτής της ανεπάρκειας, γιατί απλώς δείχνει τις ώρες κατά τις οποίες θα υπάρχει απώλεια φορτίου χωρίς να λαμβάνει υπόψη το μέγεθος της απώλειας. Αναμενόμενη απώλεια ενέργειας (Loss of energy expectation, LOEE) [MWh/year] Είναι η αναμενόμενη ενέργεια που δεν θα παρασχεθεί από το σύστημα παραγωγής εξαιτίας των περιστάσεων εκείνων κατά τις οποίες το ζητούμενο φορτίο θα 56

57 υπερβαίνει την παραγόμενη ισχύ. Είναι καλύτερο μέγεθος για την εκτίμηση της σοβαρότητας της ανεπάρκειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύγκριση μεταξύ συστημάτων διαφορετικών μεγεθών ή για σύγκριση διαφορετικών επιπέδων φορτίων ενός συστήματος. Μέση μη παρεχόμενη ενέργεια (Average energy not supplied, AENS) [kwh/year] Πρόκειται για την συνολική μη παρεχόμενη ενέργεια προς τον συνολικό αριθμό των εξυπηρετούμενων πελατών. Συχνά αναφέρεται και ως μέσο διακοπτόμενο φορτίο (Average load interruption index). Δείκτης μέσης διακοπής συστήματος (Average system curtailment index, ASCI) Ο δείκτης αυτός υπολογίζεται ως η συνολική ετήσια διακοπή προς τον συνολικό αριθμό των εξυπηρετούμενων πελατών. Καθορίζει τις kwh που λόγω διακοπής δεν καταναλώθηκαν ανά πελάτη που εξυπηρετείται από το συγκεκριμένο σύστημα. Δείκτης μέσης διακοπής πελάτη (Average customer curtailment index, ACCI) Είναι η συνολική ετήσια διακοπή προς τον συνολικό αριθμό των πελατών που επηρεάζονται. Καθορίζει τον αριθμό των kwh των συνδεδεμένων φορτίων που διακόπηκαν για κάθε πελάτη που υφίσταται διακοπή, για ένα έτος Παράμετροι αξιοπιστίας σημείων του δικτύου. Παρακάτω αναφέρονται οι παάμετροι που επηρεάζουν την αξιοπιστία των διαφόρων σημείων του δικτύου [6,14]. Ρυθμός αποτυχίας, λ: ορίζεται ως ο λόγος του ολικού αριθμού των παρατηρούμενων αποτυχιών προς το συνολικό χρόνο λειτουργίας του συστήματος για την περίοδο της ανάλυσης και έχει μονάδες αντίστροφου χρόνου. Συνήθως εκφράζεται σαν επί της εκατό τιμή για 1000 ώρες ή ένα ημερολογιακό έτος (8760 ώρες) λειτουργίας. 57

58 Μέσος Χρόνος Μεταξύ Αποτυχιών, (Mean time between failures, ΜΤBF): ορίζεται ως η μέση τιμή της διάρκειας των χρονικών περιόδων μεταξύ διαδοχικών αποτυχιών για ορισμένη περίοδο της ζωής ενός στοιχείου και υπολογίζεται ως ο λόγος του συνολικού χρόνου λειτουργίας προς τον ολικό αριθμό των παρατηρούμενων αποτυχιών. Μέσος Χρόνος Εμφάνισης Αποτυχίας, (Mean time to failure, MTTF): ορίζεται ως ο λόγος του συνολικού χρόνου λειτουργίας προς τον ολικό αριθμό των παρατηρούμενων αποτυχιών. Διαφέρει από τον MTBF μόνο ως προς τον τρόπο χρησιμοποίησής του, καθώς αναφέρεται σε στοιχεία που δεν επισκευάζονται ενώ ο MTBF χρησιμοποιείται για στοιχεία που επισκευάζονται. Μέσος Χρόνος Διάρκειας Επιδιόρθωσης, (Mean time to repair, MTTR): ορίζεται ως η μέση τιμή της διάρκειας των χρονικών περιόδων επισκευής των στοιχείων που έχουν υποστεί αποτυχία. Ο MTTR εκφράζεται σαν ρυθμός, δηλαδή ως αντίστροφος του. Μέση διάρκεια μη διαθεσιμότητας (average outage time), r. Ετήσια μέση διάρκεια μη διαθεσιμότητας (annual average outage time), U. Οι ατομικοί δείκτες των πελατών συγκεντρώνονται και συνδυάζονται με το μέσο συνδεδεμένο φορτίο του πελάτη και τον αριθμό των πελατών σε κάθε σημείο του δικτύου με σκοπό τον υπολογισμό των δεικτών εξυπηρέτησης (SAIFI, SAIDI,CAIDI, ASAI) Τυπικές τιμές δεικτών αξιοπιστίας. Οι τυπικές τιμές των δεικτών αξιοπιστίας σύμφωνα με την αναφορά [61] είναι: SAIDI: 1,5-3 ώρες/χρόνο 58

59 CAIDI: λεπτά/διακοπή SAIFI: 1-2 διακοπές /χρόνο MAIFI: 0-10 στιγμιαίες διακοπές/χρόνο 4.3 Επίδραση της απόκρισης ζήτησης στην αξιοπιστία του δικτύου διανομής. Η ενεργητική ζήτηση αποτελεί άλλον έναν εναλλακτικό τρόπο που μπορεί να βοηθήσει στην τροποποίηση του προφίλ της ζήτησης μέσω αποκοπής φορτίων ή μετατόπισης κάποιων δραστηριοτήτων που απαιτούν ενεργειακή κατανάλωση από ώρες αιχμής σε περιόδους χαμηλής ζήτησης. Έτσι μειώνεται το μέγιστο της ζήτησης και ανακουφίζεται το σύστημα κατά τις περιόδους αιχμής. Αν και αυτό δεν μπορεί να θεωρηθεί μόνιμη λύση, βραχυπρόθεσμα μπορεί να καθυστερήσει την κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς και μονάδων παραγωγής, αναβάλλοντας πολυδάπανες επενδύσεις και ταυτόχρονα συμβάλλοντας στην προστασία του περιβάλλοντος [6]. Τα οφέλη αυτά, μαζί με τα οικονομικά οφέλη για τους παρόχους και τους καταναλωτές, κάνουν την απόκριση της ζήτησης μια πολύ ελκυστική λύση για τις εταιρίες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως, γι αυτό άλλωστε θεωρείται ένας από τους πυλώνες των έξυπνων δικτύων. Ανεξάρτητα από τον τύπο του προγράμματος DR που εφαρμόζεται το αποτέλεσμα ενός γεγονότος απόκρισης ζήτησης., που θεωρείται από την εταιρία παροχής ως κρίσιμη κατάσταση, θα μπορούσε να είναι η ακούσια μειωμένη κατανάλωση για έναν ή περισσότερους καταναλωτές. Παρόλο που η τακτική αυτή μειώνει τις πιθανότητες διακοπής της τροφοδότησης μεγάλου αριθμού καταναλωτών, εξακολουθεί να αποτελεί ξαφνική διακοπή για τους πελάτες και μεταφράζεται σε εξασθένιση της αξιοπιστίας και σε χαμηλότερες τιμές των δεικτών αξιοπιστίας, παρά σε μια τακτική ενίσχυσης της. Το συμπέρασμα αυτό αντικρούει την ευρέως αποδεκτή άποψη ότι η αποκρινόμενη ζήτηση βελτιώνει την αξιοπιστία του συστήματος διανομής [6]. Γι αυτό είναι σημαντικό η αξιολόγηση της επίδρασης της απόκριση ζήτησης να γίνεται σε συνδυασμό με την αξιοπιστία του δικτύου διανομής σε επίπεδο συστήματος και πελατών. Η κατάλληλη εφαρμογή των στρατηγικών απόκρισης ζήτησης απαιτεί τροποποίηση και αναβάθμιση του 59

60 δικτύου διανομής έτσι ώστε η ενσωμάτωση του DR να καταλήξει σε ενίσχυση της αξιοπιστίας του συστήματος [6,16-18] Διάκριση μεταξύ απόκριση ζήτησης και διακοπής παροχής. Ακόμη κι αν η απόκριση ζήτησης θα μπορούσε να οδηγήσει σε περικοπή φορτίων, είναι αναγκαία η διάκριση μεταξύ της μειωμένης κατανάλωσης ως αποτέλεσμα της απόκρισης ζήτησης και της συμβατικής διακοπής παροχής ηλεκτρικής ενέργειας όπως αυτή ορίζεται στην ανάλυση της αξιοπιστίας του συστήματος. Το σημαντικότερο στοιχείο που διαφοροποιεί τις δύο αυτές καταστάσεις είναι ότι κατά την διάρκεια ενός γεγονότος απόκρισης η αποκοπή των φορτίων γίνεται αφού προηγουμένως έχει ενημερωθεί ο καταναλωτής, σε αντίθεση με την παραδοσιακή διακοπή παροχής ηλεκτρισμού σε καταναλωτές χωρίς καμία προειδοποίηση ώστε οι πελάτες να έχουν λάβει τα απαραίτητα μέτρα για προστασία ευαίσθητων συσκευών ή για προγραμματισμό των αναγκαίων δραστηριοτήτων τους [6]. Επιπλέον, η απόκριση ζήτησης στοχεύει στην διαχείριση της λειτουργίας των λιγότερο ευαίσθητων συσκευών (κλιματιστικά, πλυντήρια, στεγνωτήρια για οικιακούς καταναλωτές) και έτσι οι ευαίσθητες συσκευές μπορούν να παραμένουν σε λειτουργία. Πιο συγκεκριμένα σε κάθε καταναλωτή που συμμετέχει στην απόκριση ζήτησης μόνο κάποια φορτία του περικόπτονται, επιτρέποντας του να μετατοπίσει ή να προγραμματίσει αυτόματα την λειτουργία κάποιων συσκευών σε ώρες εκτός αιχμής. Ο καταναλωτής επωφελείται από την συμμετοχή του σε ένα γεγονός απόκρισης ζήτησης με πληρωμές κινήτρων ή μειωμένους λογαριασμούς ηλεκτρισμού [6] Είδη περικοπής φορτίου. Η περικοπή φορτίου μπορεί να ταξινομηθεί όπως παρακάτω [6]: Διακοπή: Ως διακοπή ορίζεται η απώλεια ισχύος με την έννοια της συμβατικής διακοπής της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς κάποια προειδοποίηση ή συμφωνία με τους καταναλωτές. Απόκριση ζήτησης: 60

61 Πρόκειται για την μείωση της ζήτησης που εκτελείται είτε από τον καταναλωτή ως απόκριση σε κάποιο σήμα που δέχεται από τον διαχειριστή είτε σε περικοπή κάποιων φορτίων του καταναλωτή χωρίς προειδοποίηση αλλά βάσει συμφωνίας μεταξύ του καταναλωτή και της εταιρίας παροχής. Μετατόπιση ζήτησης: Σε αυτήν την κατηγορία η ζήτηση μειώνεται για συγκεκριμένο χρονική διάστημα και οι δραστηριότητες που έχουν αναβληθεί πραγματοποιούνται σε κάποια άλλη χρονική περίοδο στο άμεσο μέλλον Δείκτες αξιοπιστίας με την παρουσία της απόκρισης ζήτησης. Για να γίνει διάκριση μεταξύ των γεγονότων απόκρισης ζήτησης που αποφασίζονται από την εταιρία παροχής, σε συμφωνία με τους πελάτες και μερικές φορές με εκ των προτέρων ειδοποίηση του επερχόμενου γεγονότος, και των ξαφνικών και απρογραμμάτιστων διακοπών στο σύστημα διανομής φαίνεται λογικό να καθοριστούν δύο κλάσεις δεικτών αξιοπιστίας που σχετίζονται με την συχνότητα και την διάρκεια των διακοπών. Η πρώτη κατηγορία σχετίζεται με τις ξαφνικές διακοπές και δεν περιλαμβάνει την απώλεια φορτίου κατά την διάρκεια των γεγονότων απόκρισης της ζήτησης. Αυτοί περιλαμβάνουν τους SAIDI, SAIFI, CAIDI, CAIFI κτλ. Η δεύτερη κλάση δεικτών αξιοπιστίας αναφέρονται στις απώλειες ισχύος εξαιτίας της απόκρισης ζήτησης. Οι δείκτες αυτοί είναι [6]: Ο δείκτης μέσης συχνότητας απόκρισης ζήτησης συστήματος (SADFI-system average demand response frequency index) [event/year] SADFI= (συνολικός αριθμός μειώσεων ζήτησης πελατών σε ένα χρόνο)/ (συνολικός αριθμός εξυπηρετούμενων πελατών) Ο δείκτης μέσης συχνότητας απόκρισης ζήτησης πελατών (CADFI-customer average demand response frequency index)[event/year] CADFI= (συνολικός αριθμός μειώσεων ζήτησης πελατών σε ένα χρόνο)/ (συνολικός αριθμός πελατών που έλαβαν ειδοποίηση για απόκριση ζήτησης). Ο δείκτης αυτός 61

62 δείχνει σε πόσους από τους πελάτες της αγοράς είχε ζητηθεί να μειώσουν την κατανάλωση τους. Ο δείκτης μέσης διάρκειας απόκρισης ζήτησης συστήματος (SADDI-system average demand response duration index) [min/year] SADDI= (συνολική χρονική διάρκεια των γεγονότων απόκρισης ζήτησης πελατών)/ (συνολικός αριθμός εξυπηρετούμενων πελατών). Ο δείκτης αυτός υποδεικνύει την διάρκεια της απώλειας ενέργειας ως αποτέλεσμα των γεγονότων απόκρισης ζήτησης. Ο δείκτης μέσης διάρκειας απόκρισης ζήτησης πελατών (CADDI-customer average demand response duration index) [min/event] CADDI= (συνολική χρονική διάρκεια των γεγονότων απόκρισης ζήτησης πελατών)/ (συνολικός αριθμός γεγονότων απόκρισης ζήτησης πελατών). Ο CADDI δείχνει την κατά μέσο όρο διάρκεια ενός γεγονότος απόκρισης ζήτησης που υφίσταται ένας πελάτης εφόσον συμμετέχει στο πρόγραμμα απόκρισης ζήτησης. Οι δείκτες αυτοί μπορούν να υπολογιστούν από ιστορικά δεδομένα που είναι διαθέσιμα σχετικά με το καμπύλη φορτίου του συστήματος και με παλαιότερα γεγονότα απόκρισης ζήτησης. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η έξυπνη μετατόπιση ζήτησης δεν συμπεριλαμβάνεται στους παραπάνω δείκτες, καθώς δεν αποτελεί απώλεια υπηρεσιών και ανέσεων για των καταναλωτή όπως η περικοπή φορτίων κατά την διάρκεια γεγονότων απόκρισης ζήτησης ή συμβατικής διακοπής της παροχής [6]. Σημαντικό είναι ότι τα αιτήματα για απόκριση ζήτησης, που στέλνει η εταιρία παροχής στους συμμετέχοντες στο πρόγραμμα και απαιτούν αποδοχή από τους πελάτες για να επέλθει η μείωση της ζήτησης, δεν γίνονται απαραίτητα αποδεκτά από όσους τα λαμβάνουν. Έτσι η εταιρία παροχής είναι υποχρεωμένη να λαμβάνει υπόψη της αυτόν τον παράγοντα στέλνοντας περισσότερα αιτήματα απ ότι χρειάζεται στην πραγματικότητα [6]. Λόγω του ότι η απόκριση ζήτησης βελτιώνει την αξιοπιστία του συστήματος, μπορεί να θεωρηθεί ότι υψηλότερες τιμές των δεικτών SADFI, SADDI,CADFI, CADDI συνεπάγεται χαμηλότερες τιμές των δεικτών SAIFI, SAIDI, CAIDI, CAIFI, ASAI [6]. Ωστόσο για τον μέσο καταναλωτή η διαφορά μεταξύ των δύο μπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτή αφού είτε με τις συμβατικές διακοπές είτε με περικοπές λόγω γεγονότος DR η απώλεια φορτίου γι αυτόν σημαίνει και απώλεια ανέσεων. Αν και η συμμόρφωση με τα αιτήματα για συμμετοχή σε 62

63 γεγονότα DR προσφέρει στους καταναλωτές οικονομικά οφέλη, εξαιτίας περίπλοκων πρακτικών τιμολόγησης που μπορεί να διαφέρουν από εταιρία σε εταιρία, οι πληροφορίες αυτές είναι δύσκολο να ενσωματωθούν στους δείκτες αξιοπιστίας που σχετίζονται με την απόκριση ζήτησης. Παρόλα αυτά μια βελτίωση στους δείκτες αξιοπιστίας με και χωρίς απόκριση ζήτησης μπορεί να μετρηθεί. Για τον σκοπό αυτό, ο δείκτης αξιοπιστίας μπορεί να υπολογιστεί με την παρουσία DR και να συγκριθεί με τον δείκτη χωρίς την εφαρμογή DR στο σύστημα (βασική περίπτωση). Για παράδειγμα, για τον δείκτη SAIFI, η βελτίωση στο δείκτη μέσης συχνότητας διακοπών του συστήματος (Improvement in System Average Interruption Frequency Index, ISAIFI) μπορεί να οριστεί ως εξής [6]: ISAIFI=SAIFI NO DR SAIFI Όπου SAIFI NO DR δηλώνει τον δείκτη αξιοπιστίας όταν κανένα γεγονός DR δεν εφαρμόζεται στο σύστημα Μοντελοποίηση του DR για ανάλυση αξιοπιστίας. Η ενίσχυση της αξιοπιστίας του συστήματος που επέρχεται από την εφαρμογή στρατηγικών απόκρισης ζήτησης προέρχεται από δύο πλευρές: όταν η ζήτηση πλησιάζει το όριο του συστήματος, η απόκριση ζήτησης μπορεί να εφαρμοστεί με πτώση/ολίσθηση φορτίου με σκοπό την αύξηση στο περιθώριο παραγωγικής ικανότητας, και επίσης σε περίπτωση σφάλματος, η απόκριση ζήτησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την ικανότητα αποκατάστασης και να μειώσει την διάρκεια αποκοπής φορτίου [6]. Για να διευκολυνθεί η ενσωμάτωση των γεγονότων DR στην ανάλυση αξιοπιστίας του συστήματος διανομής, απαιτείται ένα μοντέλο πιθανότητας απόκρισης ζήτησης. Στην πράξη, κατά την διάρκεια ενός γεγονότος DR, ο καταναλωτής που συμμετέχει στο πρόγραμμα και λαμβάνει το σήμα για απόκριση ζήτησης από την εταιρία παροχής, μπορεί να αποκριθεί ή όχι στο αίτημα να μειώσει ή να καθυστερήσει την κατανάλωση του. Η πιθανότητα απόκρισης του πελάτη εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η ώρα/ ημέρα του γεγονότος, η διάρκεια περικοπής φορτίου, τις πιθανές ποινές που σχετίζονται με άρνηση συμμόρφωσης στο αίτημα, τα κίνητρα που προσφέρονται για συμμετοχή και αποδοχή των αιτημάτων καθώς και από άλλους παράγοντες όπως είναι ο αριθμός των ενοίκων του κτιρίου/κατοικίας και οι συνήθεις δραστηριότητες τους που απαιτούν κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Η αβεβαιότητα στην συμπεριφορά του καταναλωτή 63

64 μπορεί να μοντελοποιηθεί πιθανολογικά (ή στοχαστικά). Στοιχεία από παλαιότερες καταγραφές των συνηθειών των πελατών σχετικά με την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και παλαιότερες αποκρίσεις σε γεγονότα απόκρισης ζήτησης μπορούν να ανακτηθούν και να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των ζητούμενων πιθανοτήτων. Οι πιθανότητες που σχετίζονται με την απόκριση ζήτησης είναι δύο, η πιθανότητα αποδοχής του αιτήματος και απόκρισης του καταναλωτή P DR και η πιθανότητα απόρριψης του σήματος και άρνησης μείωσης της ζήτησης σχέση [6]: P DR. Οι πιθανότητες ικανοποιούν την P DR 1 (4.10) P DR Οι τεχνικές ανάλυσης της αξιοπιστίας του συστήματος διανομής περιλαμβάνουν δύο γενικές προσεγγίσεις, τις αναλυτικές τεχνικές και τις τεχνικές που βασίζονται στην προσομοίωση Μόντε Κάρλο (Monte Carlo Simulation, MCS). Και οι δύο προσεγγίσεις έχουν την ακόλουθη διαδικασία ανάλυσης που αποτελείται από τρία βασικά βήματα [6]: 1. Επιλογή μιας κρίσιμης κατάστασης με P C πιθανότητα κατά την οποία συμβαίνει ένα σφάλμα στο σύστημα διανομής. 2. Εκτίμηση της επίδρασης της κρίσιμης κατάστασης (εκτίμηση αποκοπής φορτίου) και υπολογισμός της επίδρασης δηλαδή υπολογισμός της πιθανότητας P C. 3. Συγκέντρωση των συνεισφορών όλων των κρίσιμων καταστάσεων και υπολογισμός των δεικτών αξιοπιστίας. Η απόκριση ζήτησης μπορεί να ενσωματωθεί στο δεύτερο βήμα της διαδικασίας. Το γεγονός απόκρισης ζήτησης θα επηρεάσει την εκτίμηση της επίδρασης της κρίσιμης κατάστασης και την πιθανότητα που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της. Συγκεκριμένα στο δεύτερο βήμα για μια συγκεκριμένη κρίσιμη κατάσταση θα μπορούσε να εφαρμοστεί κάποια τεχνική DR και έπειτα να αξιολογηθεί η κρίσιμη κατάσταση για να διαπιστωθεί αν μετά την εφαρμογή της απόκρισης ζήτησης κατά την διάρκεια του κρίσιμου γεγονότος συνεχίσει να υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω αποκοπή φορτίου. Η επίδραση της κρίσιμης κατάστασης ή η συνεισφορά της στο δείκτη αξιοπιστίας προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό των πιθανοτήτων PC και P DR [6]. 64

65 4.3.4 Απόκριση ζήτησης και ασφάλεια. Είναι σχετικά εύκολο να διαπιστωθεί ο τρόπος που η απόκριση της ζήτησης βελτιώνει την επάρκεια του συστήματος διανομής, αφού η μείωση της ζήτησης σε ώρες αιχμής αποκαθιστά το περιθώριο ασφάλειας του συστήματος και μειώνει τις εντάσεις ώστε το δίκτυο να λειτουργεί σύμφωνα με τους περιορισμούς. Όμως η απόκριση της ζήτησης μπορεί να αποφέρει οφέλη και στην ασφάλεια, που όπως έχει αναφερθεί παραπάνω εμπεριέχεται στον όρο της αξιοπιστίας. Αυτό ισχύει ειδικά για τα προγράμματα ταχείας απόκρισης ζήτησης, που στοχεύουν στην αποκοπή φορτίου ως απόκριση σε επείγουσες ανάγκες και μπορούν να θεωρηθούν ως ένας τύπος βοηθητικών υπηρεσιών. Στην περίπτωση αυτή η απόκριση ζήτησης δεν εφαρμόζεται μόνο για μείωση της ζήτησης σε ώρες αιχμής αλλά μπορεί να λειτουργήσει ως εναλλακτική διακοπτόμενη παροχή ενέργειας που όταν κριθεί απαραίτητο μπορεί να εξισορροπήσει την παραγωγή με την ζήτηση στο σύστημα με σκοπό την επίτευξη ελέγχου τάσης και ρύθμισης συχνότητας [6]. Σχήμα 4.1: Χρονολογικά βήματα ενός γεγονότος DR [6,19]. Σε κάποια προγράμματα απόκρισης ζήτησης σε οικιακό ή εμπορικό επίπεδο, εξαιτίας της δυναμικής των φορτίων, χρειάζεται κάποιο χρονικό διάστημα (ramp period) έως ότου ο καταναλωτής μειώσει την ζήτηση του στα απαιτούμενα επίπεδα. Ωστόσο, για συγκεκριμένους καταναλωτές όπως μεγάλης κλίμακας βιομηχανικούς καταναλωτές ή για άμεσο έλεγχο φορτίου κάποιων καταναλωτών, μπορεί να γίνει επίσπευση της διαδικασίας. Γενικά, το χρονικό διάστημα αυτό (ramp period) μπορεί να διαρκέσει από δευτερόλεπτα έως λίγα λεπτά [6]. 65

66 4.4 Η απόκριση ζήτησης ως λύση για την ενίσχυση της αξιοπιστίας Η επίδραση κάθε είδους απόκρισης φορτίου στην αξιοπιστία. Υπάρχουν πέντε τύποι απόκρισης φορτίου που φαίνονται στα παρακάτω σχήματα [65]. Όλοι επιδρούν στην αξιοπιστία του συστήματος ενέργειας, ωστόσο κάποιοι ασκούν μεγαλύτερη επιρροή από τους υπόλοιπους. Η ενεργειακή αποδοτικότητα μειώνει την κατανάλωση ενέργειας όλες τις ώρες και έτσι μειώνει την ανάγκη για παραγωγή και μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Δεν επικεντρώνεται στις χρονικές περιόδους της μεγαλύτερης έντασης του συστήματος και ίσως δεν παρέχει οικονομικά αποδοτική απόκριση σε συγκεκριμένα προβλήματα αξιοπιστίας όπως κάνουν οι πιο κατευθυνόμενες τεχνικές απόκρισης φορτίου. Τα είδη της απόκρισης ζήτησης σε κυμαινόμενες χρεώσεις της καταναλισκόμενης ενέργειας και της απόκρισης με σκοπό της μείωση των αιχμών ζήτησης στοχεύουν σε περιορισμό της κατανάλωσης σε συγκεκριμένες ώρες, το πρώτο από αυτά διευκολύνει την εθελοντική απόκριση των καταναλωτών σε σήματα τιμών ενώ το δεύτερο χρησιμοποιεί εντολές άμεσου ελέγχου. Η απόκριση ζήτησης σε κρίσιμες για την αξιοπιστία του συστήματος περιόδους και η απόκριση ρύθμισης στοχεύουν στην ικανοποίηση των αναγκών αξιοπιστίας και προσφέρουν το μεγαλύτερο όφελος αξιοπιστίας ανά MW φορτίου από φορτία ικανά να συμμετέχουν σε αυτού του είδους την απόκριση. Ενεργειακή αποδοτικότητα (Energy efficiency): Σχήμα 4.2: Τροποποίηση καμπύλης ζήτησης ισχύος λόγω ενεργειακής αποδοτικότητας [65]. Απόκριση σε διακύμανση τιμών (Price response) και απόκριση για μείωση μέγιστου φορτίου (Peak shaving): 66

67 Σχήμα 4.3: Τροποποίηση καμπύλης ζήτησης ισχύος λόγω απόκρισης σε περιόδους αιχμής [65]. Απόκριση σε κρίσιμες καταστάσεις (Contingency/Reliability response): Σχήμα 4.4: Τροποποίηση καμπύλης ζήτησης ισχύος λόγω απόκρισης σε κρίσιμες καταστάσεις [65]. Απόκριση ρύθμισης (Regulation response): Σχήμα 4.5: Τροποποίηση καμπύλης ζήτησης ισχύος λόγω απόκρισης ρύθμισης [65] Υπηρεσίες παροχής αξιοπιστίας. Οι υπηρεσίες αξιοπιστίας αποτελούν επιπλέον λειτουργίες που θα πρέπει να εκτελεστούν με σκοπό την αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους πελάτες [65]. Η αναδιάρθρωση της βιομηχανίας ηλεκτρικής ενέργειας είναι απαραίτητη ώστε αυτές οι λειτουργιές να αποσυνδεθούν από την μονοπωλιακή παροχή ηλεκτρισμού και να προωθηθεί ο ανταγωνισμός. Η Ομοσπονδιακή Ρυθμιστική Επιτροπή Ενέργειας των ΗΠΑ (Federal Energy Regulatory Commission, FERC) καθόρισε τις βοηθητικές υπηρεσίες ως λειτουργίες που εκτελούνται από τον εξοπλισμό και τους ανθρώπους που παράγουν, ελέγχουν και 67

68 μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια για την υποστήριξη των βασικών υπηρεσιών της παραγωγής, της παροχής ενέργειας και της μεταφοράς ισχύος. Οι υπηρεσίες αυτές απαιτείται να ανταποκρίνονται σε δύο μοναδικά χαρακτηριστικά των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας: την ανάγκη να διατηρηθεί ισορροπία μεταξύ παραγωγής και φορτίου σε πραγματικό χρόνο και την ανάγκη διαχείρισης των ροών φορτίου μέσω επιμέρους εγκαταστάσεων μεταφοράς με αναδιανομή παραγωγής και φορτίου. Η Ομοσπονδιακή Ρυθμιστική Επιτροπή Ενέργειας αναγνώρισε έξι βοηθητικές υπηρεσίες [65]: (1) Υπηρεσία Ρύθμισης, Ελέγχου Συστήματος και Αποστολής, (2) Υπηρεσία Παροχής Άεργης Ισχύος και Ελέγχου Τάσης, (3) Υπηρεσία Ρύθμισης και Απόκρισης συχνότητας, (4) Υπηρεσία Ανισορροπίας Ενέργειας, (5) Υπηρεσία Στρεφόμενης Εφεδρείας, (6) Υπηρεσία Συμπληρωματικής Εφεδρείας. Οι βοηθητικές υπηρεσίες παρέχουν στο διαχειριστή του συστήματος δυνατότητα ελέγχου για εξισορρόπηση μεταξύ παραγωγής και φορτίου σε πραγματικό χρόνο. Μέχρι σήμερα η παροχή των βοηθητικών υπηρεσιών γινόταν από την πλευρά της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επιτρέποντας στους διαχειριστές συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας να παρέχουν ενέργεια για την ικανοποίηση της τρέχουσας ζήτησης. Η ισορροπία προσφοράς και ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί εξίσου αποδοτικά με έλεγχο στην πλευρά της ζήτηση Παροχή υπηρεσιών αξιοπιστίας από αποκρινόμενα φορτία. Κάθε καταναλωτής θα πρέπει να αξιολογήσει τα κόστη και τα οφέλη της παροχής κάθε βοηθητικής υπηρεσίας. Οι ακριβότερες υπηρεσίες προσελκύουν περισσότερους καταναλωτές αφού συνεπάγονται μεγαλύτερο κέρδος γι αυτούς. Οι βοηθητικές υπηρεσίες που μπορούν να παρέχουν τα φορτία σε κρίσιμες καταστάσεις είναι [65]: Στρεφόμενη εφεδρεία είναι η παραγωγή (ή το αποκρινόμενο φορτίο) που βρίσκεται σε ετοιμότητα για άμεση απόκριση, σε περίπτωση αναπάντεχης πτώσης γεννήτριας ή γραμμής μεταφοράς. Η υπηρεσία στρεφόμενης εφεδρείας απαιτεί άμεση και 68

69 πλήρη απόκριση μέσα σε χρονικό διάστημα 10 λεπτών. Επαρκής εφεδρεία για καταστάσεις έκτακτης ανάγκης (στρεφόμενη και μη) πρέπει να είναι διαθέσιμη για αντιμετώπιση της μεγαλύτερης αποτυχίας που μπορεί να συμβεί. Κάποιες περιοχές επιτρέπουν σε κατάλληλα φορτία να προσφέρουν αυτού του είδους υπηρεσία αλλά πολλές δεν δίνουν αυτή τη δυνατότητα στα φορτία ακόμη. Μη στρεφόμενη εφεδρεία. Είναι παρόμοια με την στρεφόμενη με τη διαφορά ότι η απόκριση δεν απαιτείται να είναι άμεση. Ωστόσο πλήρης απόκριση απαιτείται μέσα σε 10 λεπτά. Κατάλληλα φορτία έχουν τη δυνατότητα να προσφέρουν μηστρεφόμενη εφεδρεία. Συμπληρωματική εφεδρεία είναι η επιπρόσθετη εφεδρεία που απαιτείται σε κάποιες περιοχές. Η απόκριση ξεκινά σε 30 με 60 λεπτά μετά το αίτημα. Η διάκριση από τη μη-στρεφόμενη εφεδρεία γίνεται βάσει του χρόνου απόκρισης Ικανοποίηση απαιτήσεων αξιοπιστίας μέσω της προσφοράς βοηθητικών υπηρεσιών από φορτία. Η ανάγκη του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας για ταχεία απόκριση που τυπικά διαρκεί 10 με 30 λεπτά μπορεί να ικανοποιηθεί μέσα από την απόκριση φορτίων. Τα φορτία κλιματισμού, για παράδειγμα, ενδείκνυνται για πολυάριθμες σύντομες αποκοπές και σπάνιες αποκοπές διαρκείας. Έχουν τη δυνατότητα ταχείας εκκίνησης και μπορούν να αποκριθούν άμεσα σε κρίσιμες καταστάσεις. Δεν έχουν χρόνο εκκίνησης, ελάχιστο απαιτούμενο χρόνο λειτουργίας ή ελάχιστο απαιτούμενο χρόνο εκτός λειτουργίας που να περιορίζει την ικανότητα προσφοράς τους όπως συμβαίνει με τις γεννήτριες [65]. Μάλιστα κάποια φορτία υπερέχουν σε σχέση με τις γεννήτριες στην παροχή στρεφόμενης εφεδρείας, όπου απαιτείται η γρηγορότερη απόκριση. Πολλά φορτία μπορούν να προσφέρουν στρεφόμενη εφεδρεία πιο γρήγορα σε σύγκριση με το χρόνο που χρειάζονται οι γεννήτριες για να αυξήσουν την παραγωγή τους. Η μόνη καθυστέρηση στην απόκριση των φορτίων είναι το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να φτάσει το σήμα ελέγχου από το διαχειριστή τους συστήματος στο φορτίο, χωρίς όμως να ξεπερνά το χρονικό περιθώριο των 10 λεπτών [65]. 69

70 4.4.5 Το πλεονέκτημα της απόκρισης για αξιοπιστία έναντι της απόκρισης για μείωση μέγιστου φορτίου. Η προσφορά βοηθητικών υπηρεσιών φαίνεται να είναι πιο ελκυστική σε κάποια φορτία από ότι η απόκριση σε περιόδους αιχμής, λόγω του ότι η διάρκεια απόκρισης είναι συντομότερη και η συχνότητα μικρότερη. Η απόκριση σε περιόδους μέγιστης ζήτησης για μείωση του μέγιστου φορτίου απαιτεί περικοπή φορτίων για αρκετές ώρες τη μέρα, συχνά απαιτείται καθημερινή απόκριση, σε περιόδους όπου το φορτίο μπορεί να εκτελεί μια σημαντική λειτουργία για τον ιδιοκτήτη του. Ως παράδειγμα μπορεί να αναφερθεί το φορτίο κλιματισμού. Η μείωση της ζήτησης απαιτείται ακριβώς την περίοδο που η λειτουργία του έχει τη μεγαλύτερη χρησιμότητα για τον καταναλωτή [65]. Η προσφορά εφεδρείας έκτακτης ανάγκης απαιτεί ετοιμότητα του φορτίου για άμεση απόκριση σε κρίσιμες καταστάσεις του συστήματος ενώ σε κάθε άλλη περίπτωση το φορτίο μπορεί να λειτουργεί κανονικά. Αυτό επιφέρει απαιτήσεις επικοινωνίας και ελέγχου στο φορτίο χωρίς να παρεμβαίνει στην κανονική λειτουργία του φορτίου. Εκτός από τα παραπάνω η προσφορά βοηθητικών υπηρεσιών παρέχει μεγαλύτερο οικονομικό κέρδος στους καταναλωτές. Η κοστολόγηση των υπηρεσιών αυτών γίνεται ανάλογα με την ταχύτητα απόκρισης και όχι με τη διάρκεια αποκοπής φορτίου [65] Απαιτούμενα χαρακτηριστικά φορτίων για παροχή υπηρεσιών αξιοπιστίας. Η δυνατότητα ελέγχου των φορτίων και η εύκολη επικοινωνία με αυτά αποτελούν κρίσιμα χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν κατά πόσο ένα φορτίο πληροί τις προϋποθέσεις για παροχή υπηρεσιών αξιοπιστίας, δηλαδή για μείωση της κατανάλωσης ως απόκριση σε κρίσιμες καταστάσεις για την αξιοπιστία του συστήματος. Τα φορτία θα πρέπει να είναι ελεγχόμενα για να συμμετάσχουν σε τέτοιες στρατηγικές απόκρισης ζήτησης και ο έλεγχος θα πρέπει να είναι ταχύς και ακριβής. Κάθε φορτίο θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να λαμβάνει εντολές από τον διαχειριστή του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η αναγκαία ταχύτητα απόκρισης των φορτίων εξαρτάται από το είδος της υπηρεσίας που παρέχει κάθε φορτίο [65]. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά των φορτίων είναι η ευαισθησία στην διακύμανση της τιμής του ηλεκτρισμού και η δυνατότητα αποθήκευσης. Η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας διευκολύνει την απόκριση του φορτίου όταν αυτό του ζητηθεί χωρίς να ζημιώνει 70

71 την πρωταρχική λειτουργία του που είναι η κάλυψη κάποιας δραστηριότητας που απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια. Η ευαισθησία στις τιμές απαιτείται έτσι ώστε οι κυμαινόμενες χρεώσεις να παρακινούν για απόκριση τον συμμετέχοντα [65]. Φορτία που συγκεντρώνουν τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι τα κλιματιστικά (σε οικιακούς και εμπορικούς καταναλωτές) που φαίνεται να αποτελούν ιδανικές επιλογές για παροχή στρεφόμενης και μη στρεφόμενης εφεδρείας. Καλοί υποψήφιοι είναι επίσης και πολλά φορτία άντλησης (νερού, φυσικού αερίου και άλλων αερίων) καθώς και κάθε βιομηχανική διεργασία με δυνατότητα κατασκευαστικής ευελιξίας (τσιμέντο, χαρτί, αλουμίνιο, χάλυβας, διύλιση) [65] Ικανότητα φορτίων για απόκριση σε κρίσιμες περιόδους. Η έμφυτη ικανότητα απόκρισης ορισμένων φορτίων ανταποκρίνεται καλύτερα στις απαιτήσεις για ταχεία, σύντομης διάρκειας και μικρής συχνότητας απόκριση της στρεφόμενης εφεδρείας, από ότι στις απαιτήσεις για μεγαλύτερης διάρκειας και συχνότερες αποκρίσεις για μείωση της κατανάλωσης σε περιόδους αιχμής [65]. Η πρόοδος που έχει σημειωθεί στις επικοινωνίες και στις τεχνολογίες ελέγχου καθιστούν δυνατή την γρήγορη απόκριση των φορτίων. Τα οικιακά κλιματιστικά, για παράδειγμα, μπορούν να παρέχουν σημαντικά μεγαλύτερου μεγέθους απόκριση στρεφόμενης εφεδρείας, από ότι μείωση μέγιστης ζήτησης. Ένα βασικό χαρακτηριστικό που βοηθά στον προσδιορισμό της υπηρεσίας την οποία μπορεί να παρέχει ένα αποκρινόμενο φορτίο είναι η διαθέσιμη ποσότητα αποθήκευσης του φορτίου [65]. Η αποθήκευση μπορεί να αναφέρεται στα πλαίσια της θερμικής μάζας ενός κτιρίου, των συσκευών που κατασκευάζει ένα εργοστάσιο και οποιουδήποτε προϊόντος απαιτείται η χρήση ηλεκτρισμού για να παραχθεί. Υπάρχει συνήθως αρκετή θερμική αποθήκευση σε μια κατοικία ώστε να επιτρέπεται η διακοπή της λειτουργίας του κλιματιστικού για δέκα με είκοσι λεπτά. Για μεγαλύτερες διακοπές λειτουργίας το επίπεδο αποδοχής εξαρτάται από την συχνότητα τους. Η διάρκεια αυτή αρκεί για την κάλυψη αναγκών σε κρίσιμες περιόδους και την παροχή στρεφόμενης εφεδρείας που σπάνια απαιτεί απόκριση μεγαλύτερης χρονικής διάρκειας. Αντιθέτως η μείωση της κατανάλωσης σε ώρες αιχμής απαιτεί απόκριση πολλών ωρών και μπορεί να απαιτείται και για αρκετές συνεχόμενες μέρες. Ακόμη και με την έγκαιρη προειδοποίηση των καταναλωτών δεν αυξάνεται κατά πολύ η ικανότητα τους να διατηρήσουν χαμηλή την κατανάλωση τους για 71

72 μεγάλο χρονικό διάστημα. Παρόμοια χαρακτηριστικά έχουν και αρκετά φορτία του εμπορικού και του βιομηχανικού τομέα. Η παρεμπόδιση των αποκρινόμενων φορτίων να παρέχουν τις υπηρεσίες στις οποίες μπορούν να αποδώσουν καλύτερα επιδρά αρνητικά τόσο στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας όσο και στα φορτία. 72

73 5 Ανάλυση αξιοπιστίας 5.1 Μέθοδοι υπολογισμού αξιοπιστίας Διαγράμματα μπλοκ αξιοπιστίας (Reliability Block Diagrams-RBDs). Σε ένα μοντέλο διαγράμματος μπλοκ αξιοπιστίας οι συνιστώσες και τα υπό-συστήματα αναπαρίστανται από μπλοκ. Οι διασυνδέσεις μεταξύ των μπλοκ απεικονίζει την λειτουργική εξάρτηση του συστήματος που υπάρχει μεταξύ των συνιστωσών και των υπό-συστημάτων. Οι συνιστώσες για τις οποίες υπάρχει η απαίτηση να λειτουργούν όλες ώστε να είναι λειτουργικό και το σύστημα είναι συνδεμένες σε σειρά. Τα μπλοκ των συνιστωσών είναι συνδεδεμένα παράλληλα αν και μόνο αν η αποτυχία όλων έχει σαν αποτέλεσμα την αποτυχία του συστήματος. Σε αυτή την κατηγορία των μοντέλων υποθέτουμε ότι οι ξεχωριστές συνιστώσες είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους, συνεπώς η αποτυχία μιας συνιστώσας δεν επηρεάζει την συμπεριφορά αστοχίας οποιασδήποτε άλλης συνιστώσας. Τα RBDs είναι η προσέγγιση στη μοντελοποίηση συστημάτων που απεικονίζει την πιθανότητα επιτυχίας. Η δομή των μπλοκ στα διαγράμματα μπλοκ αξιοπιστίας μπορεί επίσης να είναι της μορφής k-από-n,δηλαδή ένα μπλοκ με n συνιστώσες είναι λειτουργικό αν τουλάχιστον k σε πλήθος συνιστώσες είναι λειτουργικές [62]. 73

74 Στοιχεία σε σειρά. Αν οι συνιστώσες ενός συστήματος είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους σε σειρά, η αποτυχία μιας οποιασδήποτε συνιστώσας προκαλεί αποτυχία του συστήματος. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το διάγραμμα αξιοπιστίας ενός συστήματος που αποτελείται από n στοιχεία που συνδέονται σε σειρά. Αν θεωρήσουμε E i το γεγονός ότι το στοιχείο C i λειτουργεί τη χρονική στιγμή t, τότε η αξιοπιστία του συστήματος μπορεί να γραφτεί ως εξής [61]:,...,,... R t P E E E E (5.1) 1 2 i n Αν όλα τα γεγονότα είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, τότε η αξιοπιστία μπορεί να εκφραστεί ως εξής [61]: n PE R t (5.2) i1 i Σχήμα 5.1: Διάγραμμα μπλοκ αξιοπιστίας n στοιχείων σε σειρά [61]. Με άλλα λόγια, η αξιοπιστία του συστήματος υπολογίζεται μέσω των τιμών αξιοπιστίας των στοιχείων του συστήματος. Δηλαδή ισχύει [61]: R t n i1 i R t (5.3) Υποθέτοντας ότι η κατανομή του χρόνου έως την αποτυχία για όλα τα στοιχεία είναι εκθετική με σταθερό ρυθμό αποτυχίας i, η αξιοπιστία του στοιχείου είναι [63]: i R t i e t (5.4) Έτσι η αξιοπιστία του συστήματος υπολογίζεται με τον παρακάτω τύπο [63]: 74

75 s n i t i1 n i i1 i1 n i t (5.5) R t R t e e Με σταθερό ρυθμό αποτυχίας του συστήματος: s n (5.6) i1 i Και μέση διάρκεια ζωής: 1 1 MTBF n s i1 i (5.7) Στοιχεία παράλληλα. Αν οι συνιστώσες ενός συστήματος είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους παράλληλα, αποτυχία του συστήματος επέρχεται στην περίπτωση που όλες οι συνιστώσες του αποτύχουν. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το διάγραμμα αξιοπιστίας ενός συστήματος που αποτελείται από n στοιχεία συνδεδεμένων παράλληλα. Αν θεωρήσουμε E i το γεγονός ότι το στοιχείο C i λειτουργεί τη χρονική στιγμή t, τότε η αξιοπιστία του συστήματος μπορεί να γραφτεί ως εξής [61]: R t P E1 E2... Ei... En (5.8) Ei είναι το συμπληρωματικό γεγονός του Ei και αναπαριστά το γεγονός ότι το στοιχείο αποτυγχάνει τη χρονική στιγμή t. Οπότε η αξιοπιστία του συστήματος μπορεί να εκφραστεί και ως εξής [61]: Ci 1 2 R t 1 P E E... Ei... E n (5.9) R t 1 P E, E,..., E,..., E (5.10) ή 1 2 i n 75

76 Αν όλα τα γεγονότα είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους, τότε η αξιοπιστία γράφεται ως εξής: R t n 1 P E i (5.11) i1 Σχήμα 5.2: Διάγραμμα μπλοκ αξιοπιστίας n παράλληλων στοιχείων [61]. Όπως και πριν, η αξιοπιστία του συστήματος υπολογίζεται μέσω των τιμών αξιοπιστίας των στοιχείων του συστήματος. Δηλαδή ισχύει [63]: n R t 1 R t 1 R t... 1 R t 1 1 R t 1 2 n i Ο ρυθμός επικινδυνότητας του συστήματος δίνεται από την σχέση: t f t t s s R (5.13) s (5.12) i1 Όπου fs t είναι συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας για το χρόνο έως την αποτυχία του συστήματος. Η μέση διάρκεια ζωής, m, του συστήματος προσδιορίζεται ως εξής [63]: n m R t 1 1 Rit dt i1 (5.14) s 0 0 Για παράδειγμα για ένα σύστημα δύο στοιχείων με εκθετική κατανομή αποτυχίας και σταθερούς ρυθμούς αποτυχίας 1 και 2, ο χρόνος έως την αποτυχία του συστήματος υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση [63]: 76

77 m (5.15) Πρέπει να σημειωθεί ότι αν και οι ρυθμοί αποτυχίας των συνιστωσών του συστήματος είναι σταθεροί ο ρυθμός αποτυχίας του συστήματος δεν είναι σταθερός και γι αυτό η μέση διάρκεια ζωής δεν ισούται με το αντίστροφο του αθροίσματος των 1 και 2 [63] Δέντρα σφαλμάτων (Fault Trees). Η ανάλυση με δέντρα σφαλμάτων αποτελεί συχνή επιλογή για την αξιολόγηση και τη βελτίωση της αξιοπιστίας και της ασφάλειας ενός συστήματος και έχει εφαρμοστεί σε πολλούς τομείς [61]. Πρόκειται για μια αναλυτική τεχνική κατά την οποία προσδιορίζεται η ανεπιθύμητη κατάσταση του συστήματος και έπειτα αναλύεται στα πλαίσια του περιβάλλοντος και της λειτουργίας του ώστε να εντοπιστούν όλοι οι υπαρκτοί δρόμοι που μπορούν να οδηγήσουν στο ανεπιθύμητο γεγονός. Η ανεπιθύμητη αυτή κατάσταση, που καθορίζεται από την αρχή της ανάλυσης, εξαρτάται από την σκοπιά της ανάλυσης για ασφάλεια η αξιοπιστία και αποτελεί το κύριο γεγονός (top event). Έπειτα το κύριο γεγονός αναλύεται με το δέντρο σφαλμάτων του συστήματος. Η ανάλυση με δέντρα σφαλμάτων συνδυάζει την γραφική μοντελοποίηση, την ποιοτική ανάλυση του δέντρου σφαλμάτων και την ποσοτική ανάλυση που περιλαμβάνει πιθανολογικά δεδομένα αποτυχιών και τα σχετικά αποτελέσματα. Η γραφική μοντελοποίηση μπορεί να αναπαριστά διάφορους συνδυασμούς παράλληλων και εν σειρά στοιχείων. Εκτός από το κύριο γεγονός προσδιορίζονται και τα βασικά γεγονότα (basic events) που οδηγούν στο κύριο γεγονός [61]. Τα δέντρα σφαλμάτων σε αντίθεση με τα διαγράμματα μπλοκ αξιοπιστίας, απεικονίζουν την πιθανότητα αποτυχίας στην μοντελοποίηση συστημάτων. Στα δέντρα σφαλμάτων χρησιμοποιείται η δυαδική λογική (AND και OR πύλες) για να αναπαραστήσουν την λειτουργική εξάρτηση των συνιστωσών του συστήματος. Σε περίπτωση αποτυχίας της συνιστώσας, η αντίστοιχη είσοδος της πύλης γίνεται αληθής. Για πύλες OR ισχύει ότι αν οποιαδήποτε από τις εισόδους γίνει αληθής τότε και η έξοδος της πύλες γίνεται αληθής. Οι είσοδοι των πυλών OR είναι οι συνιστώσες που απαιτείται να λειτουργούν όλες ώστε να λειτουργεί το σύστημα. Αντίθετα, οι είσοδοι των πυλών AND, είναι εκείνες οι συνιστώσες 77

78 για τις οποίες απαιτείται να αποτύχουν όλες για να αποτύχει και το σύστημα. Οποτεδήποτε η έξοδος της ανώτατης πύλης γίνει αληθής το σύστημα έχει αποτύχει [62]. Ο κυριότερος στόχος της ανάλυσης με δέντρα σφαλμάτων είναι ο υπολογισμός της πιθανότητας να συμβεί το κύριο γεγονός (top event). Απαραίτητο είναι να είναι γνωστές οι πιθανότητες των βασικών γεγονότων (basic events). Επειδή συνήθως ως βασικά γεγονότα θεωρούνται οι αποτυχίες των στοιχείων του συστήματος, η πιθανότητα ενός βασικού γεγονότος είναι η πιθανότητα αποτυχίας ενός στοιχείου που ισούται με το συμπλήρωμα της αξιοπιστίας του στοιχείου, δηλαδή [63]: i P 1R ή P 1 R 1 e t (5.16) i i i i Μέθοδος Markov Περιγραφή της μεθόδου. Ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την μοντελοποίηση συστημάτων που συνθέτονται από διαφορετικές διαδικασίες, όπως διαδικασίες αστοχίας και επισκευής, είναι τα μοντέλα Markov. Τα μοντέλα Markov αποτελούν βασικά εργαλεία για την μοντελοποίηση αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας. Η διαδικασία Markov (Markov process) είναι μια στοχαστική διαδικασία στην οποία οι μελλοντικές καταστάσεις εξαρτώνται μόνο από την παρούσα κατάσταση και είναι ανεξάρτητες από τις προηγούμενες καταστάσεις [61,62,68-72]. Αν υποθέσουμε ότι ο χώρος καταστάσεων I είναι διακριτός (πεπερασμένος ή άπειρα μετρήσιμος) τότε η Markov διαδικασία είναι γνωστή ως αλυσίδα Markov. Αν επιπλέον θεωρήσουμε ότι ο χώρος παραμέτρου T είναι επίσης διακριτός, τότε έχουμε αλυσίδα Markov διακριτού χρόνου ενώ αν o χώρος της παραμέτρου T είναι συνεχής τότε έχουμε αλυσίδα Markov συνεχούς χρόνου [62,72]. Δυο είναι οι κεντρικές έννοιες στα μοντέλα Markov: η έννοια της κατάστασης και η έννοια της μετάβασης κατάστασης. Η κατάσταση σε μια αλυσίδα Markov περιγράφει πλήρως οτιδήποτε πρέπει να γνωρίζουμε κάθε χρονική στιγμή για τις συνιστώσες και τα υπό- 78

79 συστήματα που αποτελούν το σύστημα. Στα μοντέλα αξιοπιστίας κάθε κατάσταση περιγράφει ένα ξεχωριστό συνδυασμό λειτουργικών και μη-λειτουργικών μονάδων. Αν κάθε μονάδα μπορεί να βρίσκεται σε μια από τις συνθήκες λειτουργική, μη λειτουργική τότε ολόκληρο το μοντέλο για ένα σύστημα n μονάδων έχει 2 n καταστάσεις. Με το πέρασμα του χρόνου το σύστημα μεταβαίνει από κατάσταση σε κατάσταση καθώς οι μονάδες αστοχούν και επισκευάζονται. Οι αλλαγές καταστάσεων ονομάζονται μεταβάσεις [62]. Οι διαδικασίες Markov χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της διαθεσιμότητας, της αξιοπιστίας και της συντηρησιμότητας των συστημάτων. Ένα σύστημα αποτελείται από n στοιχεία, κάθε ένα από τα οποία μπορεί να λειτουργεί επιτυχώς ή όχι. Η επιτυχής λειτουργία ολόκληρου του συστήματος εξαρτάται από την λειτουργία ή την αποτυχία των στοιχείων του. Έτσι, ένα σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε δύο πιθανές καταστάσεις [61]: Σε κατάσταση λειτουργίας, όπου το σύστημα λειτουργεί ακόμα κι αν κάποια από τα στοιχεία του έχουν αποτύχει. Ένα σύστημα βρίσκεται σε πλήρη λειτουργία όταν κανένα στοιχείο του δεν έχει αποτύχει. Σε κατάσταση αποτυχίας, όπου το σύστημα δεν λειτουργεί εξαιτίας της αποτυχίας ενός ή περισσότερων στοιχείων του. Μια τέτοια μοντελοποίηση παρέχει μια αναπαράσταση όλων των καταστάσεων του συστήματος καθώς και των δυνατών μεταβάσεων μεταξύ των καταστάσεων [72]. Η αποτυχία ενός μεμονωμένου στοιχείου σε ένα σύστημα μπορεί επίσης να μοντελοποιηθεί με αυτή τη μέθοδο. Ένα μειονέκτημα αυτής της διαδικασίας ωστόσο είναι ότι για μεγάλα συστήματα με πολλά στοιχεία είναι δύσκολο να γίνει σχηματική αναπαράσταση των καταστάσεων Βήματα της μεθόδου Markov. Τα βήματα της διαδικασίας Markov για την ανάλυση της αξιοπιστίας είναι τα παρακάτω [61]. Βήμα 1: κατασκευή διαγράμματος σχηματικής αναπαράστασης. Σημαντικό βήμα στην διερεύνηση της αξιοπιστίας είναι η δημιουργία του κατάλληλου μοντέλου, με το οποίο διευκολύνονται οι μελέτες που αφορούν την αξιοπιστία του συστήματος. Για ένα σύστημα δύο στοιχείων η σχηματική αναπαράσταση φαίνεται παρακάτω. Υπάρχουν τέσσερις καταστάσεις: 79

80 Κατάσταση 1 (00): επιτυχής λειτουργία των δύο στοιχείων. Κατάσταση 2 (10): το στοιχείο 1 έχει αποτύχει και το στοιχείο 2 λειτουργεί. Κατάσταση 3 (01): το στοιχείο 2 έχει αποτύχει και το στοιχείο 1 λειτουργεί. Κατάσταση 4 (11): και τα δύο στοιχεία έχουν αποτύχει. Ο ρυθμός αποτυχίας (λ) και ο ρυθμός επιδιόρθωσης (μ) για κάθε στοιχείο αναπαριστώνται επίσης στο διάγραμμα. Στην διαδικασία Markov οι ρυθμοί μετάβασης (αποτυχίας και επιδιόρθωσης) θεωρούνται σταθεροί. Σχήμα 5.3: Σχηματική αναπαράσταση ενός συστήματος δύο στοιχείων [61]. Βήμα 2: κατασκευή του πίνακα μετάβασης. Ένας πίνακας μετάβασης κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας το διάγραμμα αναπαράστασης των καταστάσεων και των μεταβάσεων. Για ένα σύστημα με n στοιχεία ο πίνακας θα έχει διαστάσεις n x n. Η κατασκευή του πίνακα βασίζεται στις αλλαγές μεταξύ των καταστάσεων και στην εισαγωγή των ρυθμών αποτυχίας και επιδιόρθωσης που οδηγούν σε μεταβάσεις. Για παράδειγμα, για μια μετάβαση μεταξύ των καταστάσεων i και j, ο ρυθμός μετάβασης εισάγεται στην i γραμμή και j στήλη του πίνακα. Τα διαγώνια στοιχεία του πίνακα θα πρέπει να ισούνται με το 1 μείον το άθροισμα των στοιχείων της αντίστοιχης γραμμής. Οποιοδήποτε άλλο στοιχείο του πίνακα θα πρέπει να είναι μηδέν. Ο πίνακας μετάβασης του συστήματος των δύο στοιχείων φαίνεται παρακάτω [61]. 80

81 T (5.17) Βήμα 3: εφαρμογή της μεθόδου Markov. Γίνεται εφαρμογή της μαθηματικής έκφρασης PT P, η οποία μπορεί να γραφτεί και PT I 0 [61]. Όπου: P το διάνυσμα πιθανοτήτων των δυνατών καταστάσεων του συστήματος T ο πίνακας μετάβασης I ο μοναδιαίος πίνακας Αντικαθιστώντας τον πίνακα μετάβασης στην παραπάνω εξίσωση προκύπτει η ακόλουθη σχέση [61]. ( 1 2 ) P1 0 1 ( 1 2 ) 0 2 P ( 2 1 ) 1 P ( ) P (5.18) Βήμα 4: σχέση ολικής πιθανότητας. Το άθροισμα των πιθανοτήτων όλων των καταστάσεων ισούται με 1. Δηλαδή ισχύει [61]: P P P P (5.19) Η σχέση αυτή είναι απαραίτητη για την επίλυση του παραπάνω συστήματος που περιέχει μόνο n-1 ανεξάρτητες εξισώσεις και n (τέσσερις) μεταβλητές. Έτσι, οποιαδήποτε γραμμή μπορεί να αντικατασταθεί από την σχέση αυτή. Για παράδειγμα με αντικατάσταση της σχέσης (5.19) στην πρώτη γραμμή του 81

82 παραπάνω συστήματος προκύπτει ένα σύστημα με τέσσερις ανεξάρτητες εξισώσεις που μπορεί να λυθεί με γραμμική άλγεβρα P1 1 1 ( 1 2 ) 0 2 P ( 2 1 ) 1 P ( ) P (5.20) Βήμα 5: επίλυση εξίσωσης μετάβασης Markov με γραμμική άλγεβρα. Από την επίλυση προκύπτουν οι πιθανότητες των τεσσάρων καταστάσεων που είναι [61]: 1 2 P1 ( )( ) P2 ( )( ) P3 ( )( ) P4 ( )( ) (5.21) (5.22) (5.23) (5.24) 82

83 5.2 Εφαρμογή μεθόδων υπολογισμού αξιοπιστίας σε απλή τοπολογία. Υπολογισμός αξιοπιστίας με διαγράμματα (Reliability Block Diagram) ρυθμοί αποτυχίας,, 0,002 / έ 0,54 / έ 0,003 / έ Στοιχεία σε σειρά (μετασχηματιστής- γραμμή 100 μέτρα-διακόπτης) Αποτυχία συστήματος: αρκεί να αποτύχει ένα στοιχείο τους συστήματος Σχήμα 5.4 Για να υπολογίσουμε την αξιοπιστία κάθε στοιχείου υποθέτουμε ότι όλα τα στοιχεία έχουν σταθερό ρυθμό αποτυχίας και ότι η κατανομή TTF(time to failure) είναι εκθετική. Δηλαδή ισχύει: R t e (5.25) Η αξιοπιστία του συστήματος είναι: R R R R (5.26) s με σταθερό δείκτη αποτυχίας: (5.27) s Στοιχεία παράλληλα (μετασχηματιστής σε σειρά με 3 παράλληλες γραμμές με διακόπτες) Σχήμα

84 Αποτυχία συστήματος: η αποτυχία όλων των εν παραλλήλω στοιχείων προκαλεί αποτυχία του συστήματος. την Εδώ αρκεί να αποτύχει ο μετασχηματιστής ή το υπόλοιπο σύστημα που αποτελείται από παράλληλες γραμμές σε συνδυασμό με διακόπτες. Υπολογισμός αξιοπιστίας γραμμής διακόπτη (σε σειρά): R R R (5.28) 1 Για τον παράλληλο συνδυασμό ισχύει: 3 R (5.29) R1 1 i i1 Και η αξιοπιστία του συστήματος είναι: R R R (5.30) s Ο δείκτης αποτυχίας του συστήματος δεν είναι σταθερός αν και ο δείκτης αποτυχίας του κάθε στοιχείου θεωρείται σταθερός. Υπολογισμός αξιοπιστίας με δέντρα σφαλμάτων (Fault Tree Analysis) Τα βήματα της ανάλυσης είναι: Καθορισμός κύριου ανεπιθύμητου γεγονότος και βασικών γεγονότων που ενδέχεται να οδηγήσουν σ αυτό. Θεωρούμε την αποτυχία του συστήματος ως κύριο γεγονός (top event) και τις αποτυχίες των διάφορων στοιχείων ως βασικά γεγονότα (basic events). Η ανάλυση γίνεται γραφικά χρησιμοποιώντας τις πύλες AND και OR με τους διάφορους συνδυασμούς αποτυχιών που θα προκαλέσουν την αποτυχία του συστήματος. Σκοπός είναι ο υπολογισμός την πιθανότητας να συμβεί το top event μέσω των πιθανοτήτων αποτυχίας των διαφόρων στοιχείων του συστήματος. 84

85 Η πιθανότητα αποτυχίας ενός στοιχείου P i ισούται με 1 Ri, όπου R i η αξιοπιστία του στοιχείου δίνεται από την παρακάτω σχέση: Ri t e (5.31) Στοιχεία σε σειρά Το σύστημα θα αποτύχει αν τουλάχιστον ένα στοιχείο αποτύχει, οπότε χρησιμοποιείται η πύλη OR που συνδέεται με τα τρία βασικά γεγονότα. Σχήμα 5.6 Οπότε από το άθροισμα των πιθανοτήτων αποτυχίας των στοιχείων P, P, P, προκύπτει η πιθανότητα αποτυχίας του συστήματος ως εξής: P P P P (5.32) S Στοιχεία παράλληλα Εδώ θα συνδεθούν με πύλες OR τα γεγονότα αποτυχίας του διακόπτη και της γραμμής για κάθε έναν από τους τρεις παράλληλους συνδυασμούς, με πύλη AND τα γεγονότα αποτυχίας των τριών παράλληλων συνδυασμών και τέλος με πύλη OR η αποτυχία του μετασχηματιστή και του υπόλοιπου συστήματος που οδηγεί στην αποτυχία του συστήματος (top event). Η πιθανότητα αποτυχίας του συστήματος δίνεται από την παρακάτω σχέση: 85

86 P P ( P P ) ( P P ) ( P P ) (5.33) S Σχήμα

87 5.3 Στοιχεία αξιοπιστίας εξαρτημάτων δικτύου διανομής. Η ανησυχία των εταιριών παροχής ηλεκτρικής ενέργειας όσον αφορά την σημασία της συγκέντρωσης και ανάλυσης των δεδομένων που αφορούν την αποτυχία και την επιδιόρθωση των διάφορων εξαρτημάτων του δικτύου αυξάνεται κάθε χρόνο, καθώς λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά αξιοπιστίας του κάθε στοιχείου κατά τη διάρκεια σχεδιασμού του συστήματος ή επέκτασης του δικτύου η ποιότητα της παρεχόμενης ενέργειας μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά [64]. Για την επίτευξη αξιόπιστων και χρήσιμων αποτελεσμάτων από την αποτίμηση της αξιοπιστίας του συστήματος, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν λογικές τιμές των δεικτών αξιοπιστίας των εξαρτημάτων που το απαρτίζουν. Ωστόσο, η απαιτούμενη ακρίβεια των δεδομένων αξιοπιστίας εξαρτάται από τον σκοπό για τον οποίο γίνεται η αποτίμηση, για παράδειγμα μεγαλύτερη ακρίβεια τιμών απαιτείται για τον προσδιορισμό της πραγματικής απόδοσης του συστήματος παρά για την σύγκριση συστημάτων που διαφέρουν στη διάρθρωση [64]. Οι εταιρίες που συμμετέχουν σε επίσημες έρευνες αποκτούν εύκολη πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων στατιστικών στοιχείων αποτυχίας και επιδιόρθωσης εξαρτημάτων. Όμως οι ερευνητές στα πανεπιστήμια και οι εταιρίες παροχής που έχουν ανεπαρκή ιστορικά ερευνητικά στοιχεία θα πρέπει να βασίζονται σε δημοσιευμένα στοιχεία αξιοπιστίας των εξαρτημάτων του δικτύου Ρυθμός αποτυχίας και χρόνος επιδιόρθωσης. Οι ρυθμοί αποτυχίας (failure rates) και οι χρόνοι επιδιόρθωσης (repair times) λαμβάνονται μέσω παρατήρησης ενός πληθυσμού. Συνήθως, ο μέσος ετήσιος ρυθμός αποτυχίας, λ, που χρησιμοποιείται στην ανάλυση αξιοπιστίας του συστήματος διανομής υπολογίζεται ως εξής [64]: ό ώ ό ά ό ώ (5.34) Οι αποτυχίες διαχωρίζονται σε μόνιμες (sustained failures) και σε παροδικές αποτυχίες (temporary failures). Οι μόνιμες αποτυχίες απαιτούν κάποιου είδους επιδιόρθωση για την αποκατάσταση της λειτουργίας του εξαρτήματος, ενώ στις παροδικές αποτυχίες δεν είναι 87

88 αναγκαία η διαδικασία της επισκευής του εξαρτήματος και η επιδιόρθωση γίνεται αυτόματα. Ο χρόνος επιδιόρθωσης ορίζεται γενικά ως το χρονικό διάστημα που απαιτείται η επαναφορά της λειτουργίας του εξαρτήματος μετά από μια μόνιμη αποτυχία του. Ο χρόνος επιδιόρθωσης μπορεί να αναλυθεί σε επιμέρους τμήματα [64]: Ο χρόνος που απαιτείται για την άφιξη προσωπικού στο σημείο της βλάβης, για διακοπτικούς χειρισμούς και την εφαρμογή γείωσης ασφάλειας, για ανάλυση της αποτυχίας, για απόκτηση ανταλλακτικών, για επισκευή και επαναφορά του εξαρτήματος σε κατάσταση λειτουργίας. Επιπλέον, σκόπιμες καθυστερήσεις μπορεί να συμπεριλαμβάνονται. Συχνά γίνεται διάκριση μεταξύ του χρόνου επιδιόρθωσης (repair time) και του χρόνου αποκατάστασης (restoration time). Ο χρόνος αποκατάστασης αναφέρεται γενικά στη χρονική διάρκεια που απαιτείται έως ότου επιτευχθεί επαναφορά της λειτουργίας και εκ νέου τροφοδότηση των καταναλωτών των οποίων η παροχή διεκόπη εξαιτίας βλάβης ενός στοιχείου του δικτύου. Υπάρχουν τρεις τρόποι για την αποκατάσταση της εξυπηρέτησης των πελατών μετά από μια μόνιμη αποτυχία στο σύστημα διανομής [64]: Μέσω επισκευής του εξαρτήματος, μέσω αντικατάστασης του εξαρτήματος είτε μέσω διακοπτικών χειρισμών. Ωστόσο, οι ορισμοί των χρόνων επιδιόρθωσης και αποκατάστασης δεν είναι απόλυτα καθορισμένοι και γι αυτό απαιτείται να οριστούν οι χρονικές παράμετροι για κάθε περίσταση Αιτίες αποτυχίας εξαρτημάτων του δικτύου. Οι αποτυχίες των εξαρτημάτων του δικτύου εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες [64]: καιρικές συνθήκες (καταιγίδες, κεραυνοί, χιόνι, πάγος), πολύ υψηλές θερμοκρασίες και αυξημένη υγρασία, έλλειψη συντήρησης, γήρανση, ανθρώπινη επίδραση, βλάστηση και ζώα, διαρκής υπερφόρτιση, ρύπανση, σχεδιασμός και κατασκευή. 88

89 Οι παράγοντες αυτοί προκαλούν διαφοροποίηση των ρυθμών αποτυχίας ανάλογα με την τοποθεσία και τη χρονική στιγμή. Γι αυτό, μερικές φορές δεν είναι απόλυτα ακριβές να χρησιμοποιούνται οι ίδεις μέσες τιμές των ρυθμών αποτυχίας για όλα τα εξαρτήματα ενός συγκεκριμένου τύπου. Στην πραγματικότητα σε κάθε εξάρτημα αντιστοιχεί ένας ρυθμός αποτυχίας ανάλογα με τον τύπο αλλά και τις συνθήκες λειτουργίας του. Ωστόσο, συνήθως οι ρυθμοί αποτυχίας λαμβάνονται από έρευνες ως μέσες τιμές που ισχύουν για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας Αξιοπιστία και αποτυχία. Ο όρος της αξιοπιστίας χρησιμοποιείται για να περιγράψει γενικά έναν από τους ερευνητικούς κλάδους της μηχανικής είτε για την μέτρηση της απόδοσης ενός συστήματος. Η κλασσική αξιοπιστία είναι η πιθανότητα ενός στοιχείου να εκτελέσει την λειτουργία του για ένα συγκεκριμένο διάστημα υπό ορισμένες συνθήκες [63,67]. Γίνεται η υπόθεση ότι κάθε στοιχείο του συστήματος που μελετάται μπορεί να μεταβεί από την κατάσταση λειτουργίας στην κατάσταση αποτυχίας. Η κατάσταση του στοιχείου αναπαριστάται ως τυχαία μεταβλητή με τιμή ένα ή μηδέν για κατάσταση λειτουργίας και αποτυχίας αντίστοιχα. Η κλασσική αξιοπιστία R(t), είναι η πιθανότητα ότι ένα στοιχείο του συστήματος βρίσκεται σε κατάσταση λειτουργίας μέχρι τη χρονική στιγμή t. Γίνονται οι υποθέσεις ότι τη χρονική στιγμή μηδέν το στοιχείο λειτουργεί κανονικά και ότι τελικά αποτυγχάνει δηλαδή ότι R(0)=1, R( )=0., καθώς και ότι η συνάρτηση της αξιοπιστίας, R(t), δεν είναι αύξουσα [63]. Αποτυχία συμβαίνει όταν ένα στοιχείο δεν εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Ωστόσο, στην πράξη, ο όρος της αποτυχίας χρησιμοποιείται συχνά για να περιγράψει οποιαδήποτε κατάσταση ο πελάτης θεωρεί ως βλάβη. Επιπλέον υπάρχει η έννοια της μεταβατικής ή διακοπτόμενης αποτυχίας, κατά την οποία το στοιχείο δεν παρέχει ένα συγκεκριμένο επίπεδο απόδοσης στο σύστημα αλλά επανέρχεται στην κανονική του απόδοση χωρίς επιδιόρθωση και κάποιες φορές χωρίς καμία παρέμβαση [63]. 89

90 5.3.4 Η καμπύλη bathtub. Στην καμπύλη bathtub παρακάτω φαίνονται οι τρεις φάσεις ενός εξαρτήματος κατά την διάρκεια του κύκλου ζωής του [63]. Ο κάθετος άξονας αναπαριστά τον ρυθμό επικινδυνότητας και ο οριζόντιος τον χρόνο, ξεκινώντας από το αρχικό στάδιο λειτουργίας του εξαρτήματος. Η πρώτη φάση συχνά αναφέρεται ως βρεφική θνησιμότητα (infant mortality), και αναπαριστά το πρώιμο στάδιο ζωής του στοιχείου όταν κατασκευαστικές ατέλειες ή άλλοι αρχικοί μηχανισμοί αποτυχιών που μπορεί να εμφανιστούν. Ο ρυθμός επικινδυνότητας μειώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου καθώς μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης αποτυχίας εξαιτίας αυτών των μηχανισμών. Η δεύτερη φάση ονομάζεται χρήσιμη ζωή (useful life) και αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας λειτουργίας του εξαρτήματος. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο ρυθμός επικινδυνότητας θεωρείται ότι παραμένει σταθερός, δηλαδή θεωρούμε σταθερό ρυθμό αποτυχίας. Η τρίτη φάση επέρχεται στο τέλος του προσδοκώμενου κύκλου ζωής του εξαρτήματος, όπου λόγω της φθοράς (wear-out) η πιθανότητα αποτυχίας αυξάνεται και εμφανίζονται μηχανισμοί αποτυχίας εξαιτίας της γήρανσης και της εξασθένησης των ιδιοτήτων του. Για την περιγραφή του ρυθμού επικινδυνότητας κατά την αρχική φάση και την φάσης της φθοράς χρησιμοποιείται η κατανομή Weibull, η λογαριθμική κατανομή ή άλλες στατιστικές κατανομές. Από την μαθηματική πλευρά, η ιδανική καμπύλη bathtub προκύπτει από την σύνθεση των τριών κατανομών που αναπαριστούν τα τρία στάδια ζωής ενός εξαρτήματος, μία κατανομή για τον φθίνοντα ρυθμό επικινδυνότητας κατά την αρχική λειτουργία, μια εκθετική κατανομή για τον σταθερό ρυθμό αποτυχίας και μια κατανομή για τον αυξανόμενο ρυθμό επικινδυνότητας στο τελικό στάδιο. Ωστόσο, στην πράξη, η καμπύλη του ρυθμού επικινδυνότητας δεν είναι τόσο απλή και προκύπτει από τον συνδυασμό πολλών κατανομών που περιγράφουν διαφορετικούς τρόπους αποτυχίας [63]. 90

91 Σχήμα 5.8: Ιδανική καμπύλη bathtub [63]. Μια χρήσιμη συνάρτηση για την αξιοπιστία είναι η αθροιστική συνάρτηση επικινδυνότητας H(t), που προέρχεται από την παρακάτω εξίσωση [63,67]. H t ln Rt (5.35) Ο ρυθμός επικινδυνότητας, h(t), προκύπτει από την παραγώγιση της παραπάνω σχέσης. Ο ρυθμός επικινδυνότητας αποτελεί τον στιγμιαίο ρυθμό αποτυχίας του εξαρτήματος. Έτσι όταν ο ρυθμός επικινδυνότητας είναι σταθερός ή ανεξάρτητος από το χρόνο, συνήθως ορίζεται με την παράμετρο λ. Αφού λοιπόν για σταθερό ρυθμό αποτυχίας ισχύει η ακόλουθη σχέση: t 0 H t h t dt t (5.36) Έτσι η προηγούμενη εξίσωση γίνεται Rt exp t, δηλαδή εκθετική κατανομή αξιοπιστίας [63]. Ο σταθερός ρυθμός αποτυχίας έχει πολλές χρήσιμες ιδιότητες, μια από τις οποίες είναι ότι η μέση τιμή της κατανομής της διάρκειας ζωής του εξαρτήματος είναι 1/λ. Η μέση τιμή αναπαριστά την προσδοκώμενη διάρκεια μέχρι την αποτυχία του εξαρτήματος και ονομάζεται μέση χρόνος εμφάνισης αποτυχίας (Mean time to failure, MTTF) ή μέσος χρόνος μεταξύ αποτυχιών (Mean time between failure, MTBF). Η διαφορά μεταξύ του MTTF και του 91

92 MTBF είναι ότι ο πρώτος δείκτης χρησιμοποιείται για στοιχεία που δεν επισκευάζονται ενώ ο δεύτερος για αυτά που επισκευάζονται. Μια άλλη σημαντική ιδιότητα του σταθερού ρυθμού αποτυχίας είναι ότι μπορεί να εκτιμηθεί απλώς ως ο συνολικός αριθμός παρατηρούμενων αποτυχιών προς το πλήθος εξαρτημάτων και το χρονικό διάστημα για το οποίο γίνεται η ανάλυση. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι η εκθετική κατανομή είναι η μόνη κατανομή για την οποία ο ρυθμός επικινδυνότητας είναι σταθερός και η μέση διάρκεια ζωής δεν είναι 1/h(t) όταν ο ρυθμός αυτός δεν είναι σταθερός [63] Επίδραση υπερφόρτισης στον ρυθμό αποτυχίας του μετασχηματιστή. Σύμφωνα με τις αναφορές [77,78] παρατηρείται μια αύξηση του ρυθμού αποτυχίας σε διαστήματα υπερφόρτισης και η αύξηση είναι ανάλογη του ποσοστού της υπερφόρτισης. Για τον μετασχηματιστή αυτό συμβαίνει λόγω εξασθένησης της διηλεκτρικής του αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες που προκαλούνται από αυξημένο επίπεδο φόρτισης [78-81]. Η θερμοκρασία του μονωτικού λαδιού του μετασχηματιστή σχετίζεται άμεσα με τον ρυθμό αποτυχίας του και εξαρτάται από την θερμοκρασία περιβάλλοντος και από τη φόρτιση του μετασχηματιστή [77]. Εκτός από τον αυξημένο κίνδυνο αποτυχίας οι συχνές υπερφορτίσεις επιδρούν δυσμενώς και στην διάρκεια ζωής του μετασχηματιστή. Στο παρακάτω σχήμα υποδεικνύεται η μεταβολή του ρυθμού αποτυχίας και της πιθανότητας διηλεκτρικής διάσπασης σε συνάρτηση με την τάση των τυλιγμάτων του μετασχηματιστή, σε κατάσταση υπερφόρτισης και σε κανονική λειτουργία. Σχήμα 5.9: Τροποποίηση ρυθμού αποτυχίας μετασχηματιστή [78]. 92

93 Από τα παραπάνω προκύπτει το συμπέρασμα ότι η αξιολόγηση της αξιοπιστίας ενός στοιχείου του δικτύου και στη συγκεκριμένη περίπτωση ενός μετασχηματιστή, θα πρέπει να γίνεται σύμφωνα με την ημερήσια καμπύλη φορτίου. Έτσι δίνεται η δυνατότητα υπολογισμού των δεικτών αξιοπιστίας σε ωριαία βάση. Στην ακόλουθη εικόνα φαίνονται οι ημερήσιες καμπύλες του ρυθμού αποτυχίας ενός μετασχηματιστή για κατάσταση υπερφόρτισης και κανονική φόρτιση. Ο ρυθμός αποτυχίας λ 17 αντιστοιχεί στην λειτουργία υπερφόρτισης ενώ ο λ 7 σε κανονική φόρτιση. Στην μελέτη αυτή [77] το μέγιστο φορτίο του συστήματος εμφανίζεται τις μεσημεριανές ώρες. Κατά την χρονική αυτή περίοδο η αξιοπιστία του μετασχηματιστή λαμβάνει τις χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις υπόλοιπες ώρες. Σχήμα 5.10: Ημερήσιες καμπύλες ρυθμού αποτυχίας μετασχηματιστή [77] Ρυθμοί αποτυχίας στοιχείων του δικτύου. Διακόπτες Αποτυχία διακόπτη μπορεί να επέλθει στις παρακάτω περιπτώσεις: Όταν δεν ανοίγει υπό συνθήκες σφάλματος. Όταν ανοίγει σε λάθος χρονική στιγμή. Όταν δεν κλείνει μετά από εντολή. Όταν κλείνει χωρίς εντολή κλεισίματος. Ρυθμός αποτυχίας [64]: κύριες αποτυχίες: 0,3/(100 διακόπτες, χρόνο) δευτερεύουσες αποτυχίες: 2,2/(100 διακόπτες, χρόνο) 93

94 Μετασχηματιστές Ρυθμός αποτυχίας [64]: 0,1-0,2/(100 Μ/Σ,χρόνο) Καταστάσεις που επηρεάζουν την λειτουργία τους: ελαττώματα σχεδίασης, υπερτάσεις, κεραυνοί, λάθη κατά την συντήρηση, απότομη χειροτέρευση της κατάστασης της μόνωσης, σφάλματα μόνωσης λόγω γήρανσης. Γραμμές καλώδια Ρυθμός αποτυχίας [61]: ανάλογος με το μήκος 0,02-0,54/km, χρόνο για γραμμές μικρότερος σε καλώδια 0,0095-0,025/km, χρόνο Αιτίες αποτυχίας σε εναέρια γραμμή [86]: δυσμενείς καιρικές συνθήκες (καταιγίδες -κεραυνοί) (55%) ζημιά από ζώα(5%) δέντρα(11%) χειροτέρευση κατάστασης λόγω γήρανσης (14%) ζημία από άνθρωπο(3%) Αιτίες διακοπής παροχής ηλεκτρισμού. Η παροχή ηλεκτρισμού στους καταναλωτές διακόπτεται εξαιτίας των παρακάτω καταστάσεων: Αυξημένης ζήτησης (υπερφόρτιση δικτύου). Αποτυχίας κάποιου στοιχείου του δικτύου. 94

95 Συντήρησης και επιθεώρησης. Επιδιόρθωσης σφάλματος λόγω υπερφόρτισης/βραχυκυκλώματος Μέθοδοι βελτίωσης αξιοπιστίας σε δίκτυα διανομής. Κάποιοι τρόποι για ενίσχυση της αξιοπιστίας των δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι [87]: Μείωση του μήκους της γραμμής με κατασκευή νέων υποσταθμών. Αντικατάσταση εναέριων γραμμών με καλώδια. Αυτόματη απομόνωση τμήματος του δικτύου όπου έχει γίνει σφάλμα με διακόπτες απομόνωσης. Δυνατότητα εναλλακτικής παροχής σε περίπτωση σφάλματος με αυτοματοποιημένο τρόπο. Οι πρώτες δυο μέθοδοι μειώνουν τον συνολικό αριθμό αποτυχιών στο δίκτυο, ενώ οι άλλες δύο μειώνουν την μη παρεχόμενη ενέργεια σε περίπτωση αποτυχιών. 5.4 Κόστος μη εξυπηρετούμενης ενέργειας πελατών. Για την συσχέτιση μεταξύ του κόστους επένδυσης και του επιπέδου αξιοπιστίας απαιτείται η ποσοτικοποίηση της αξιοπιστίας σε νομισματική βάση η οποία μπορεί να επιτευχθεί μέσω του υπολογισμού του αναμενόμενου κόστους διακοπής της ηλεκτρικής παροχής (Expected Interruption Cost, EIC). Το κόστος διακοπής που υφίστανται οι πελάτες (Customer Interruption Cost, CIC) χρησιμοποιείται ως μέτρο στην αποτίμηση της αξίας της αξιοπιστίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Έχοντας ως στόχο τον καθορισμό ενός ικανοποιητικού και αξιόπιστου επιπέδου εξυπηρέτησης πελατών, η αξία και το κόστος της αξιοπιστίας θα πρέπει να εκτιμηθεί ανταποκρινόμενο στο εκάστοτε σύστημα και στους πελάτες του [83]. Η αξία του μη εξυπηρετούμενου φορτίου (Value of Lost Load, VLL) αποτελεί την εκτίμηση ενός μέσου καταναλωτή για την αξία της μη εξυπηρετούμενης ενέργειάς του. Πολλές φορές αναφέρεται και ως ρυθμός αποτίμησης της μη εξυπηρετούμενης ενέργειας (Interrupted 95

96 Energy Assessment Rate, IEAR). Η αξία αυτή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και είναι δύσκολο να εκτιμηθεί Παράγοντες επίδρασης στην αξία του μη εξυπηρετούμενου φορτίου. Οι παράγοντες αυτοί περιλαμβάνουν [82]: Τις δραστηριότητες που επηρεάζει η διακοπή παροχής και συνεπώς την χρονική περίοδο μέσα στη μέρα και το συνδυασμό των πελατών. Το συνολικό αριθμό των διακοπών. Την διαθεσιμότητα προειδοποίησης των πελατών. Τις καιρικές συνθήκες. Την διάρκεια της διακοπής Διάκριση άμεσου και έμμεσου κόστους διακοπής. Το κόστος μη εξυπηρετούμενης ενέργειας αποτελείται από το κόστος της εταιρίας παροχής, και το κόστος του πελάτη [84,85]. Το πρώτο συμπεριλαμβάνει τα έσοδα που χάνει η εταιρία παροχής λόγω της διακοπής του ηλεκτρισμού, το κόστος για επαναφορά της τροφοδοσίας και ενδεχόμενες αποζημιώσεις των πελατών της. Το κόστος του πελάτη κατανέμεται στο άμεσο και το έμμεσο κόστος. Το άμεσο κόστος περιλαμβάνει τη χαμένη παραγωγή από πλευράς βιομηχανιών, τα αλλοιωμένα τρόφιμα για εμπορικούς αλλά και οικιακούς καταναλωτές, την καταστροφή ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών, την επίδραση στη διασκέδαση και την αξιοποίηση του ελεύθερου χρόνου των καταναλωτών καθώς και πιθανούς τραυματισμούς ή και απώλεια ανθρώπινης ζωής. Το έμμεσο κόστος αφορά τις επιδράσεις που εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της διακοπής που πιθανόν να περιλαμβάνουν το κόστος εναλλακτικού φωτισμού, θέρμανσης αλλά και την διευκόλυνση παρανομιών κατά τη διάρκεια της διακοπής, ενδεχόμενη επίδραση στην παροχή νερού και αύξηση του κόστους ασφάλισης εταιριών. Πολλές φορές το έμμεσο κόστος μπορεί να ξεπεράσει το άμεσο κόστος του πελάτη [84,85]. 96

97 5.4.3 Είδη καταναλωτών. Για να ποσοτικοποιηθούν οι συνέπειες μιας διακοπής χρησιμοποιείται η συνάρτηση βλάβης (Interruption Damage Function, IDF) που παρέχει σε νομισματικές μονάδες τα αποτελέσματα που φέρει μια διακοπή παροχής ηλεκτρικής ενέργειας [83]. Η μοντελοποίηση αυτή δίνει το κόστος σε συνάρτηση με τη διάρκεια της διακοπής [85]. Επειδή το πραγματικό κόστος της διακοπής εξαρτάται από το είδος στο οποίο ανήκουν οι πελάτες που επηρεάζονται, διαφορετικές τιμές κόστους ανά χαμένη KWh λαμβάνονται για τις διάφορες κατηγορίες καταναλωτών. Για κάθε κατηγορία καταναλωτών υπάρχει επιπλέον διαφοροποίηση ανάλογα με τη διάρκεια αλλά και τη χρονική περίοδο κατά την οποία λαμβάνει χώρα η διακοπή. Οι κατηγορίες των πελατών περιλαμβάνουν τον οικιακό, τον βιομηχανικό, τον εμπορικό, τον αγροτικό και τον κυβερνητικό τομέα. Έτσι μπορεί να δημιουργηθεί μια συνάρτηση βλάβης για τον κάθε τομέα (Sector Interruption Damage Function, SIDF) ώστε να επιτευχθεί η μοντελοποίηση περιπτώσεων όπου μια διακοπή επιδρά σε περισσότερους του ενός είδους καταναλωτών [83]. Σχήμα 5.11: Κόστος διακοπής ανά είδος πελάτη σε συνάρτηση με τη διάρκεια της διακοπής [84]. Από το παραπάνω σχήμα φαίνεται ότι το μεγαλύτερο κόστος εξαιτίας διακοπής της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας το υφίσταται ο εμπορικός καταναλωτής, ενώ το χαμηλότερο ο καταναλωτής του οικιακού τομέα [84]. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι ο εμπορικός τομέας περιλαμβάνει υπηρεσίες που εξαρτώνται άμεσα από την τεχνολογία και τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και έτσι χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερη ευαισθησία στις 97

98 διακοπές ηλεκτρικού ρεύματος. Ακόμα και κατά μια σύντομης διάρκειας διακοπή της λειτουργίας του εμπορικού τομέα αρκεί για να επιβαρυνθούν οι καταναλωτές αυτού του τομέα με υψηλά κόστη εξαιτίας βλάβης σε ηλεκτρονικό εξοπλισμό και απώλειας δεδομένων. Εξαιτίας της ανάγκης για υψηλή αξιοπιστία ώστε να αποφευχθούν οι βλάβες ηλεκτρονικών συσκευών έχει σημειωθεί αύξηση στη ζήτηση εξοπλισμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ως εναλλακτικής τροφοδοσίας όπως είναι οι κυψέλες καυσίμου, τα φωτοβολταϊκά, οι ανεμογεννήτριες κτλ. Όσον αφορά τον οικιακό τομέα οι διακοπές παροχής ηλεκτρισμού έχουν άμεση επίδραση στη ζωή των καταναλωτών μιας κατοικίας, αφού με την απουσία ηλεκτρισμού τα συστήματα θέρμανσης, ψύξης, φωτισμού και όλες οι ηλεκτρικές συσκευές δεν λειτουργούν. Εκτός όμως από την έλλειψη ανέσεων υπάρχει και η πιθανότητα βλάβης ηλεκτρονικών συσκευών τη στιγμή της διακοπής και αλλοίωσης τροφίμων. Ωστόσο το κόστος για τον οικιακό τομέα παραμένει το χαμηλότερο σε σύγκριση με τα υπόλοιπα είδη καταναλωτών [84]. 98

99 6 Διαχείριση της ζήτησης σε κατοικίες και γραφεία 6.1 Τροποποίηση καμπύλης φορτίου ανάλογα με την τεχνική DSM. Γνωρίζοντας ότι η έννοια του DSM περιλαμβάνει την διαχείριση του φορτίου και την ενεργειακή απόδοση, οι δυνατές μεταβολές της καμπύλης ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας είναι οι παρακάτω. Διαχείριση φορτίου (Load Management): Peak clipping/shaving Μείωση χρήσης ηλεκτρισμού σε περιόδους αιχμής χωρίς να αντισταθμίζεται αργότερα. Load shifting Αναβολή δραστηριοτήτων που απαιτούν κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από περιόδους υψηλών τιμών ή γεγονότων απόκρισης ζήτησης για άλλες χρονικές περιόδους. 99

100 Για τις παραπάνω μεταβολές της καμπύλης φορτίου απαραίτητη είναι η εφαρμογή μέτρων μεταβολής της κατανάλωσης σε ώρες αιχμής. Valley filling Αύξηση της κατανάλωσης σε περιόδους χαμηλής ζήτησης ώστε να εξαλειφθούν οι μεγάλες διαφορές μεταξύ μεγίστου και ελάχιστου φορτίου και να βελτιωθεί ο συντελεστής φορτίου του συστήματος. Ενεργειακή αποδοτικότητα (Energy Efficiency): Energy efficiency Μείωση της κατανάλωσης όλες τις ώρες. Απαιτεί εξοπλισμό ενεργειακά αποδοτικό και καταναλωτές ευαισθητοποιημένους και πρόθυμους να αλλάξουν συμπεριφορές και συνήθειες. Σε αυτήν την τάση μεταβολής της καμπύλης φορτίου οδηγούν οι τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας. Σχήμα 6.1: Δυνατές μεταβολές καμπύλης φορτίου. 100

101 6.2 Εξοικονόμηση ενέργειας σε κατοικίες (Energy Conservation). Η διαρκώς αυξανόμενη κατανάλωση ενέργειας αλλά και η επιδείνωση του προβλήματος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης έχουν αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία και η επίλυση τους έχει γίνει επιτακτική ανάγκη σε παγκόσμιο επίπεδο [75]. Οι προσπάθειες για τον περιορισμό της κατανάλωσης ενέργειας θα έχει ως άμεση συνέπεια τον περιορισμό των ρύπων που εκπέμπονται από την καύση συμβατικών καυσίμων. Η ορθολογική χρήση της ενέργειας μας παρέχει την δυνατότητα να εξοικονομήσουμε ενέργεια σε όλους τους τομείς, χωρίς να επιδρά κατ ανάγκη στο επίπεδο διαβίωσης στον τόπο κατοικίας μας. Εκμεταλλευόμενοι νέα συστήματα, τεχνολογίες και υλικά και κυρίως τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ηλιακή, αιολική, γεωθερμία, βιομάζα), μπορούμε να πετύχουμε την μείωση της κατανάλωσης συμβατικών καυσίμων και ταυτόχρονα να συμβάλλουμε στην προστασία του περιβάλλοντος [75]. Η προσπάθεια αυτή έχει σημαντικά οφέλη για όλους τους καταναλωτές σε οικονομικό, κοινωνικό και περιβαλλοντικό επίπεδο. Τα κέρδη από την ορθολογική χρήση ενέργειας σε κατοικίες είναι πολλαπλά και περιλαμβάνουν [75]: Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας για την θέρμανση, τον δροσισμό, τον φωτισμό και τις οικιακές συσκευές. Βελτίωση των εσωτερικών συνθηκών άνεσης, όλο το χρόνο. Εξοικονόμηση χρημάτων στον οικογενειακό προϋπολογισμό. Εξοικονόμηση φυσικών πόρων. Μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος στις πόλεις και γενικότερη συμβολή στην προστασία του πλανήτη. Η ενέργεια που καταναλώνουν οι οικιακοί καταναλωτές χρησιμοποιείται για την κάλυψη των παρακάτω αναγκών [75]: Θέρμανσης. Ψύξης κατά τους θερινούς μήνες. Φωτισμού. 101

102 Οικιακών συσκευών και την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Η αυξημένη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας δημιουργεί προβλήματα και αυξημένες διακοπές παροχής ηλεκτρισμού. Ιδιαίτερα την περίοδο του καλοκαιριού υπάρχει δυσκολία για την κάλυψη των αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας που οφείλεται κυρίως στη χρήση κλιματιστικών. Γενικά σε περιόδους χαμηλών και υψηλών θερμοκρασιών κατά την διάρκεια του έτους η εκτεταμένη χρήση κλιματιστικών στα κτίρια αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και τα φορτία. Το φορτίο αιχμής πολλές φορές πλησιάζει σε απαγορευτικά υψηλά επίπεδα με αποτέλεσμα δημιουργία αστάθειας στο δίκτυο με κίνδυνο blackout. Στόχος της ορθολογικής χρήσης ενέργειας από τους καταναλωτές είναι η εκμετάλλευση κατά το μέγιστο δυνατό κάθε μονάδας ενέργειας χρησιμοποιώντας νέες τεχνολογίες και τεχνικές για την κάλυψη των αναγκών τους. Διάφορες λύσεις και προτάσεις είναι διαθέσιμες ανάλογα με την κατοικία, τις ανάγκες και τον προϋπολογισμό του νοικοκυριού [75]. Η επισκευή και ανακαίνιση μιας πολυκατοικίας προσφέρει πολλές ευκαιρίες για συνδυασμένες επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας. Κατά την επισκευή δίνεται η δυνατότητα εντοπισμού προβλημάτων της κατασκευής, αξιολόγησης επεμβάσεων συντήρησης και παίρνονται κατάλληλες αποφάσεις ανακαίνισης. Η σωστή λειτουργία και συντήρηση των εγκαταστάσεων είναι απαραίτητη για την αποδοτική λειτουργία σε βάθος χρόνου. Η αντικατάσταση του παλαιού εξοπλισμού και των συσκευών με νέες πιο αποδοτικές χαμηλής κατανάλωσης Βασικοί τρόποι εξοικονόμησης ενέργειας σε κατοικίες. Ρύθμιση θερμοκρασίας πλυντηρίων ρούχων για πλύση με κρύο νερό. Ρύθμιση χαμηλότερης θερμοκρασίας θέρμανσης νερού σε θερμοσίφωνες. Πλήρης εκμετάλλευση χωρητικότητας σε πλυντήρια. Χρήση τηλεφώνων μπάνιου χαμηλής ροής. Σβήσιμο φώτων σε μη κατειλημμένους χώρους του σπιτιού και σε εξωτερικούς χώρους την μέρα. 102

103 Χρήση φωτισμού γραφείου, αισθητήρων κίνησης και χρονοδιακοπτών φωτισμού. Κλείσιμο συσκευών αντί για παραμονή τους σε κατάσταση αναμονής. Αποσύνδεση συσκευών που δεν χρησιμοποιούνται από την πρίζα. Τακτικός καθαρισμός/αντικατάσταση φίλτρων των κλιματιστικών. Ρύθμιση θερμοστάτη στις προτεινόμενες θέσεις και σε ώρες απουσίας μας από το σπίτι ρύθμιση σε υψηλότερη/χαμηλότερη θερμοκρασία το καλοκαίρι/χειμώνα. Κλείσιμο εξαερισμού όταν δεν χρειάζεται. Κατάλληλη ρύθμιση θερμοκρασίας του ψυγείου, έλεγχος για καλή εφαρμογή του λάστιχου της πόρτας, κλείσιμο της πόρτας αμέσως μετά την χρήση, καθαρισμός των σωληνώσεων στο πίσω μέρος του ψυγείου για καλύτερη απόδοση. Αντικατάσταση παλιών συσκευών με καινούριες συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας, χρήση λαμπτήρων χαμηλής κατανάλωσης και βελτίωση μόνωσης του σπιτιού. 6.3 Μέτρα μεταβολής της κατανάλωσης σε κατοικίες σε περιόδους αιχμής. Αποφυγή/μείωση χρήσης μεγάλων ηλεκτρικών συσκευών (κλιματιστικά, πλυντήρια, στεγνωτήρια, ηλεκτρική θερμάστρα) Μαγείρεμα σε ώρες χαμηλής ζήτησης Σβήσιμο των φώτων Κλείσιμο των περισσότερων ηλεκτρικών συσκευών Εξωτερικές δουλειές σε ώρες αιχμής (π.χ. ψώνια) 103

104 6.4 Εξοικονόμηση ενέργειας σε κτίρια γραφείων. Τα κτίρια γραφείων καταναλώνουν μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας για τις δραστηριότητες τους και τα περιθώρια βελτίωσης της ενεργειακής τους απόδοσης είναι σημαντικά, αρκεί να εφαρμοστούν τεχνικές όπως οι παρακάτω. σχεδιασμός κτιρίων χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης εγκατάσταση ενεργειακά αποδοτικού εξοπλισμού (συστήματα θέρμανσης, κλιματισμού, φωτισμού) ευαισθητοποίηση εργαζομένων ως προς την υιοθέτηση συμπεριφορών που στοχεύουν στην εξοικονόμηση ενέργειας εγκατάσταση συστημάτων ελέγχου απόδοσης και λειτουργίας του κτιρίου Τα παραπάνω οδηγούν σε εξοικονόμηση ενέργειας και κατά συνέπεια σε μειωμένους λογαριασμούς ηλεκτρικού ρεύματος ενώ η μείωση της καταναλισκόμενης ενέργειας δεν επηρεάζει τις δραστηριότητες των ενοίκων του κτιρίου. 6.5 Τεχνικές απόκρισης ζήτησης σε γραφεία. Οι τεχνικές αυτές μπορεί να αφορούν αποκλειστικά ένα συγκεκριμένο από τα διάφορα φορτία ενός κτιρίου με γραφεία όπως τα συστήματα φωτισμού, κλιματισμού, θέρμανσης και εξαερισμού αλλά και στρατηγικές που συνδυάζουν διαφορετικού είδους φόρτια για την επίτευξη του στόχου Σε συστήματα κλιματισμού, εξαερισμού και θέρμανσης (Heating, Ventilation and Air-Conditioning systems, HVAC systems). Τα συστήματα αυτά αποτελούν την καλύτερη επιλογή για συμμετοχή γραφείων σε τεχνικές απόκρισης ζήτησης γιατί απαρτίζουν το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρικού φορτίου του κτιρίου, η μείωση του φορτίου τους δεν επηρεάζει άμεσα τους εργαζομένους, και λόγω του ότι είναι σύνηθες να αυτοματοποιηθεί η λειτουργία τους με συστήματα διαχείρισης ενέργειας και ελέγχου (EMSC systems). 104

105 Κάποιες από τις τεχνικές που μπορούν να εφαρμοστούν είναι [73]: Ρύθμιση θερμοκρασίας στο κτίριο αυξάνοντας ή μειώνοντας την θερμοκρασία στους θερμοστάτες το καλοκαίρι και το χειμώνα αντίστοιχα. Αποθήκευση θερμικής ενέργειας στο κτίριο ρυθμίζοντας τους θερμοστάτες σε χαμηλότερη θερμοκρασία πριν την λειτουργία απόκρισης ζήτησης και αλλάζοντας την ρύθμιση σε υψηλότερη θερμοκρασία κατά την διάρκεια απόκρισης ζήτησης ώστε να μειωθεί το φορτίο εξαερισμού και ψύξης για το καλοκαίρι. Αντίστοιχα για το χειμώνα. Ρύθμιση πίεσης διανομής αέρα συστήματος εξαερισμού σε χαμηλότερη τιμή ή περιορισμός ταχύτητας ανεμιστήρων ώστε να μειωθεί το φορτίο του συστήματος εξαερισμού του κτιρίου. Κλείσιμο κάποιων κλιματιστικών ή/και κάποιων από τους ανεμιστήρες του συστήματος εξαερισμού. Στις περιπτώσεις που για απόκριση ζήτησης γίνεται μεταβολή φορτίου του συστήματος HVAC και υπάρχει περίπτωση απότομης αύξησης του φορτίου αμέσως μετά το γεγονός της απόκρισης ζήτησης, θα πρέπει να εφαρμοστεί κάποια στρατηγική για τον έλεγχο του φορτίου κατά την επαναφορά. Τέτοιες τεχνικές είναι: Αργή επαναφορά Επαναφορά εξοπλισμού/συσκευών διαδοχικά Επιμήκυνση ελέγχου DR μέχρι το τέλος του ωραρίου εργασίας Σε συστήματα φωτισμού. Οι τεχνικές που αφορούν τον φωτισμό είναι απλές όμως πρέπει να εφαρμόζονται προσεκτικά καθώς σχετίζονται με την ασφάλεια των εργαζομένων. Επίσης τα συστήματα φωτισμού συνήθως είναι μη αυτοματοποιημένα, έτσι για συνεισφορά σε μείωση κατανάλωσης ενέργειας όταν απαιτείται απόκριση ζήτησης οι χειρισμοί γίνονται 105

106 χειροκίνητα. Σημαντικό είναι ότι μείωση στο επίπεδο φωτισμού επηρεάζει την ζήτηση για την λειτουργία του συστήματος κλιματισμού, μειώνοντας την. Κάποιες στρατηγικές είναι [73]: Χωρισμός του συστήματος φωτισμού του κτιρίου σε ζώνες και έλεγχος μέσω διακοπτών κατά ζώνες (zone switching) Έλεγχος ανά λάμπα/φωτιστικό (lamp/luminaire switching) Έλεγχος επιπέδου φωτισμού ενός φωτιστικού που έχει ρυθμίσεις για δύο ή τρεις διακριτές βαθμίδες φωτισμού (stepped dimming) Έλεγχος επιπέδου φωτισμού φωτιστικών με δυνατότητα συνεχούς μεταβολής της έντασης (continuous dimming) Σε άλλα φορτία. Ανελκυστήρες (elevator cycling) Σε κτίρια με αρκετούς ανελκυστήρες μπορεί κατά την διάρκεια απόκρισης ζήτησης να διακοπεί η λειτουργία κάποιων ανελκυστήρων [73]. Φορτιστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων (electric vehicles chargers) Σε περίπτωση που υπάρχουν ηλεκτρικά αυτοκίνητα και χώρος φόρτισης τους στο κτίριο απαιτείται αποφυγή φόρτισης τους κατά την διάρκεια ενός γεγονότος DR [73] Συνδυασμός τεχνικών ελέγχου όλων των φορτίων του κτιρίου. Σχεδιασμός σε ζώνες (zone scheduling) Παρέχει την δυνατότητα τμήματα του κτιρίου να έχουν μειωμένη κατανάλωση από τα συστήματα HVAC και φωτισμού, καθώς σε ένα κτίριο δεν χρειάζονται οι ίδιες ανέσεις όλες τις ώρες σε όλα τα τμήματα του. Έτσι η κατανάλωση ενέργειας πρέπει να ρυθμίζεται σε κάθε τμήμα αναλόγως με το αν είναι κατειλημμένο ή όχι [74]. 106

107 Προγραμματισμός κατανάλωσης σε ώρες που το κτίριο είναι μη κατειλημμένο (night/unoccupied setback) Αύξηση/μείωση θερμοκρασίας ρύθμισης θερμοστάτη το καλοκαίρι και το χειμώνα αντίστοιχα στις ώρες που στο κτίριο δεν υπάρχουν εργαζόμενοι καθώς και σβήσιμο φώτων [74]. Χρήση αισθητήρων για ανίχνευση παρουσίας εργαζομένων (occupancy sensors) Ανίχνευση κίνησης που προκαλεί την κατάλληλη λειτουργία των συστημάτων φωτισμού/hvac. Δυνατότητα λειτουργίας βασισμένη σε κάρτες πρόσβασης των εργαζομένων σε τμήματα του κτιρίου ώστε να ενεργοποιούνται κατάλληλα τα συστήματα φωτισμού/hvac στους κατειλημμένους χώρους [74]. Προγραμματισμός για αργίες (holiday scheduling) Ένα ημερολόγιο για όλο το έτος καθορίζει τις μέρες αργίας που αντιστοιχούν σε κατάλληλη ρύθμιση των θερμοστατών και του φωτισμού εξασφαλίζοντας ότι δεν λειτουργούν τα συστήματα αυτά άσκοπα [74]. 6.6 Προηγμένες μέθοδοι ελέγχου των φορτίων του κτιρίου. Ενεργοποίηση/απενεργοποίηση φωτισμού ανάλογα με τις ώρες ανατολής και δύσης του ήλιου (follow sunrise & sunset) Έτσι αποτρέπεται το ενδεχόμενο φωτισμού χώρων κατά την διάρκειας της μέρας όταν ο φυσικός φωτισμός είναι διαθέσιμος και εξασφαλίζει επαρκή άνεση. Απαιτούνται κατάλληλες ρυθμίσεις ανάλογα με την εποχή του έτους και την τοποθεσία στην οποία βρίσκεται το κτίριο [74]. Μειωμένος φωτισμός περιμετρικά του κτιρίου (daylight harvesting) Οι χώροι που βρίσκονται κοντά σε παράθυρα ευνοούνται περισσότερο από το φώς του ήλιου. Έτσι διευκολύνεται στους χώρους αυτούς η μείωση του επιπέδου φωτισμού κατά την διάρκεια της μέρας χωρίς να επηρεάζονται οι εργαζόμενοι. Μάλιστα με την χρήση φωτοκύτταρων ανίχνευσης του επιπέδου φυσικού 107

108 φωτισμού γίνεται αυτόματα η απαιτούμενη συμπλήρωση με ενεργοποίηση του συστήματος φωτισμού σε συγκεκριμένους χώρους [74]. Βέλτιστη στιγμή ενεργοποίησης συστήματος HVAC (optimum start) Λαμβάνοντας υπόψη την εξωτερική θερμοκρασία και τις συνθήκες εντός του κτιρίου, η εκκίνηση του συστήματος HVAC για την εξασφάλιση ανεκτών συνθηκών γίνεται όσο το δυνατόν αργότερα [74]. Βέλτιστη στιγμή απενεργοποίησης συστήματος HVAC (optimum stop) Καθορισμός της χρονικής στιγμής που το επίπεδο άνεσης στο κτίριο θα αρχίζει να μειώνεται όσο το δυνατόν νωρίτερα ώστε να φτάσει στις ρυθμίσεις για μη κατειλημμένους χώρους [74]. Εξαερισμός εφόσον είναι απαραίτητος (ventilation on demand) Χρήση ως δείκτη του επιπέδου CO 2 στον χώρο για καθορισμό της αναγκαιότητας ανανέωσης του αέρα [74]. Η απόκριση ζήτησης αναφέρεται σε προσωρινές και βραχυπρόθεσμες τροποποιήσεις στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας έχοντας ως κίνητρα την δυναμική τιμολόγηση και την αξιοπιστία. Οι τεχνικές αυτές οδηγούν σε απώλεια κάποιων υπηρεσιών του κτιρίου (κλιματισμός, φωτισμός, θέρμανση), άρα επηρεάζουν τους εργαζόμενους που αντιλαμβάνονται για παράδειγμα αλλαγή της θερμοκρασίας. 108

109 6.7 Παραδείγματα σεναρίων διαχείρισης-απόκρισης ζήτησης 1. Πλυντήριο ρούχων: Αποφυγή πλύσης σε ώρες αιχμής (3-7μμ). Για παράδειγμα προγραμματισμός πλύσης στις 8μμ αντί για τις 3μμ μετατοπίζει την κατανάλωση ενέργειας και μειώνει το μέγιστο φορτίο στις ώρες αιχμής. Ενδεικτικά η κατανάλωση ενέργειας ανά πλύση στους 60 0 C είναι 2,2kWh για παλιό τύπο πλυντηρίου και 1,4kWh για νέο. 2. Πλυντήριο ρούχων: Μείωση θερμοκρασίας πλύσης σε ώρες αιχμής. Σημαντική μείωση στην κατανάλωση ενέργειες μπορεί να επέλθει και μέσω της κατάλληλης ρύθμισης της θερμοκρασίας του νερού αφού περίπου το 80% της ενέργειας που καταναλώνει η συσκευή αφορά την θέρμανση του νερού. Έτσι μειώνοντας την θερμοκρασία πλύσης από τους 60 0 C στους 40 0 C για νέο τύπο πλυντηρίου η κατανάλωση ενέργειας θα μειωθεί σε 0,5kWh, δηλαδή σχεδόν στο ένα τρίτο. 3. Πλυντήριο πιάτων: Προγραμματισμός πλύσης σε ώρες εκτός αιχμής. Μετατοπίζει την κατανάλωση ενέργειας του πλυντηρίου μετά τις 8μμ που για πλύση στους 65 0 C είναι ίση με 1,6kWh. 4. Πλυντήριο πιάτων: Όπως και στο πλυντήριο ρούχων έτσι και εδώ το μεγαλύτερο μέρος της καταναλισκόμενης ενέργειας γίνεται για την θέρμανση του νερού. Έτσι με ρύθμιση στους 55 0 C ή στους 40 0 C η κατανάλωση μειώνεται σε 1,3kWh και 0,5kWh αντίστοιχα. 5. Θερμοσίφωνας: Διακοπή λειτουργίας του θερμοσίφωνα σε ώρες μέγιστης ζήτησης. Η ενέργεια αυτή μπορεί να μειώσει σημαντικά την κατανάλωση σε ώρες αιχμής, αφού ένας ηλεκτρικός θερμοσίφωνας χωρητικότητας 80 λίτρων με ρύθμιση του θερμοστάτη στους 50 0 C καταναλώνει 2,6 kwh, ενώ για χωρητικότητα 100 λίτρων η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας ανέρχεται στις 3,3 kwh. 6. Κλιματισμός: Χρήση ανεμιστήρων δαπέδου ή οροφής αντί για την λειτουργία κλιματιστικών κατά τις ώρες αιχμής τους θερινούς μήνες. Οι ανεμιστήρες καταναλώνουν σημαντικά λιγότερη ενέργεια και πολλές φορές μπορούν να δροσίσουν ικανοποιητικά ένα χώρο. Για παράδειγμα κλιματιστικό ψυκτικής ισχύος 9000Btu για λειτουργία μιας ώρας σε χώρο 15τ.μ. καταναλώνει 1kWh, κλιματιστικό ψυκτικής ισχύος 12000Btu για λειτουργία μιας ώρας σε χώρο 20τ.μ. καταναλώνει 109

110 1,5kWh ενώ ανεμιστήρας δαπέδου ισχύος 60W καταναλώνει για μία ώρα μόλις 0,06kWh και ανεμιστήρας οροφής 150W καταναλώνει 0,15 kwh. 7. Κλιματισμός: Αύξηση θερμοκρασίας λειτουργίας κλιματιστικού. Ρυθμίζοντας τον θερμοστάτη του κλιματιστικού στους 26 0 C για το καλοκαίρι αντί για τους 20 0 C εκτός του ότι εξασφαλίζονται ικανοποιητικές συνθήκες για τους παρευρισκόμενους, εξοικονομούμε ηλεκτρική ενέργεια. 8. Θέρμανση: Ρύθμιση θερμοστάτη στους 20 0 C. Για κάθε επιπλέον βαθμό η σπατάλη ενέργειας ανέρχεται στο 7-10%. 9. Θέρμανση: Κλείσιμο ηλεκτρικών θερμαντικών σωμάτων σε ώρες αιχμής. Μπορεί να γίνει θέρμανση του χώρου πριν τις ώρες απόκρισης ζήτησης ή αναβολή της λειτουργίας τους αργότερα. Η εξοικονόμηση είναι σημαντική αφού ένα αερόθερμο ή ένα ηλεκτρικό σώμα ισχύος 2000W για μια ώρα λειτουργίας καταναλώνει 2 kwh. 10. Θέρμανση: Χρήση σύγχρονων κλιματιστικών αντί για θέρμανση με ηλεκτρικά θερμαντικά σώματα. Τα κλιματιστικά καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια αφού ακόμα και για κλιματιστικά με απόδοση 1,7-2,για κάθε κιλοβατώρα ηλεκτρικής ενέργειας που ξοδεύουμε, ζεσταινόμαστε με θερμική ενέργεια σχεδόν διπλάσια της καταναλισκόμενης. Η οικονομία είναι ακόμα μεγαλύτερη με κλιματιστικά τύπου inverter. Για παράδειγμα κλιματιστικό 9000Btu καταναλώνει 1 kwh. 11. Κουζίνα: Αναβολή μαγειρέματος. Για παράδειγμα μαγείρεμα πριν ή μετά τις ώρες αιχμής μετατοπίζει αρκετά μεγάλο φορτίο σε άλλες ώρες. Ένας απλός φούρνος ισχύος 2700W καταναλώνει 2,7 kwh για ψήσιμο μιας ώρας, ενώ για μαγείρεμα στο μεγάλο μάτι της κουζίνας η κατανάλωση ενέργειας είναι 2 kwh. 12. Φωτισμός σε κτίρια γραφείων(30-50% της συνολικής κατανάλωσης): Τοποθέτηση αισθητήρων εκμετάλλευσης φυσικού φωτισμού (photo sensors) σε κάθε διακριτό χώρο εργασίας. Οι αισθητήρες αυτοί μετρούν την ένταση φυσικού φωτισμού και ρυθμίζουν την ένταση του τεχνητού φωτισμού στο επιθυμητό επίπεδο μέσω ρυθμιστή φωτός (dimmer). Έτσι σε περιπτώσεις που υπάρχει επαρκής ποσότητα φυσικού φωτισμού και δεν απαιτείται λειτουργία του τεχνητού, οι αισθητήρες φωτισμού απενεργοποιούν τον σύστημα φωτισμού στον κάθε χώρο και εξοικονομούν σημαντική ποσότητα ενέργειας. Η καταναλισκόμενη ενέργεια μπορεί να μειωθεί έως και 30%. 110

111 13. Φωτισμός: Προγραμματισμός λειτουργίας με χρήση χρονοδιακοπτών. Σε κτίρια που γίνονται επαναλαμβανόμενες δραστηριότητες κατά την διάρκεια της ημέρας τα φωτιστικά σώματα μπορούν να λειτουργούν με σταθερό πρόγραμμα. Έτσι μειώνεται η ενέργεια που δαπανάται από φωτιστικά σώματα που λειτουργούν σε χώρους χωρίς προσωπικό. Τέτοιες στρατηγικές μπορούν να μειώσουν την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται έως και 40%. 14. Φωτισμός: Χρησιμοποίηση αισθητήρων παρουσίας-κίνησης. Σε χώρους που δεν είναι δυνατός ο προγραμματισμός της λειτουργίας των φωτιστικών σωμάτων για καθορισμένες ώρες μέσα στην μέρα, και χρησιμοποιούνται για μικρά χρονικά διαστήματα η εξοικονόμηση μπορεί να επιτευχθεί με εγκατάσταση αισθητήρων ανίχνευσης παρουσίας στο χώρο. Στους χώρους αυτούς η τεχνική αυτή εξοικονομεί 35-45%. 15. Φωτισμός: Μείωση ζήτησης ισχύος σε ώρες αιχμής. Η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για φωτισμό σε ένα κτίριο μπορεί να μειωθεί σημαντικά με την μείωση της έντασης φωτισμού σε επίπεδο αποδεκτό από τους εργαζομένους και ικανοποιητικό για την εκτέλεση των δραστηριοτήτων στο χώρο εργασίας τους, χωρίς όμως την λειτουργία όλων των φωτιστικών σωμάτων που πολλές φορές δεν είναι αναγκαία. Ιδιαίτερα σε περιόδους μέγιστης ζήτησης κατά τους θερινού μήνες η μείωση του φορτίου του φωτισμού μπορεί να προκαλέσει μείωση στην απαιτούμενη ισχύ για κλιματισμό. 111

112 6.8 Ενημέρωση καταναλωτών με ανατροφοδότηση πληροφοριών (Feedback). Ο ρόλος του feedback είναι να κάνει την ενέργεια και την κατανάλωσή της ορατή, γνωστοποιώντας στους οικιακούς καταναλωτές τον τρόπο με τον οποίο καταναλώνεται η ενέργεια στο χώρο τους καθώς και το μέγεθος της κατανάλωσης τους. Διάφορες έρευνες υποδεικνύουν ότι τα νοικοκυριά σπάνια είναι γνώστες του τι συνεπάγεται η ενεργειακή απόδοση, της ποσότητας της ενέργειας που καταναλώνουν (και ειδικά του τι καταναλώνει η κάθε συσκευή), των χρημάτων που θα κληθούν να πληρώσουν για την κατανάλωση αυτή, του λόγου για εξοικονόμηση ενέργειας και του τρόπου για επίτευξη του στόχου αυτού ή της κατάλληλης χρονικής στιγμής για επενδύσεις ενεργειακής απόδοσης. Το feedback παρέχει την δυνατότητα να προσφέρει στους καταναλωτές με έναν πιο άμεσο, λεπτομερή, συγκρίσιμο τρόπο εκτενή πληροφόρηση για το προφίλ ενεργειακής κατανάλωσης τους. Η ανατροφοδότηση πληροφοριών σχετικών με την ενεργειακή κατανάλωση μπορεί να επηρεάσει την συμπεριφορά των οικιακών καταναλωτών σχετικά με την ενεργειακή τους κατανάλωση. Ωστόσο, για να γίνει αυτό απαιτείται, εκτός της οπτικής αναφοράς για την ενεργειακή κατανάλωση, δηλαδή των πληροφοριών που θα εμφανίζονται στην οθόνη για ενημέρωση των πελατών, μια συσκευή/ οθόνη μέσω της οποίας οι καταναλωτές θα λαμβάνουν τις πληροφορίες Τρόποι ενημέρωσης καταναλωτών In-house displays (IHD) Πρόκειται για οθόνες που βρίσκονται στον τοίχο ή σε κάποιον μετρητή και παρέχουν πληροφορίες σε σχεδόν πραγματικό χρόνο για την ηλεκτρική κατανάλωση του νοικοκυριού., καθώς και διάφορα άλλα δεδομένα. Για παράδειγμα επιτρέπει στους καταναλωτές να ορίζουν ημερήσιο προϋπολογισμό σχετικά με το πόσο είναι διατεθειμένη να ξοδέψουν για την κάλυψη αναγκών που απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια, τους ενημερώνει για την επίτευξη ή μη του στόχου που έχουν θέσει, για τη τρέχουσα τιμή του ηλεκτρισμού και παρέχει πληροφορίες για το χρηματικό ποσό που έχουν ξοδέψει έως και την τρέχουσα ημέρα του μήνα. Τα IHDs παρέχουν πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο καθώς και πληροφορίες σε σχέση με παλαιότερες καταναλώσεις και συνήθειες των ενοίκων. Επιπλέον 112

113 περιεχόμενο στην πληροφόρηση των καταναλωτών που προσφέρεται μερικές φορές μέσω των IHDs προκύπτει από την σύγκριση της κατανάλωσης του νοικοκυριού με την κατανάλωση γειτονικών κατοικιών παρόμοιων συνηθειών και μεγέθους, και από τον διαχωρισμό της κατανάλωσης των διάφορων ηλεκτρικών συσκευών ώστε ο καταναλωτής να γνωρίζει πόσο ενεργοβόρα είναι η κάθε συσκευή ξεχωριστά Ambient displays Αυτό το μέσο ενημέρωσης του καταναλωτή διαφέρει από τον προηγούμενο αφού δεν παρέχει συγκεκριμένες πληροφορίες αλλά μεταδίδει σήματα στον πελάτη αλλάζοντας χρώμα ανάλογα με το γενικό επίπεδο κατανάλωσης και/ή την τρέχουσα τιμολόγηση της ηλεκτρικής ενέργειας. Το επίπεδο αποδοχής του από τους καταναλωτές είναι ικανοποιητικό αφού πρόκειται για ελκυστικό και εύληπτο μέσο Websites Ένας εναλλακτικός τρόπος ενημέρωσης των καταναλωτών γίνεται μέσω κάποιας σελίδας στο διαδίκτυο. Αποτελεί μια οικονομική λύση για παροχή πληροφοριών σχετικών με την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από τους πελάτες. Βασίζονται σε έξυπνους μετρητές που συλλέγουν τα απαραίτητα δεδομένα και γι αυτό η διακριτότητα των δεδομένων εξαρτάται από τη συχνότητα με την οποία οι μετρητές διαβάζουν και μεταφέρουν τα δεδομένα στην εταιρία παροχής. Για παράδειγμα στη Νορβηγία οι μετρητές έχουν τη δυνατότητα να μετράνε την ηλεκτρική κατανάλωση κάθε 15 λεπτά, αλλά το σύστημα επικοινωνίας μεταξύ του εκάστοτε μετρητή και της εταιρίας παροχής επιτρέπει μόνο ωριαίες αναγνώσεις δεδομένων Informative billing Ο ενημερωτικός λογαριασμός είναι ένας μη άμεσος τρόπος ανατροφοδότησης πληροφοριών στους πελάτες. Οι περισσότεροι οικιακοί καταναλωτές στην Ευρώπη λαμβάνουν λογαριασμούς προσαρμοσμένους στην περίοδο του έτους και στη μέση κατανάλωση, οι οποίοι δεν ανταποκρίνονται πιστά στην πραγματική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας για έναν συγκεκριμένο μήνα. Η διαφορά μεταξύ της εκτιμώμενης μέσης 113

114 κατανάλωσης και της πραγματικής κατανάλωσης προκύπτει στο τέλος της περιόδου χρέωσης. Η χρέωση στους αναλυτικούς λογαριασμούς γίνεται ανάλογα με την πραγματική κατανάλωση και παρέχεται η δυνατότητα πληροφόρησης του πελάτη για τις συνήθειες του όσο αφορά την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά την ίδια εποχή του περασμένου έτους ή κατά τον προηγούμενο μήνα. Ο λογαριασμός μπορεί επιπλέον να παρέχει πληροφορίες από τη σύγκριση της κατανάλωσης ενός πελάτη σχετικά με άλλους οικιακούς καταναλωτές παρόμοιων χαρακτηριστικών. Σε αντίθεση με τους κλασσικούς λογαριασμούς που αποστέλλονται στα νοικοκυριά 4-6 φορές το χρόνο, οι οικιακοί καταναλωτές μπορούν να λαμβάνουν τους αναλυτικούς λογαριασμούς κάθε μήνα Περιεχόμενο πληροφοριών. 1. Σύγκριση ομότιμων καταναλωτών: Πρόκειται για τη σύγκριση επιπέδων ηλεκτρικής κατανάλωσης μεταξύ οικιακών καταναλωτών και παρόμοιου μεγέθους νοικοκυριών. Μπορεί επίσης να περιλαμβάνει πληροφορίες για την κατανάλωση των γειτόνων του πελάτη. Έτσι δίνεται η δυνατότητα στους συμμετέχοντες να ενημερωθούν και να συγκρίνουν την κατανάλωση τους σχετικά με αυτή των ομότιμων τους. 2. Ιστορική σύγκριση: Πρόκειται για τη σύγκριση της τρέχουσας κατανάλωσης ενός οικιακού καταναλωτή με προηγούμενα επίπεδα κατανάλωσης του ίδιου καταναλωτή. Για παράδειγμα οι συμμετέχοντες μπορούν να ξέρουν αν έχουν μειώσει ή έχουν αυξήσει την κατανάλωση τους σε σύγκριση με την ίδια περίοδο του περασμένου έτους. 3. Τρέχον επίπεδο κατανάλωσης: Παρουσιάζει ενημερωμένο το τρέχον επίπεδο κατανάλωσης του νοικοκυριού σε kwh. Από μόνο του δεν περιλαμβάνει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας ή το τρέχον επίπεδο του λογαριασμού. Ωστόσο, αν συνδεθεί με συγκεκριμένους στόχους κατανάλωσης και όρια που δεν θα πρέπει να ξεπεραστούν, μπορεί να αποτελέσει σημαντικό κίνητρο για μείωση της κατανάλωσης. 114

115 4. Επιμέρους καταναλώσεις: Η κατανάλωση ενός νοικοκυριού διαχωρίζεται σε κατανάλωση ηλεκτρικών συσκευών. Το βάθος και ο βαθμός της ανάλυσης μπορεί να διαφέρει αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις γίνεται ξεχωριστή μέτρηση της κατανάλωσης του φούρνου, του ψυγείου, της τηλεόρασης και του φωτισμού. Επιτρέπει στους συμμετέχοντες να γνωρίζουν κάθε στιγμή πόση ηλεκτρική ενέργεια καταναλώνει η εκάστοτε συσκευή και έτσι ίσως να τους παρακινεί να αντικαταστήσουν τις πιο ενεργοβόρες με πιο αποδοτικές. 5. Τιμή ηλεκτρικής ενέργειας: Υποδεικνύει την τρέχουσα τιμή του ηλεκτρισμού ανά kwh. Δεν περιλαμβάνει τον τρέχοντα λογαριασμό του ηλεκτρισμού. 6. Τρέχον κόστος: Παρουσιάζει τον ενημερωμένο λογαριασμό σύμφωνα με την τιμή και το επίπεδο κατανάλωσης σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή που δίνει την δυνατότητα στα νοικοκυριά υπολογίσουν τα έξοδα τους που αφορούν την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και να δράσουν κατάλληλα για εξοικονόμηση χρημάτων. 7. Επίπεδο εξοικονόμησης ενέργειας σε σύγκριση με προηγούμενες περιόδους κατανάλωσης: Συγκρίνει το μέγεθος εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας με την εξοικονόμηση που έχει επιτευχθεί σε προηγούμενες χρονικές περιόδους. Τα νοικοκυριά μπορούν να θέσουν συγκεκριμένους στόχους για εξοικονόμηση ενέργειας που θα μπορούσαν να εκφράζονται ως ποσοστό εξοικονόμησης προηγούμενων καταναλώσεων. 8. Εκπομπή CO 2 στο περιβάλλον: Δείχνει την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα εξαιτίας της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας του νοικοκυριού. Παρουσιάζει δηλαδή τα περιβαλλοντολογικά κόστη και τις συνέπειες που επιφέρει η κατανάλωση ενέργειας στο σπίτι του συμμετέχοντος. 115

116 Η παροχή πληροφοριών στον καταναλωτή επιδρά στην συμπεριφορά του ως προς το επίπεδο της κατανάλωσης και του δίνει την δυνατότητα να προβεί σε ενέργειες ώστε να εξοικονομήσει ενέργεια και άρα χρήματα. Έτσι έχει ως αποτέλεσμα μεταβολή στην συνολική κατανάλωση. 6.9 Προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης (dynamic pricing). Ενθαρρύνουν τους καταναλωτές να μειώσουν την κατανάλωση τους στις ώρες αιχμής, δηλαδή να αναβάλλουν κάποιες ενέργειες τις ώρες εκείνες και να τις πραγματοποιήσουν σε περιόδους χαμηλής ζήτησης, μέσω αυξημένων τιμών σε περιόδους αιχμής και μειωμένες τις υπόλοιπες ώρες. Έτσι προκαλείται μετατόπιση της κατανάλωσης. Πιο συγκεκριμένα αναλύονται παρακάτω τα διάφορα προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης. Time Of Use (TOU): Οι χρεώσεις TOU ωθούν τους καταναλωτές να χρησιμοποιήσουν την ηλεκτρική ενέργεια σε περιόδους χαμηλής κατανάλωσης. Για να πετύχουν την κινητοποίηση των καταναλωτών προς αυτή τη κατεύθυνση επιβάλλουν υψηλότερες τιμές κατά τη διάρκεια των περιόδων αιχμής της ζήτησης και χαμηλότερες για το υπόλοιπο της ημέρας. Συνήθως ορίζεται μια μεγάλη σε διάρκεια περίοδος αιχμής ή δύο μικρότερες. Έτσι, η τιμολόγηση TOU μπορεί να αποτελείται από δύο ή τρία επίπεδα τιμών ανά ημέρα ενώ υπάρχει η πιθανότητα οι τιμές να διαφέρουν και ανά εποχή. Critical Peak Pricing (CPP): Οι χρεώσεις CPP περιλαμβάνουν αρκετά αυξημένες τιμές κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλών τιμών χονδρικής εξαιτίας της αυξημένης κατανάλωσης (για παράδειγμα τις πολύ ζεστές ημέρες) ή όταν η σταθερότητα του συστήματος απειλείται. Οι καταναλωτές συμφωνούν να χρεώνονται με υψηλότερες τιμές για την κατανάλωση σε ώρες υψηλής αιχμής, ενώ ως αντάλλαγμα επωφελούνται με χαμηλότερες χρεώσεις ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους εκτός αιχμής. Για να μειωθεί το ρίσκο των συμμετεχόντων γίνεται εκ των προτέρων συμφωνία για τον αριθμό και τη διάρκεια των περιόδων υψηλής αιχμής που η εταιρία παροχής 116

117 μπορεί να καθορίσει. Ωστόσο οι χρονικές περίοδοι κατά τις οποίες ενδέχεται να σημειωθούν υψηλές αιχμές εξαρτώνται από τις συνθήκες της αγοράς και δεν μπορούν να καθοριστούν εκ των προτέρων. Έτσι οι οικιακοί πελάτες συνήθως ενημερώνονται μια ημέρα πριν την ημέρα υψηλής αιχμής. Critical Peak Rebate (CPR): Τα προγράμματα CPR λειτουργούν με αντίστροφο τρόπο από τα CPP. Οι συμμετέχοντες πληρώνονται ανάλογα με το πόσο μειώνουν την κατανάλωση τους σε σχέση με τα προβλεπόμενα επίπεδα κατανάλωσης κατά τη διάρκεια υψηλών αιχμών. Τα προγράμματα αυτά φαίνεται να έχουν μεγαλύτερα επίπεδα αποδοχής από τους καταναλωτές αφού οι συμμετέχοντες έχουν μόνο οφέλη και δεν έρχονται αντιμέτωποι με αυξημένες χρεώσεις όπως συμβαίνει στα CPP. Οι καταναλωτές ενημερώνονται από την προηγούμενη μέρα όπως συμβαίνει και στα CPP. Real Time Pricing (RTP): Εδώ η τιμή που πληρώνει ο καταναλωτής ηλεκτρικής ενέργειας συνδέεται με την τιμή του ηλεκτρισμού στην χονδρική αγορά. Ωστόσο έχει παρατηρηθεί σε πιλοτικές εφαρμογές ότι δεν οδηγεί σε μείωση της κατανάλωσης αν δεν υπάρχει ανατροφοδότηση πληροφοριών (feedback). Ακόμα και τότε όμως οι καταναλωτές αμελούν πολλές φορές να ελέγξουν την τρέχουσα τιμή που ίσως μεταβάλλεται ελάχιστα κατά τη διάρκεια της μέρας. Για να παρακινηθούν οι λοιπόν οι καταναλωτές να περιορίσουν τη κατανάλωση τους σε περιόδους υψηλών τιμών, λαμβάνουν εκ των προτέρων ειδοποίηση για επερχόμενες υψηλές τιμές. Έρευνες και πιλοτικές εφαρμογές των παραπάνω προγραμμάτων δυναμικής τιμολόγησης υποδεικνύουν ότι τα καλύτερα αποτελέσματα για την μείωση της κατανάλωσης σε περιόδους μέγιστης ζήτησης είχαν τα προγράμματα CPP που επέφεραν μείωση μεγίστου 16%, ενώ ακολουθούσαν οι τεχνικές τιμολόγησης CPR και RTP που είχαν ως αποτέλεσμα μείωση της μέγιστης ζήτησης έως 12%. Τέλος λιγότερο αποτελεσματικές φαίνεται να είναι οι χρεώσεις TOU. 117

118 Όσον αφορά τα οικονομικά κέρδη που λαμβάνουν οι καταναλωτές από τη συμμετοχή τους σε προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης, τα αποτελέσματα ερευνών δείχνουν ότι μεγαλύτερες μειώσεις σε λογαριασμούς είχαν οι συμμετέχοντες στα προγράμματα RTP όπου το ποσοστό εξοικονόμησης χρημάτων για τους πελάτες έφθασε το 13%. Ακολουθούν τα προγράμματα CPP και TOU με ποσοστά 6% και 5% αντίστοιχα, ενώ η εφαρμογή των τιμολογήσεων της μορφής CPR δεν έφερε σημαντικά οικονομικά οφέλη στους συμμετέχοντες Μεταβλητές που επιδρούν στα αποτελέσματα των προγραμμάτων. Διάφορες πιλοτικές εφαρμογές προγραμμάτων δυναμικής τιμολόγησης και ανατροφοδότησης πληροφοριών έχουν διεξαχθεί λαμβάνοντας υπόψη μεταβλητές που επηρεάζουν το επίπεδο αποδοχής τους και το ποσοστό επιτυχίας τους. Αυτές είναι: Η γεωγραφία Η διάρκεια εφαρμογής του πιλοτικού προγράμματος Ο αριθμός των συμμετεχόντων Τα χαρακτηριστικά της αγοράς Η τμηματοποίηση της αγοράς Η εκπαίδευση των συμμετεχόντων Οι αλληλεπιδράσεις με τους συμμετέχοντες (συνεντεύξεις, έρευνες και συναντήσεις) Οι επιδράσεις των παραπάνω μεταβλητών εκτιμώνται από τρεις πλευρές: Εξοικονόμηση ενέργειας (energy conservation): Ο βαθμός μείωσης της συνολικής ενέργειας που καταναλώνεται. 118

119 Μείωση μεγίστου στη καμπύλη ζήτησης (peak clipping): Το ποσοστό μείωσης της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας σε περιόδους αιχμής. Μείωση λογαριασμού (bill reduction): Ο βαθμός μείωσης των λογαριασμών ηλεκτρικής ενέργειας που πληρώνουν οι πελάτες. Γενικά, δεν γίνεται αναφορά των επιδράσεων των πιλοτικών προγραμμάτων δυναμικής τιμολόγησης και ανατροφοδότησης πληροφοριών και στις τρείς παραπάνω πλευρές. Συνήθως η ανάλυση των αποτελεσμάτων γίνεται ανάλογα με τον στόχο του εκάστοτε προγράμματος. Για παράδειγμα, τα πιλοτικά προγράμματα της κατηγορίας CPP επικεντρώνονται κυρίως στη μείωση κατανάλωσης σε ώρες αιχμής, ενώ οι πιλοτικές εφαρμογές ανατροφοδότησης πληροφοριών στους πελάτες αναφέρονται στην συνολική μείωση της κατανάλωσης και έτσι τα αποτελέσματα αφορούν κυρίως την εξοικονόμηση ενέργειας Συγκεντρωτικά αποτελέσματα πιλοτικών εφαρμογών. Ανάλογα με την περιοχή στην οποία εφαρμόζεται ένα πιλοτικό πρόγραμμα τα αποτελέσματα στην επίτευξη των στόχων διαφέρουν. Σύμφωνα με έρευνες που έχουν διεξαχθεί φαίνεται ότι στην Αυστραλία πραγματοποιήθηκαν τα πιο πετυχημένα πιλοτικά προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης CPP καιtou, ενώ στον Καναδά επετεύχθη η μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας με την χρήση IHDs από τους καταναλωτές, με την Ευρώπη να ακολουθεί με ποσοστό 10% και οι ΗΠΑ με 7%. Ο αναλυτικός λογαριασμός ηλεκτρικής ενέργειας ήταν 4,5 φορές πιο αποτελεσματικός στην Ευρώπη σε σύγκριση με τις ΗΠΑ. Τα προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης ήταν γενικά περισσότερο επιτυχή στην Ευρώπη σε σχέση με άλλες περιοχές. Γενικά, σε όλα τα πιλοτικά προγράμματα εκτός των TOU, όσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια εφαρμογής του πιλοτικού προγράμματος τόσο περισσότερο διαρκούν και τα αποτελέσματα του στη μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό το 119

120 συμπέρασμα φαίνεται να ισχύει για τα προγράμματα CPP, CPR και στις εφαρμογές των IHD και των αναλυτικών λογαριασμών που βασίζονται σε αλλαγή της συμπεριφοράς των καταναλωτών. Τα πιλοτικά προγράμματα κυμαινόμενης τιμολόγησης άνω των 1000 συμμετεχόντων ήταν τουλάχιστον όσο επιτυχή ήταν αυτά με λιγότερους συμμετέχοντες. Ακόμα και με πολύ μεγάλο αριθμό πελατών (πάνω από ένα εκατομμύριο καταναλωτές), η κατανάλωση μειώθηκε σημαντικά και έτσι περιορίστηκαν οι ανάγκες για περαιτέρω επενδύσεις σε παραγωγή και μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιτυχία των προγραμμάτων εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αποδοχή και την συμμετοχή των καταναλωτών σε αυτά. Η επιτυχία των προγραμμάτων μπορεί να ενισχυθεί με την εμπλοκή διάφορων δυναμικών όπως την ανατροφοδότηση πληροφοριών, την τιμολόγηση, την εκπαίδευση και την αλληλεπίδραση. Έρευνες αποδεικνύουν ότι το ίδιο πρόγραμμα θα πρέπει να διατίθεται στην αγορά με πολλούς διαφορετικούς τρόπους για να προσελκύσουν διαφορετικές ομάδες καταναλωτών. Τα πιλοτικά προγράμματα που λαμβάνουν υπόψη τους τις διαφορετικές ομάδες καταναλωτών που υφίστανται στην αγορά τείνουν να έχουν καλύτερα αποτελέσματα από αυτά που δεν κατηγοριοποιούν τους καταναλωτές, καθώς βοηθάει τις εταιρίες να βελτιώσουν τα προγράμματα τους ώστε να προσεγγίσουν συγκεκριμένα τμήματα καταναλωτών και να σχεδιάσουν τις καμπάνιες προώθησης. Πετυχημένα προγράμματα ουσιαστικά είναι αυτά που καταφέρνουν να προσεγγίσουν τα επίπεδα γνώσης και τα ενδιαφέροντα των πελατών. Σε περίπτωση που οι καταναλωτές δεν θεωρήσουν ενδιαφέρον, προσιτό και ελκυστικό ένα πρόγραμμα, η αποτυχία είναι βέβαιη. Η τμηματοποίηση των καταναλωτών προσφέρει στις εταιρίες την ευκαιρία να μελετήσουν ποιες ομάδες καταναλωτών αντιδρούν καλύτερα και πως τα προγράμματα μπορούν να βελτιωθούν. Η γνώση αυτή στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την δημιουργία διαφημιστικών μηνυμάτων και μηνυμάτων προώθησης αλλά και για την οργάνωση εκπαιδευτικού υλικού που έχουν άμεση επίδραση στον αριθμό των καταναλωτών που θα συμμετάσχουν στο πρόγραμμα και στο βαθμό απόκρισης τους. 120

121 Τα πιλοτικά προγράμματα που έχουν συμπεριλάβει εκπαιδευτικό υλικό στην εφαρμογή τους έχουν σαφώς καλύτερη απόδοση από όσα δεν φροντίζουν για την εκπαίδευση των καταναλωτών. Η εκπαίδευση φαίνεται να επιδρά θετικά τόσο στα προγράμματα δυναμικής τιμολόγησης όσο και σε αυτά που χρησιμοποιούν την ανατροφοδότηση πληροφοριών για να παρακινήσουν τους πελάτες τους. Τα προγράμματα TOU με εκπαίδευση των καταναλωτών κατάφεραν να οδηγήσουν σε συνολική μείωση της κατανάλωσης κατά 4% και συνέβαλλαν επίσης και στον περιορισμό της κατανάλωσης σε ώρες αιχμής. Οι έρευνες που έχουν γίνει με πιλοτικά προγράμματα υποδεικνύουν ότι η ένταξη εκπαιδευτικού υλικού ιδιαίτερα στα προγράμματα κυμαινόμενης τιμολόγησης συντελεί στην εξοικονόμηση ενέργειας όλες τις ώρες πέρα από τη μείωση της κατανάλωσης κατά τη διάρκεια μέγιστης ζήτησης. Ωστόσο, όσον αφορά τα προγράμματα που χρησιμοποιούν IHDs η εκπαίδευση των πελατών δεν φαίνεται να επιφέρει επιπλέον μείωση κατανάλωσης, ίσως επειδή αποτελεί από μόνο του έναν αποτελεσματικό τρόπο ενημέρωσης των καταναλωτών. Η αλληλεπίδραση μεταξύ όσων σχεδιάζουν και οργανώνουν τα προγράμματα και των συμμετεχόντων μέσω συνεντεύξεων, συναντήσεων και ερωτηματολογίων βελτιώνει αισθητά τα αποτελέσματα σχετικά με την απόκριση των καταναλωτών. Αυτοματοποίηση συσκευών: Οι καταναλωτές δεν μπορούν πάντα να αντιδρούν άμεσα στις διακυμάνσεις των τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας. Έτσι σε ένα γεγονός απόκρισης ζήτησης που απαιτείται ταχύτατη αντίδραση των καταναλωτών που συμμετέχουν σε προγράμματα απόκρισης ζήτησης δεν είναι πάντα εφικτός ο άμεσος χειροκίνητος έλεγχος των συσκευών. Μέσω ελεγκτών στις συσκευές που έχουν την δυνατότητα να επικοινωνούν μεταξύ τους και να αντιδρούν σε πληροφορίες και σήματα που λαμβάνουν, όπως σήματα διακύμανσης τιμών ηλεκτρισμού, η απόκριση ενός νοικοκυριού αυξάνεται σε μεγάλο βαθμό. Για παράδειγμα η αυτοματοποιημένη λειτουργία του θερμοστάτη ηλεκτρικής θέρμανσης μπορεί να γίνει έτσι ώστε κατά τη διάρκεια περιόδων αιχμής τα ηλεκτρικά σώματα θέρμανσης να σβήνουν αυτόματα και έπειτα να τίθενται σε λειτουργία μετά το πέρασμα της κρίσιμης περιόδου. Η αυτοματοποίηση συσκευών διευκολύνει την ταχύτατη απόκριση φορτίων και την μείωση της κατανάλωσης στο επιθυμητό επίπεδο ακόμα και σε περιόδους ξαφνικών αναγκών για απόκριση ζήτησης, αφού οι κρίσιμες καταστάσεις 121

122 μπορεί να συμβούν σε ώρες που οι καταναλωτές δεν είναι δυνατόν να αντιδράσουν. Αξίζει να σημειωθεί ότι η αυτοματοποίηση συσκευών, ελεγχόμενη είτε από τους ίδιους τους καταναλωτές είτε από την εταιρία παροχής, μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε τέσσερις φορές μεγαλύτερη μετατόπιση φορτίου από τις ώρες αιχμής σε ώρες εκτός αιχμής. Σημαντική είναι και η μείωση που επιφέρει στους λογαριασμούς ηλεκτρισμού των συμμετεχόντων. 122

123 7 Αποτίμηση αξιοπιστίας στο NEPLAN 7.1 Περιγραφή Το πρόγραμμα Neplan χρησιμοποιείται για ανάλυση συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας τόσο σε επίπεδο μεταφοράς όσο και σε επίπεδο διανομής. Το λογισμικό αξιοπιστίας του Neplan μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των δεικτών αξιοπιστίας σημείων του δικτύου, των δεικτών αξιοπιστίας του συστήματος και του κόστους εξαιτίας μη διαθεσιμότητας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Το Neplan βασίζεται στην μέθοδο Markov και σε τεχνικές απαρίθμησης [60]. Τα πιο σημαντικά δεδομένα που απαιτούνται για την εκτίμηση της αξιοπιστίας με χρήση του Neplan είναι ο ρυθμός αποτυχίας (failure rate, λ), ο ρυθμός επιδιόρθωσης (repair rate, μ) και ο χρόνος διακοπής (switching time) των στοιχείων του συστήματος. Στην μέθοδο αποτίμησης της αξιοπιστίας στο Neplan δημιουργούνται όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί αποτυχίας σύμφωνα με τα προκαθορισμένα κριτήρια αποτυχίας του προγράμματος. Έπειτα αναλύονται οι επιδράσεις της κάθε αποτυχίας στο σύστημα και λαμβάνονται διορθωτικά μέτρα με έμφαση στην ανακούφιση του συστήματος εξαιτίας της διαταραχής που υφίσταται. Αν οι διορθωτικές κινήσεις δεν αρκούν για να επανέλθει το σύστημα σε κανονική λειτουργία, το πρόγραμμα εφαρμόζει μέτρα επιδιόρθωσης της κατάστασης όπως περικοπή φορτίων. Οι καταστάσεις του συστήματος που καταλήγουν σε περικοπή φορτίου συνεισφέρουν στη συχνότητα αποτυχίας και στη διάρκεια διακοπής των 123

124 δεικτών αξιοπιστίας σημείων του συστήματος, που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των δεικτών αξιοπιστίας ολόκληρου του συστήματος [60]. 7.2 Βήματα ανάλυσης αξιοπιστίας. Πιο αναλυτικά, τα βήματα της ανάλυσης είναι[58]: Στο πρώτο βήμα αναλύονται όλα τα δεδομένα που απαιτούνται για την μελέτη της ροής φορτίου και την αξιολόγηση της αξιοπιστίας. Μετά την επεξεργασία των δεδομένων και την επίλυση της ροής φορτίου του συστήματος με σκοπό την εύρεση των χαρακτηριστικών του συστήματος υπό συνθήκες κανονικής λειτουργίας, γίνεται μοντελοποίηση του συστήματος με εφαρμογή της διαδικασίας Markov. Έπειτα, το μοντέλο αυτό μειώνεται σε μικρότερου μεγέθους μοντέλο μέσω τεχνικών κατάταξης διαταραχών ή τεχνικών περικοπής των καταστάσεων του συστήματος. Η εφαρμογή τέτοιων τεχνικών απαιτούν σε βάθος κατανόηση των πρακτικών ζητημάτων του συστήματος, όπως για παράδειγμα τι είδους βλάβες και διακοπές λειτουργίας μπορούν να συμβούν στο σύστημα. Στο Neplan υπάρχει κατηγοριοποίηση των γεγονότων διακοπής λειτουργίας σε πρώτης και δεύτερης τάξης διαταραχές. Στο δεύτερο βήμα δημιουργούνται οι συνδυασμοί των διαταραχών πρώτης και δεύτερης τάξης. Οι πρώτης τάξης διαταραχές αφορούν μονές στοχαστικές (single stochastic) και μονές αιτιοκρατικές (single deterministic) βλάβες. Γενικά η κατηγορία των μονών αιτιοκρατικών βλαβών δεν συνεισφέρει στην συχνότητα διακοπών γιατί δεν προκαλεί διακοπή της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στα φορτία του συστήματος. Οι μονές στοχαστικές βλάβες περιλαμβάνουν διάφορους λόγους βλαβών όπως τις ανεξάρτητες μονές βλάβες, τα σφάλματα γης, το ανεπιθύμητο άνοιγμα διακόπτη. Τα δεδομένα εισόδου που απαιτούνται για την μελέτη αξιοπιστίας της πρώτης τάξης διαταραχών είναι ο ρυθμός αποτυχίας και ο ρυθμός επιδιόρθωσης και τα δεδομένα εξόδου είναι η συχνότητα αποτυχίας και η σχετική της διάρκεια. Ως διαταραχές δεύτερης τάξης μπορούν να θεωρηθούν είτε δύο στοχαστικές βλάβες είτε συνδυασμός στοχαστικών και αιτιοκρατικών βλαβών. Στην περίπτωση που συμπίπτουν χρονικά δύο στοχαστικές βλάβες η συχνότητα αποτυχίας υπολογίζεται από τις παρακάτω εξισώσεις. Για ανεξάρτητα γεγονότα ισχύει [59]: 124

125 FF r r (7.1) A B Όπου: και οι ρυθμοί αποτυχίας και ri η αντίστοιχη διάρκεια επιδιόρθωσης. Για εξαρτημένα γεγονότα, όπου η δεύτερη βλάβη συμβαίνει με πιθανότητα Pr ως επακόλουθο της πρώτης βλάβης, όπως για παράδειγμα ένα δεύτερο βραχυκύκλωμα εξαιτίας της καθυστέρησης στην αντιμετώπιση του πρώτου βραχυκυκλώματος στο δίκτυο, η συχνότητα αποτυχίας υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση [59]: FF P rb (7.2) Όπως αναφέρθηκε παραπάνω μια αιτιοκρατική βλάβη από μόνη της ενδέχεται να μην προκαλέσει διακοπή παροχής στα φορτία, αλλά όταν συμπέσουν χρονικά αιτιοκρατικές και στοχαστικές βλάβες το αποτέλεσμα μπορεί να είναι αναγκαστική διακοπή λειτουργίας, που οδηγεί σε μη παρεχόμενη ενέργεια στα φορτία. Σε αυτή την περίπτωση η συχνότητα αποτυχίας σε σημεία φορτίων δίνεται από την σχέση [59]: FF r B (7.3) Όπου: και οι ρυθμοί αποτυχίας του στοχαστικού και του αιτιοκρατικού γεγονότος αντίστοιχα και ri η αντίστοιχη διάρκεια επιδιόρθωσης για συντήρηση (αιτιοκρατικό γεγονός). Από την στιγμή που το κατάλληλο μοντέλο αξιοπιστίας έχει κατασκευαστεί, όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί γεγονότων που οδηγούν σε διακοπή λειτουργίας κάποιου στοιχείου αναλύονται ξεχωριστά για να εντοπιστούν οι επιδράσεις που έχουν στην απόδοση του συστήματος. Σε περίπτωση που κάποιος από τους συνδυασμούς αυτούς προκαλεί οποιαδήποτε μεταβολή στα χαρακτηριστικά του συστήματος όπως διακύμανση τάσεων σε κάποιον δίαυλο (bus), εκτελείται η προβλεπόμενη 125

126 διορθωτική κίνηση όπως αποσύνδεση της γραμμής που έχει υποστεί βλάβη και τροφοδοσία του φορτίου σε κατάλληλο τρόπο. Αν η εφαρμογή διορθωτικών μέτρων δεν φέρουν αποτέλεσμα και η διαταραχή συνεχίζει να υφίσταται απαιτείται να γίνει αποκοπή φορτίων. Η συχνότητα αποτυχίας αυτής της συγκεκριμένης κατάστασης που οδηγεί σε αποκοπή φορτίου υπολογίζεται. Για τον υπολογισμό των συχνοτήτων αποτυχίας σε περίπτωση διαταραχής δεύτερης τάξης χρησιμοποιούνται οι προηγούμενες σχέσεις. Οι υπολογισμοί αυτοί καταχωρούνται με σκοπό να ληφθούν υπόψη στον τελικό υπολογισμό της αξιοπιστίας. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να αναλυθούν όλα τα γεγονότα που ενδέχεται να συμβούν στο πραγματικό σύστημα. Το τελευταίο βήμα περιλαμβάνει την συγκέντρωση όλων των καταχωρημένων συχνοτήτων αποτυχίας και τον υπολογισμό των δεικτών αποτυχίας σε κάθε σημείο στο οποίο συνδέονται φορτία αλλά και των δεικτών αξιοπιστίας του συστήματος. 126

127 7.3 Αποτελέσματα ανάλυσης Πίνακας δεικτών σε σημεία τροφοδοσίας φορτίων. Πίνακας 7-1: Πίνακας δεικτών σε σημεία τροφοδοσίας φορτίων. Δείκτης Μονάδα μέτρησης Περιγραφή Συχνότητα Διακοπής [1/year] Αναμενόμενη συχνότητα διακοπής παροχής το χρόνο Διάρκεια Διακοπής [min/year] [hours/year] Αναμενόμενη πιθανότητα διακοπής της παροχής σε λεπτά ή ώρες το χρόνο Μέσος χρόνος διακοπής [min] [hours] Μέση διάρκεια διακοπής της παροχής πελάτη Μη παρεχόμενη ισχύς [kw/year] Ετήσια διακοπτόμενη ισχύς [MW/year] Μη παρεχόμενη ενέργεια [kwh/year] [MWh/year] Ετήσια διακοπτόμενη ενέργεια Κόστος διακοπής [$/year] Ετήσιο κόστος διακοπής της παροχής 127

128 7.3.2 Πίνακας δεικτών συστήματος. Πίνακας 7-2: Πίνακας δεικτών συστήματος. Δείκτης Μονάδα μέτρησης Περιγραφή N - Σύνολο πελατών που δεν εξυπηρετούνται SAIFI [1/year] Ο δείκτης μέσης συχνότητας διακοπών του συστήματος SAIDI [min/year] Ο δείκτης μέσης διάρκειας διακοπών του συστήματος CAIDI [hours] Ο δείκτης μέσης διάρκειας διακοπών πελατών ASAI % Ο δείκτης μέσης διαθέσιμης παροχής ισχύος F [1/year] Συχνότητα διακοπής φορτίου συστήματος T [hours] Διάρκεια διακοπής φορτίου συστήματος P r [min/year] Πιθανότητα διακοπής φορτίου συστήματος P [MW/year] Συνολική ισχύς διακοπτόμενου φορτίου W [MWh/year] Συνολική ενέργεια διακοπτόμενου φορτίου C [CU/year] Συνολικό κόστος διακοπής φορτίου 128

129 8 Εφαρμογές σεναρίων διαχείρισης-απόκρισης ζήτησης στο NEPLAN 8.1 Δίκτυο προσομοίωσης. Παρακάτω φαίνεται το υπό μελέτη δίκτυο. Αποτελείται από έναν μετασχηματιστή ΜΤ/ΧΤ ονομαστικής ισχύος 630kVA και 100 καταναλωτές των 10kw ο καθένας. Ο κάθε καταναλωτής τροφοδοτείται μέσω του ζυγού χαμηλής τάσης στον οποίο είναι συνδεδεμένος. Η διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με εναέριες γραμμές ενώ για την προστασία τους έχουν τοποθετηθεί διακόπτες ισχύος τόσο στην αναχώρηση όσο και στην άφιξη τους. Σε κάθε ζυγό συνδέεται ένα φορτίο που αντιστοιχεί σε 16 οικιακούς καταναλωτές και ένα φορτίο με 4 καταναλωτές γραφείου. Έτσι η συνολική εγκατεστημένη ισχύς του δικτύου προσομοίωσης είναι 1000kw. 129

130 Σχήμα 8.1: Δίκτυο προσομοίωσης. 8.2 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά στοιχείων του δικτύου προσομοίωσης. Πίνακας 8-1: Πίνακας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών μετασχηματιστή. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μετασχηματιστή Ονομαστική ισχύς [kva] 630 Ονομαστική τάση πρωτεύοντος [kv] 20 Ονομαστική τάση δευτερεύοντος [kv] 0,4 Ομάδα ζεύξης Dyn11 Ονομαστική ένταση στο δευτερεύον [A] 909 Τάση βραχυκύκλωσης [%] 4 Ωμική αντίσταση [%] 1,03 Επαγωγική αντίδραση [%] 3,86 Πίνακας 8-2: Πίνακας ηλεκτρικών χαρακτηριστικών εναέριων γραμμών χαμηλής τάσης. Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά εναέριων γραμμών ΧΤ Είδος γραμμής 4 x 35 mm 2 (Cu) Ωμική αντίσταση [Ω/km] 0,596 Επαγωγική αντίδραση [Ω/km] 0,309 Όριο φόρτισης [Α]

131 8.3 Μοντελοποίηση καμπυλών φορτίου. Οι ημερήσιες καμπύλες ζήτησης των καταναλωτών μοντελοποιήθηκαν ως εξής: Κτίρια γραφείων Σχήμα 8.2: Καμπύλη ζήτησης ισχύος σε κτίρια γραφείων. Για τα γραφεία θεωρήθηκε μια σταθερή κατανάλωση στο 80% της εγκατεστημένης ισχύος τους, δηλαδή 8kw για κάθε γραφείο, κατά τις εργάσιμες ώρες 7πμ-6μμ. Τις υπόλοιπες ώρες η ζήτηση περιορίζεται στο 10% και αφορά φωτισμό ασφαλείας και εξωτερικό φωτισμό κατά τις νυχτερινές ώρες καθώς και την κατανάλωση των ηλεκτρικών συσκευών του γραφείου που παραμένουν σε λειτουργία αναμονής (stand-by) όλη τη διάρκεια της μέρας. Η μεγαλύτερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε κτίρια γραφείων προέρχεται από τα συστήματα φωτισμού και την χρήση κλιματιστικών για ψύξη και θέρμανση. Το ποσοστό αυτών των καταναλώσεων ανέρχεται στο 70% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης σε ένα τυπικό κτίριο γραφείων. Ένα 20% αποδίδεται στην κατανάλωση ηλεκτρικής κατανάλωσης από τον ηλεκτρικό εξοπλισμό του γραφείου όπως ηλεκτρονικούς υπολογιστές, ενώ το υπόλοιπο 10% σε διάφορες άλλες καταναλώσεις. 131

132 8.3.2 Οικιακοί καταναλωτές Σχήμα 8.3: Καμπύλη ζήτησης ισχύος σε κατοικίες. Η ημερήσια καμπύλη για την αναπαράσταση της ζήτησης από οικιακούς καταναλωτές παρουσιάζει δύο μέγιστα, ένα κατά την μεσημεριανή περίοδο 1-3μμ όπου η κατανάλωση ανέρχεται στο 60% της μέγιστης ζήτησης και ένα μεγαλύτερο τις βραδινές ώρες 8-10μμ με κατανάλωση που φτάνει το 80% της εγκατεστημένης ισχύος. Έγινε η θεώρηση ότι η εγκατεστημένη ισχύς κάθε κατοικίας είναι 10kw. Κατά τις μεσημεριανές ώρες 1-3μμ η βασική δραστηριότητα σε μια κατοικία που προκαλέι αυξημένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι το μαγείρεμα και η λειτουργία κλιματιστικών είτε για ψύξη τους θερινούς μήνες είτε για θέρμανση τον χειμώνα. Τις βραδινές ώρες 8-10μμ συνήθως τα περισσότερα μέλη μιας οικογένειας βρίσκονται στο σπίτι με αποτέλεσμα η ζήτηση να αυξάνεται ως τα 8kw ανά κατοικία. Οι δραστηριότητες που απαιτούν κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι περισσότερες από ότι τις υπόλοιπες ώρες της μέρας. Η αυξημένη ζήτηση αποδίδεται στην λειτουργία πλυντηρίων, ηλεκτρικής κουζίνας, θερμοσίφωνα και ηλεκτρικών συσκευών που χρησιμοποιούνται για την ψυχαγωγία των ενοίκων. Η σταθερή κατανάλωση των 2kw ανα νοικοκυριό κατά τις νυχτερινές ώρες οφείλεται σε ηλεκτρικές συσκευές που παραμένουν σε κατάσταση αναμονής όλη την ημέρα ανεξάρτητα από το αν χρησιμοποιούνται και τις ηλεκτρικές συσκεύες των οποίων απαιτείται η συνεχής λειτουργία όπως είναι τα ψυγεία και οι καταψύκτες. 132

133 8.4 Ανάλυση ροής φορτίου με προφίλ φορτίων Περιγραφή. Για τον υπολογισμό της ροής φορτίου χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση Load flow with load profiles στο πρόγραμμα Neplan αφού πρώτα έγινε η εισαγωγή των ημερήσιων καμπυλών των φορτίων. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω τα φορτία του δικτύου διακρίνονται στα φορτία που αναπαριστούν οικιακούς καταναλωτές και τα φορτία που αντιστοιχούν στα κτίρια γραφείων. Με την ανάλυση αυτή γίνεται ο υπολογισμός της ενεργού και άεργου ισχύος όλων των στοιχείων του δικτύου (φορτίων,γραμμών διανομής, μετασχηματιστή), του ρεύματος, των απωλειών ισχύος και του επιπέδου φόρτισης (ως ποσοστό %) των γραμμών και του μετασχηματιστή. Ωστόσο επειδή τα φορτία του δικτύου προσομοίωσης θεωρήθηκαν σχεδόν ωμικά φορτία με συντελεστή ισχύος 0,85 για τους καταναλωτές γραφείου και 0,995 για τους οικιακούς καταναλωτές, η ανάλυση επικεντρώνεται κυρίως στην ροή ενεργού ισχύος Αποτελέσματα ανάλυσης ροής φορτίου. Παρακάτω παρατίθενται τα αποτελέσματα της ανάλυσης της ροής φορτίου: Σχήμα 8.4: Ημερήσια καμπύλη ισχύος [KW] φορτίου L

134 Σχήμα 8.5: Ημερήσια καμπύλη ισχύος [KW] φορτίου L-2. Σχήμα 8.6: Ημερήσια καμπύλη ισχύος [KW] μετασχηματιστή. Σχήμα 8.7: Ημερήσια καμπύλη φόρτισης [%] μετασχηματιστή. Σχήμα 8.8: Ημερήσια καμπύλη παροχής ισχύος [KW] από δίκτυο μέσης τάσης. 134

135 Σχήμα 8.9: Ρεύμα [KA] πρωτεύοντος μετασχηματιστή. Σχήμα 8.10: Ημερήσια καμπύλη φόρτισης [%] γραμμής L1. Σχήμα 8.11: Ημερήσια καμπύλη ισχύος [KW] γραμμής L1. Σχήμα 8.12: Ρεύμα [KA] γραμμής L1. 135

136 Η ανάλυση πραγματοποιείται με σκοπό τον εντοπισμό των περιόδων της ημέρας κατά τις οποίες υπάρχει υπερφόρτιση του μετασχηματιστή του δικτύου, δηλαδή των περιόδων αιχμής, έτσι ώστε τα σενάρια διαχείρησης της ζήτησης που εφαρμόζονται στην ανάλυση αξιοπιστίας να στοχεύουν σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα μέσα στη μέρα. Ο καθορισμός των περιόδων αυξημένης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι απαραίτητος και για την επιλογή των ρυθμών αποτυχίας που θα χρησιμοποιηθούν στην ανάλυση αξιοπιστίας καθώς η υπερφόρτιση ενός στοιχείου του δικτύου αποτελεί παράγοντα επιβάρυνσης της λειτουργίας του με αποτέλεσμα την μειωμένη αξιοπιστία του. Για να εκφράσουμε ποσοτικά αυτή τη δυσκολία του στοιχείου να εκτελέσει τη λειτουργία του σε δυσμενείς συνθήκες, όπως είναι η υπερφόρτιση, απαιτείται να χρησιμοποιηθεί αυξημένη τιμή του ρυθμού αποτυχίας σε σύγκριση με τον ρυθμό αποτυχίας του σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Από την καμπύλη φόρτισης του μετασχηματιστή, που δίνει σε % ποσοστό το επίπεδο της φόρτισης του για κάθε στιγμή μέσα στην μέρα, φαίνεται ότι, εξατίας των ημερήσιων καμπυλών ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας από τους καταναλωτές του υπό μελέτη δικτύου, δημιουργούνται δύο περίοδοι αιχμής κατά τις οποίες ο μετασχηματιστής βρίσκεται σε κατάσταση υπερφόρτισης. Η πρώτη αφορά τις μεσημεριανές ώρες 1-3μμ και η δεύτερη το βράδυ 8-10μμ, ενώ τα ποσοστά φόρτισης για τον μετασχηματιστή είναι 113,7% και 114,33% αντίστοιχα. Κατά τις περιόδους αυτές η ροή ενεργού ισχύος του μετασχηματιστη είναι 688,148KW για τη μεσημεριανή και 708,66KW για τη βραδινή περίοδο αιχμής. Εκτός από την ισχύ με την οπόια τροφοδοτεί τα φορτία ο μετασχηματιστής οι τιμές αυτές περιλαμβάνουν και τις απώλειες λόγω της ωμικής αντίστασης του μετασχηματιστή και των εναέριων γραμμών. Αυτό γίνεται αντιληπτό λόγω του ότι η ισχύς που απαιτεί το φορτίο συνολικά εκείνες τις ώρες προκύπτει 640KW (1-3μμ) και 660KW (8-10μμ). 136

137 8.5 Ανάλυση Αξιοπιστίας Περιγραφή. Για την ανάλυση αξιοπιστίας χρησιμοποιήθηκε η επιλογή Reliability Analysis του προγράμματος Neplan. Η ανάλυση αυτή δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού των δεικτών αξιοπιστίας του συστήματος (SAIFI, SAIDI, CAIDI, CAIFI, ASAI), των ενεργειακών δεικτών μη εξυπηρετούμενης ενέργειας και μη εξυπηρετούμενης ισχύος και του κόστους εξαιτίας διακοπής παροχής ισχύος. Απαραίτητα δεδομένα για την επίλυση του προβλήματος της ανάλυσης αξιοπιστίας από το Neplan είναι τα στοιχεία αξιοπιστίας των συνιστωσών του δικτύου. Οι συνιστώσες αυτές είναι ο μετασχηματιστής και οι εναέριες γραμμές. Οι ζυγοί και οι διακόπτες ισχύος των γραμμών θεωρήθηκαν ιδανικά στοιχεία δηλαδή χαρακτηρίζονται από μηδενική πιθανότητα αποτυχίας. Τα δεδομένα που απαιτούνται είναι ο ρυθμός αποτυχίας (failure rate [1/year]) και ο χρόνος επιδιόρθωσης (repair time [hours]) των συνιστωσών. Σύμφωνα με έρευνες και ιστορικές καταγραφές για την αξιοπιστία των συνιστωσών του δικτύου διανομής δεν υπάρχουν τιμές των ρυθμών αποτυχίας που να ανταποκρίνονται με ακρίβεια στην εκάστοτε μελέτη. Συνήθως λαμβάνουμε υπόψη όσο το δυνατόν περισσότερες μεταβλητές που επιδρούν στην ανάλυση αλλά πάντα βασιζόμενοι σε υποθέσεις και σε προσεγγιστικές τιμές. Ο ρυθμός αποτυχίας επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως είναι το περιβάλλον, η εποχή, οι συνθήκες λειτουργίας, οι καιρικές συνθήκες, τα ελαττώματα σχεδίασης, την έλλειψη συντήρησης κτλ. Δηλαδή διαφέρει τόσο από στοιχείο σε στοιχείο, ακόμα κι αν ανήκουν στο ίδιο είδος, αλλά και για το ίδιο στοιχείο δεν είναι πάντοτε ακριβές να θεωρείται σταθερός σε σχέση με το χρόνο. Η μεταβολή του ρυθμού αποτυχίας με το χρόνο προκύπτει από την εξάρτηση της πιθανότητας βλάβης ενός στοιχείου από την τρέχουσα κατάσταση λειτουργίας και τις εξωτερικές επιδράσεις. Δυσμενείς καιρικές συνθήκες όπως συχνές καταιγίδες, κεραυνοί και έντονες χιονοπτώσεις θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στην ανάλυση αξιοπιστίας ειδικά σε περιπτώσεις που η συχνότητα τους δεν μπορεί να αγνοηθεί, αφού μπορεί αποτελέσουν παράγοντα αύξησης των βλαβών στο δίκτυο της περιοχής που πλήττεται συχνά. Οι θερμικές καταπονήσεις των συνιστωσών του δικτύου, δηλαδή οι υπερφορτίσεις εξαιτίας αυξημένου φορτίου ή αποτυχίας ενός τμήματος του δικτύου με αποτέλεσμα την ανάληψη επιπλέον φορτίου από γειτονικό τμήμα του, συμβάλλουν σε μεγάλο βαθμό στην διαμόρφωση του επιπέδου αξιοπιστίας ενός συστήματος. Η πιθανότητα να συμβεί αποτυχία σε κάποιο στοιχείο του 137

138 δικτύου είναι σαφώς μεγαλύτερη αν το στοιχείο λειτουργεί σε κατάσταση υπερφόρτισης από ότι σε κανονική λειτουργία. Έτσι αν οι υπερφορτίσεις είναι συχνές επιβαρύνουν τη συγκεκριμένη συνιστώσα και συνεπώς ο ρυθμός αποτυχίας δεν μπορεί να θεωρηθεί σταθερός. Επειδή σκοπός της διπλωματικής είναι η αξιολόγηση της επίδρασης της διαχείρισης της ζήτησης στην αξιοπιστία των δικτύων διανομής, δηλαδή η μεταβολή των δεικτών αξιοπιστίας μεταξύ των περιπτώσεων χαμηλής κατανάλωσης και των περιόδων που χαρακτηρίζονται από αυξημένη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, ο παράγοντας που διαφοροποιεί τα αποτελέσματα είναι το επίπεδο φόρτισης. Με τα σενάρια διαχείρισης/ απόκρισης ζήτησης που εφαρμόζονται παρακάτω η αθροιστική ημερήσια καμπύλη των φορτίων μπορεί να ομαλοποιηθεί ώστε να αποφεύγεται ο κίνδυνος στον οποίο οδηγεί η υπερφόρτιση. Μειώνοντας τις αιχμές ζήτησης και κατά συνέπεια μειώνοντας την φόρτιση του μετασχηματιστή, περιορίζουμε την πιθανότητα να συμβεί αποτυχία αυτού που συνεπάγεται διακοπή της εξυπηρέτησης των πελατών. Έτσι μπορεί να διατηρηθεί το επιθυμητό επίπεδο αξιοπιστίας όσο το δυνατόν περισσότερο χρονικό διάστημα μέσα στη μέρα. Οι υπόλοιποι παράγοντες που αναφέρθηκαν προηγουμένως για την επίδραση τους στην ανάλυση της αξιοπιστίας θεωρείται ότι δεν αλλάζουν σε συνάρτηση με το χρόνο, όπως συμβαίνει με τη φόρτιση. Ο λόγος της υπόθεσης αυτής είναι ότι η απόκριση των καταναλωτών που εξετάζεται δεν μπορεί να παρέμβει και να μετριάσει τη συχνότητα τους. Η συμμετοχή των καταναλωτών δεν επηρεάζει τους υπόλοιπους παράγοντες που επιδρούν στον ρυθμό αποτυχίας των συνιστωσών του δικτύου. Το βασικό ενδιαφέρον της μελέτης αυτής είναι η αλλαγή του επιπέδου αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή τεχνικών διαχείρισης της ζήτησης και όχι η εξέταση της επίδρασης συγκεκριμένων συνθηκών περιβάλλοντος. Ωστόσο σε μια πραγματική εκτίμηση όλες οι μεταβλητές εξετάζονται ξεχωριστά ώστε τα αποτελέσματα να ανταποκρίνονται στη γεωγραφική θέση, το κλίμα και το περιβάλλον μιας τοποθεσίας στην οποία λειτουργεί ή πρόκειται να λειτουργήσει ένα εξάρτημα ή ένα σύστημα. Για την πραγματοποίηση της συγκεκριμένης ανάλυσης αξιοπιστίας ο ρυθμός αποτυχίας των εναέριων γραμμών θεωρήθηκε σταθερός, αφού δεν παρατηρείται υπερφόρτιση αυτών ακόμα και στις περιόδους αιχμής της ζήτησης και ίσος με 0,54/(χλμ, έτος). Ενώ ο χρόνος επιδιόρθωσης σε περίπτωση βλάβης λήφθηκε ίσος με 10 ώρες. 138

139 Όμως για τον μετασχηματιστή δεν μπορεί να ισχύει η υπόθεση του σταθερού ρυθμού αποτυχίας. Από τα διαγράμματα της ανάλυσης ροής φορτίου του μετασχηματιστή έγινε αντιληπτό ότι κατά τη διάρκεια των περιόδων αιχμής η φόρτιση του υπερβαίνει σε ένα βαθμό τα ονομαστικά του χαρακτηριστικά. Θα μπορούσαν να οριστούν διάφορα επίπεδα αξιοπιστίας του μετασχηματιστή ανάλογα με την φόρτιση του, δηλαδή ο ρυθμός αποτυχίας να αναπαριστάται με μια καμπύλη που θα ακολουθεί την καμπύλη φόρτισης του μετασχηματιστή. Ωστόσο για λόγους απλοποίησης της μελέτης θεωρήθηκε ότι ο μετασχηματιστής ενδέχεται να λειτουργεί σε κανονική λειτουργία ή σε κατάσταση υπερφόρτισης και αντίστοιχα ορίστηκαν δύο επίπεδα αξιοπιστίας αυτού με δύο διαφορετικούς ρυθμούς αποτυχίας. Ο ρυθμός αποτυχίας σε περίπτωση κανονικής φόρτισης θεωρήθηκε 0,002/έτος ενώ για τις περιόδους υπερφόρτισης 1/έτος. Ο χρόνος επιδιόρθωσης μιας βλάβης του μετασχηματιστή είναι 18 ώρες. Κάθε φορά που συμβαίνει μια διακοπή παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές του δικτύου όλοι οι πελάτες του συστήματος υφίστανται ένα κόστος που εξαρτάται από δύο παραμέτρους: την τιμή του CNAPD για τον κάθε καταναλωτή και την ποσότητα ηλεκτρικής ισχύος που καταναλώνει εκείνη τη στιγμή ο κάθε καταναλωτής. Η τιμή του CNAPD / KW είναι διαφορετική για τα δύο είδη καταναλωτών του υπό μελέτη δικτύου και οι τιμές δίνονται παρακάτω [82]. Δηλαδή τα δεδομένα της ανάλυσης αξιοπιστίας είναι:,1,2 0,54 / (, έ ) 0,002 / έ 1/ έ MTTR MTTR 10ώ 18ώ CNAPD CNAPD OFFICE RESIDENTIAL 5,89 / KW 1,27 / KW 139

140 8.5.2 Ανάλυση αξιοπιστίας ανά χρονικές περιόδους κατανάλωσης. Λόγω του ότι η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας από τους καταναλωτές δεν παραμένει σταθερή αλλά χαρακτηρίζεται από μια μεταβλητότητα η οποία αποτυπώνεται στις αντίστοιχες καμπύλες ζήτησης, έγινε διάκριση των διαφορετικών επιπέδων κατανάλωσης ενέργειας ώστε να πραγματοποιηθεί ξεχωριστή ανάλυση αξιοπιστίας για κάθε περίοδο της ημέρας. Από τις ημερήσιες καμπύλες των οικιακών και εμπορικών καταναλωτών προκύπτουν έξι συνδυασμοί φορτίσεων. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται ο συντελεστής κατανάλωσης και η ισχύς των καταναλωτών ανά κατηγορία και χρονική περίοδο καθώς και η συνολική καταναλισκόμενη ισχύς των φορτίων για κάθε περίοδο. Πίνακας 8-3: Πίνακας επιπέδων ζήτησης ισχύος. Επίπεδα ζήτησης ισχύος συνδυάζοντας τις καμπύλες των φορτίων Επίπεδο Οικιακοί καταναλωτές Κτίρια γραφείων Συνολική Συντελεστής κατανάλωσης Κατανάλωση ισχύος [KW] Συντελεστής κατανάλωσης Κατανάλωση ισχύος [KW] κατανάλωση [KW] 1 0, , , , , , , , , , , ,

141 Πίνακας 8-4: Πίνακας χρονικών περιόδων ζήτησης ισχύος. Αντιστοίχιση επιπέδων ζήτησης σε χρονικές περιόδους Επίπεδο Χρονική περίοδος 1 1μμ-3μμ 2 3μμ-6μμ 3 7πμ-8πμ 4 8μμ-10μμ 5 6μμ-8μμ και 10μμ-11μμ 6 11μμ-7πμ Αποτελέσματα τις ανάλυσης αξιοπιστίας ανά περίοδο κατανάλωσης. Χρονική περίοδος 1μμ-3μμ με συνολική κατανάλωση 640KW. Πίνακας 8-5: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 1-3μμ. 141

142 Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 743kW ASIFI 0, kW 743kW 16,307h ASIDI 12,11h 1000kW Χρονική περίοδος 3μμ-6μμ με συνολική κατανάλωση 480KW. Πίνακας 8-6: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 3-6μμ. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 79kW ASIFI 0, kW 79kW 10, 06h ASIDI 0, 7947h 1000kW 142

143 Χρονική περίοδος 7πμ-8πμ με συνολική κατανάλωση 320KW. Πίνακας 8-7: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 7-8πμ. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 52kW ASIFI 0, kW 52kW 10, 06h ASIDI 0,523h 1000kW Χρονική περίοδος 8μμ-10μμ με συνολική κατανάλωση 660KW. Πίνακας 8-8: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 8-10μμ. 143

144 Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 767kW ASIFI 0, kW 767kW 16,307h ASIDI 12,507h 1000kW Χρονικές περίοδοι 6μμ-8μμ και 10μμ-11μμ με συνολική κατανάλωση 340KW. Πίνακας 8-9: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για τις χρονικές περιόδους 6-8μμ και 10-11μμ. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 56kW ASIFI 0, kW 56kW 10, 06h ASIDI 0,5633h 1000kW 144

145 Χρονική περίοδος 11μμ-7πμ με συνολική κατανάλωση 180KW. Πίνακας 8-10: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 11μμ-7πμ. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 30kW ASIFI 0, kW 30kW 10, 06h ASIDI 0,3018h 1000kW 145

146 8.6 Απόκριση Ζήτησης σε περιόδους αιχμής (1-3μμ και 8-10μμ) Σενάριο 1 Το 40% των οικιακών καταναλωτών μειώνουν την κατανάλωση τους από 8kw σε 6kw για χρονικό διάστημα 2 ωρών. Η μείωση αυτή μπορεί να επέλθει από την αναβολή χρήσης του πλυντηρίου ρούχων από τις 8-10μμ στις 10-12μμ. Οι υπόλοιποι καταναλωτές δεν συμμετέχουν στην απόκριση ζήτησης και συνεχίζουν να καταναλώνουν 8kw εκείνες τις ώρες. Έτσι η συνολική κατανάλωση μειώνεται από 660kw σε 596kw κατά την χρονική περίοδο 8-10μμ. Πίνακας 8-11: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 8-10μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου 1. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 103kW ASIFI 0, kW 103kW 10, 06h ASIDI 1,036h 1000kW 146

147 Πίνακας 8-12: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 8-10μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,767 0,103 ASIDI [h] 12,507 1,036 ECOST [ /yr] 1080,39 145,847 SAIFI [1/yr] 1,161 0,164 SAIDI [min/yr] 1176,992 99,352 CAIDI [h] 16,89 10,098 ASAI [%] 99,776 99,981 Λόγω του ότι η τεχνική απόκρισης ζήτησης που εφαρμόζεται στοχεύει στη μετατόπιση φορτίου σε ώρες εκτός αιχμής εκτός από τις αλλαγές που επιφέρει στους δείκτες αξιοπιστίας κατά την περίοδο 8-10μμ, επιδρά και στην ανάλυση αξιοπιστίας τις ώρες 10-12μμ. Για το διάστημα αυτό το φορτίο που θα προστεθεί θα προέρχεται από το 40% των οικιακών καταναλωτών που αποφασίζουν να λειτουργήσουν το πλυντήριο ρούχων εκείνες τις ώρες δηλαδή κάθε κατοικία από αυτές που αναβάλλουν την χρήση του πλυντηρίου μετατοπίζει φορτίο ίσο με 2kw στις 10-12μμ.. Επειδή η συνολική κατανάλωση ενέργειας διαφέρει για τις χρονικές περιόδους 10-11μμ και 11-12μμ οι αλλαγές παρουσιάζονται παρακάτω για την κάθε ώρα ξεχωριστά. Το φορτίο που μετατοπίζεται είναι 64kw. Άρα το φορτίο που τροφοδοτεί πλέον ο μετασχηματιστής εκείνες τις ώρες είναι 404kw και 244kw αντίστοιχα. 147

148 Χρονική περίοδος 10-11μμ. Πίνακας 8-13: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 10-11μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου 1. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 61kW ASIFI 0, kW 61kW 10, 06h ASIDI 0,613h 1000kW Πίνακας 8-14: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 10-11μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,056 0,061 ASIDI [h] 0,5633 0,613 ECOST [ /yr] 85,954 92,7 148

149 Χρονική περίοδος 11-12μμ Πίνακας 8-15: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 11-12μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου 1. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 35kW ASIFI 0, kW 35kW 10, 06h ASIDI 0,3521h 1000kW Πίνακας 8-16: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 11-12μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,03 0,035 ASIDI [h] 0,3018 0,3521 ECOST [ /yr] 52,635 59,381 Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι κατά τις ώρες 10-12μμ ο δείκτης ASIFI που εκφράζει το μη εξυπηρετούμενο φορτίο αυξάνεται λόγω της μετατόπισης φορτίου εκείνες τις ώρες. Κατά συνέπεια αυξάνεται και το κόστος διακοπής. Όμως οι δείκτες της αξιοπιστίας δείχνουν ότι το υπό μελέτη δίκτυο παραμένει αξιόπιστο στον ίδιο βαθμό αυτές τις ώρες. Αν δούμε συνολικά το κόστος διακοπής μετά την εφαρμογή του σεναρίου απόκρισης ζήτησης είναι εμφανές ότι μειώνεται όπως συμβαίνει και με την μη εξυπηρετούμενη ισχύ, καθώς η 149

150 μείωση που επέρχεται στο κόστος κατά την περίοδο 8-10μμ (από 1080,39 /yr σε 145,847 /yr) )είναι πολύ μεγαλύτερη από την αύξηση κατά την περίοδο 10-12μμ Σενάριο 2 Το 20% των οικιακών καταναλωτών αναβάλλει το μαγείρεμα από τις ώρες αιχμής 1-3μμ μετά τις 6μμ. Έτσι μετατοπίζεται φορτίο 2,5kw για κάθε καταναλωτή εξαιτίας της χρήσης φούρνου στις 6-8μμ αντί κατά την περίοδο αιχμής 1-3μμ. Η κατανάλωση στα γραφεία παραμένει στο 80% της εγκατεστημένης ισχύος τους. Έτσι η συνολική κατανάλωση μειώνεται από 640kw σε 600kw κατά την χρονική περίοδο 1-3μμ. Πίνακας 8-17: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 1-3μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου 2. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 103kW ASIFI 0, kW 103kW 10, 06h ASIDI 1,036h 1000kW 150

151 Πίνακας 8-18: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 1-3μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,743 0,103 ASIDI [h] 12,11 1,036 ECOST [ /yr] 1802, ,64 SAIFI [1/yr] 1,161 0,164 SAIDI [min/yr] 1176,992 99,352 CAIDI [h] 16,89 10,098 ASAI [%] 99,776 99,981 Όπως και στο προηγούμενο σενάριο έτσι και εδώ πρόκειται για απόκριση ζήτησης με ολίσθηση φορτίου από την μεσημεριανή περίοδο αιχμής στην περίοδο 6-8μμ όπου η ζήτηση είναι χαμηλή. Η κατανάλωση των πελατών που αποκρίνονται εκείνες τις ώρες θα πραγματοποιηθεί κατά τις απογευματινές ώρες 6-8μμ, προκαλώντας αύξηση του τροφοδοτούμενου φορτίου από 340kw σε 380kw. Οι μεταβολές στην ανάλυση αξιοπιστίας για το διάστημα αυτό είναι οι ακόλουθες. Χρονική περίοδος 6-8μμ Πίνακας 8-19: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 6-8μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου

152 Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 58kW ASIFI 0, kW 58kW 10, 06h ASIDI 0,583h 1000kW Πίνακας 8-20: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 6-8μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,056 0,058 ASIDI [h] 0,5633 0,583 ECOST [ /yr] 85,954 88,799 Θεωρώντας ότι τις μεσημεριανές ώρες η βασική δραστηριότητα των ενοίκων του σπιτιού είναι το μαγείρεμα, το σενάριο αυτό στοχεύει στην απόκριση των καταναλωτών με αναβολή αυτής της δραστηριότητας σε απογευματινές ώρες όταν πλέον η κατανάλωση έχει μειωθεί. Η αποδοχή από πλευράς των καταναλωτών δεν θεωρείται μεγάλης κλίμακας λόγω του ότι επιδρά σε μια βασική ανάγκη τους και είναι δύσκολο να συμβιβαστεί υψηλότερο ποσοστό οικιακών καταναλωτών στην αναβολή αυτή της ενέργειας. Απαιτείται δηλαδή προσφορά ισχυρών κινήτρων στους καταναλωτές για να συμμετέχουν στην απόκριση ζήτησης. Τέτοιο κίνητρο μπορεί να αποτελέσει κάποιου μεγέθους έκπτωση σε σούπερ μάρκετ κατά την περίοδο αυτή ώστε οι καταναλωτές να προτιμήσουν να κάνουν τις αγορές τους την συγκεκριμένη χρονική περίοδο, εξοικονομώντας χρήματα και παράλληλα συμβάλλοντας στην μείωση της μέγιστης ζήτησης. Ωστόσο οι ενημερωμένοι καταναλωτές που επιθυμούν να εκμεταλλευτούν τις μειωμένες τιμές της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας που θα ισχύουν τις ώρες εκτός αιχμής, ακόμη και χωρίς την ύπαρξη επιπλέον κινήτρων θα είναι πρόθυμοι να λάβουν μέρος στην στρατηγική αυτή. Ακόμα όμως και με αυτή την μέτρια αποδοχή η συνεισφορά στην ενίσχυση της αξιοπιστίας είναι μεγάλη. 152

153 8.6.3 Σενάριο 3 Τώρα εκτός από το 20% των οικιακών καταναλωτών που αναβάλλουν το μαγείρεμα για το απόγευμα. Θεωρούμε επιπλέον ότι το 40% των καταναλωτών γραφείου αποκρίνεται και μειώνει την κατανάλωση κατά 10% δηλαδή από 8kw σε 7kw κατά τις ώρες 1-3μμ. Η απόκριση των καταναλωτών γραφείου πραγματοποιείται με το κλείσιμο ενός κλιματιστικού σε κάθε γραφείο κατά την χρονική περίοδο αιχμής 1-3μμ. Έτσι η μείωση στην κατανάλωση ανέρχεται στα 48kw, από 640kw σε 592kw, από τα οποία τα 40kw καταναλώνονται στις 6-8μμ ενώ τα 8kw δεν αναπληρώνονται και συνεισφέρουν στην συνολική εξοικονόμηση ενέργειας. Πίνακας 8-21: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 1-3μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου 3. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: 102kW ASIFI 0, kW 102kW 10, 06h ASIDI 1,026h 1000kW 153

154 Πίνακας 8-22: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 1-3μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,743 0,102 ASIDI [h] 12,11 1,026 ECOST [ /yr] 1802, ,73 SAIFI [1/yr] 1,161 0,164 SAIDI [min/yr] 1176,992 99,352 CAIDI [h] 16,89 10,098 ASAI [%] 99,776 99,981 Τα αποτελέσματα για την χρονική περίοδο 6-8μμ παραμένουν ίδια με τα αποτελέσματα του σεναρίου 2 για αυτήν την χρονική περίοδο μετά την απόκριση των καταναλωτών Σενάριο 4 Το 40% των οικιακών καταναλωτών ρυθμίζει το πλυντήριο πιάτων σε χαμηλότερη θερμοκρασία πλύσης μεταξύ 8-9μμ. Έτσι αντί για κατανάλωση 1,6kwh για πλύση στους 65 0 C η κατανάλωση για ρύθμιση πλύσης στους 40 0 C περιορίζεται σε 0,5kwh, άρα εξοικονομείται περίπου 1kwh, για κάθε καταναλωτή. Το 20% των οικιακών καταναλωτών διακόπτει τη λειτουργία του θερμοσίφωνα κατά την ίδια χρονική περίοδο μειώνοντας το φορτίο τους από 8kw σε 5,5kw.Το υπόλοιπο 40% των οικιακών καταναλωτών δεν αλλάζει την κατανάλωση του. Έτσι η συνολική κατανάλωση μειώνεται από 660kw σε 588kw κατά την χρονική περίοδο 8-9μμ. 154

155 Πίνακας 8-23: Πίνακας δεικτών αξιοπιστίας για την χρονική περίοδο 8-9μμ μετά την εφαρμογή του σεναρίου 4. Υπολογισμός δεικτών ASIFI και ASIDI: ASIFI 0,099 99kw10, 06h ASIDI 0,9959h 1000kw Πίνακας 8-24: Συγκριτικός πίνακας δεικτών αξιοπιστίας πριν και μετά την εφαρμογή απόκρισης ζήτησης για την χρονική περίοδο 8-9μμ. Δείκτης Χωρίς απόκριση ζήτησης Με απόκριση ζήτησης ASIFI 0,767 0,099 ASIDI [h] 12,947 0,9959 ECOST [ /yr] 1080, ,89 SAIFI [1/yr] 1,161 0,164 SAIDI [min/yr] 1176,992 99,352 CAIDI [h] 16,89 10,098 ASAI [%] 99,776 99,981 Το σενάριο αυτό συμβάλλει στην μείωση της μέγιστης ζήτησης κατά την περίοδο αιχμής 8-9μμ, χωρίς να μετατοπίζει φορτίο σε ώρες εκτός αιχμής. Απαιτεί καταναλωτές ευαισθητοποιημένους στο ζήτημα της εξοικονόμησης ενέργειας κυρίως σε κρίσιμες περιόδους όπου η αξιοπιστία του δικτύου, όπως υποδεικνύουν τα αποτελέσματα της ανάλυσης αξιοπιστίας πριν την απόκριση ζήτησης, δεν είναι σε ικανοποιητικά επίπεδα. Με 155