8.1. Η αιολική ενέργεια και το τεχνικά αξιοποιήσιµο αιολικό δυναµικό

Transcript

1 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας 8.1. Η αιολική ενέργεια και το τεχνικά αξιοποιήσιµο αιολικό δυναµικό Το θαυµάσιο αιολικό δυναµικό των νησιών του Αιγαίου σε συνδυασµό µε την εµπορική και τεχνολογική ωριµότητα των Α/Γ και το τωρινό υψηλό κόστος παραγωγής της Η/Ε µε συµβατικά µέσα ευνοούν την εγκατάσταση αιολικών πάρκων στα νησιά του Αιγαίου. Η εγκατάσταση Α/Γ για την παραγωγή Η/Ε γίνεται ολοένα πιο δηµοφιλής και αποδεκτή σε σχέση µε τις συµβατικές µορφές ενέργειας. Ο υπολογισµός του τεχνικά αξιοποιήσιµου αιολικού δυναµικού είναι µια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία ακόµα και αν ληφθεί υπόψη µόνο η διαθεσιµότητα του ανέµου και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της ανεµογεννήτριας που χρησιµοποιούµε. Η µέση µηνιαία ή ετήσια ταχύτητα ανέµου και ο βαθµός απόδοσης των ανεµογεννητριών δεν αρκούν για τον υπολογισµό. Είναι πολύ σηµαντικό να γνωρίζουµε ακριβώς την µεταβολή της ταχύτητας του ανέµου κατά την διάρκεια του έτους. Πολλές φορές η µεταβολή της ταχύτητας του ανέµου συναρτήσει του χρόνου παριστάνεται µε την βοήθεια της κατανοµής Weibull (σχήµα 8.1). Στο συγκεκριµένο σχήµα δεχόµαστε µια µέση ταχύτητα ανέµου 7m/sec ενώ επειδή χρησιµοποιείται παράµετρος µορφής 2 (µια συνηθισµένη τιµή για την Β. Ευρώπη), συµπίπτει µε την κατανοµή Rayleigh. Για τα νησιά του Αιγαίου η παράµετρος µορφής κυµαίνεται από 1,4 ως 2 [πηγή:2], ενώ σε ορισµένα νησιά παίρνει µικρότερες τιµές όπως 1,22 (Ηράκλειο) και 1,33 (Αραξός). [πηγή:3] Όσο µικρότερη είναι η τιµή της παραµέτρου τόσο η κατανοµή γίνεται πιο οµοιόµορφη και οι ταχύτητες κοντά στην µέση είναι συχνότερες. Για να σχηµατιστεί η καµπύλη του σχή- µατος 8.1 απαιτείται πειραµατικός προσδιορισµός της συχνότητας των ταχυτήτων του ανέµου και γνώση της µορφολογίας της περιοχής (roughness class) έτσι ώστε οι ταχύτητες να αναχθούν από το ύψος των µετεωρολογικών µετρήσεων στο ύψος του ρότορα της Α/Γ. Αυτή η αναγωγή γίνεται µε την βοήθεια της σχέσης: U 1 h = 1 a ( ) σχέση (8.1) [πηγή:2] όπου: U 2 h 2 - α παράµετρος που αυξάνεται όσο πιο έντονη γίνεται η µορφολογία και η τραχύτητα του εδάφους. [πηγή:2] Γενικά είναι προτιµότερο για το προσδιορισµό της ταχύτητας του ανέµου να χρησιµοποιηθούν πίνακες του Ευρωπαϊκού Αιολικού Άτλαντα που εκφράζουν την ταχύτητα του ανέµου συναρτήσει του ύψους και της τραχύτητας του εδάφους για τις περιοχές που µας ενδιαφέρουν. Στον πίνακα 8.1 φαίνονται οι µέσες ετήσιες ταχύτητες των ανέµων σε διά-

2 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας φορες περιοχές της Ελλάδας ενώ στον πίνακα 8.2 φαίνονται για όλη την Ευρώπη µετρη- µένες σε ύψος 50 µέτρων και για κάθε είδους τοπική µορφολογία. Η ισχύς του ανέµου ορισµένης ταχύτητας είναι: P= 0,5 p Α u 3 σχέση (8.2) όπου: - p είναι η πυκνότητα του αέρα - Α είναι η επιφάνεια από όπου διέρχεται ο άνεµος - u είναι η ταχύτητα του ανέµου Σχήµα 8.1. Συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας ταχυτήτων ανέµου [πηγή:3] Από το σχήµα 8.1 φαίνεται ότι οι υψηλές ταχύτητες ανέµου σπανίζουν αλλά η συνεισφορά τους στην παραγόµενη ενέργεια είναι πολύ µεγάλη (σχέση 8.2). Για τον υπολογισµό της αιολικής ισχύος δεν λαµβάνουµε υπόψη την µέση ταχύτητα αλλά πολλαπλασιάζουµε κάθε πιθανότητα µιας ορισµένης ταχύτητας ανέµου (από την Weibull) µε την ισχύ που παράγεται σε αυτή η ταχύτητα. Έτσι σχηµατίζεται η θεωρητική κατανοµή της αιολικής ισχύος για κάθε ταχύτητα (σχήµα 8.2, γκρι καµπύλη). Μια Α/Γ δεν µπορεί να παραλάβει όλη αυτή την ισχύ γιατί τότε ο αέρας που θα περνούσε πίσω από την έλικα της ανεµογεννήτριας δεν θα αποµακρύνονταν διότι θα είχε µηδενική κινητική ενέργεια στην έξοδο. Έτσι, δεν θα παραλάµβανε καθόλου ενέργεια επειδή ο στάσιµος αέρας στην έξοδο δεν θα επέτρεπε να εισαχθεί νέος. Στην αντίθετη περίπτωση θα διέρχονταν ο αέρας χωρίς καµία αντίσταση και δεν θα παράγονταν έργο. Έχει αποδειχτεί ότι µια ιδανική ανεµογεννήτρια θα πρέπει να µειώσει την αρχική ταχύτητα του αέρα κατά τα 2/3 της. Επιπλέον σύµφωνα µε τον νόµο του Albert Betz (1919): Η µέγιστη µηχανική ισχύς που µπορεί να παραχθεί από αιολική είναί ίση µε 59,3% αυτής.

3 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Πίνακας 8.1. Μετρήσεις αιολικού δυναµικού από ΕΗ/ ΕΜΕ [πηγή:4] Τοποθεσία Μέση ταχύτητα [m/s] Περίοδος µετρήσεων Άνδρος 9, Τήνος 9, Μύκονος 10, Σύρος 8, Κρήτη 8, Λήµνος 8, Λέσβος 8, Χίος 8, Σάµος 10, Εύβοια 9, Κάρπαθος 9, Σκύρος 6, Σαµοθράκη 6, Όπως αναφέραµε, αν πολλαπλασιαστεί η ισχύς ανέµου για κάθε ταχύτητα (σχέση 8.2) µε την αντίστοιχη πιθανότητα εµφάνισης αυτής της ταχύτητας (σχήµα 8.1) τότε προκύπτει η γκρι καµπύλη του σχήµατος 8.2. Έτσι κάτω από την γκρι καµπύλη φαίνεται η θεωρητική ισχύς ανά m 2 ροής αέρα (δεχόµενοι µια µέση ταχύτητα 7m/s και παράµετρο µορφής της Weibull 2). Η περιοχή κάτω από την µπλε καµπύλη αποτελεί το 59,3% της θεωρητικής ενώ η κόκκινη περιοχή εκφράζει την πραγµατική ηλ. ισχύς που παράγεται από την Α/Γ. Συγκρίνοντας την µορφή των σχηµάτων 8.1 και 8.2 συµπεραίνουµε ότι το µεγαλύτερο µέρος της Η/Ε από Α/Γ κατά την διάρκεια ενός έτος παραλαµβάνεται σε ταχύτητες ανέµου µεγαλύτερες της µέσης (για αυτό άλλωστε δεν µπορούµε να υπολογίσουµε το αιολικό δυναµικό από την µέση ταχύτητα). [πηγή:3] Σχήµα 8.2. Συνάρτηση πυκνότητας ισχύος ανέµου και Α/Γ [πηγή:3]

4 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Προστατευµένη περιοχή Ανοιχτή περιοχή Παραθαλάσσια Ανοιχτή θάλασσα Λόφοι και γκρεµοί m s ¹ W m ² m s ¹ W m ² m s ¹ W m ² m s ¹ W m ² m s ¹ W m ² > 6.0 > 250 > 7.5 > 500 > 8.5 > 700 > 9.0 > 800 > 11.5 > < 3.5 < 50 < 4.5 < 100 < 5.0 < 150 < 5.5 < 200 < Πίνακας 8.2. Οι ταχύτητες ανέµων σε όλη την Ευρώπη [πηγή:5]

5 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Για να γίνει ο προσδιορισµός της κόκκινης περιοχής πρέπει να λάβουµε υπόψη την κα- µπύλη ισχύος (power curve) της ανεµογεννήτριας. Η καµπύλη αυτή καθορίζει την απόδοση της ανεµογεννήτριας συναρτήσει της ταχύτητας του ανέµου και είναι διαφορετική για κάθε Α/Γ. Μια τυπική καµπύλη ισχύος ανεµογεννήτριας 600 kw ανικής κατασκευής φαίνεται στο σχήµα 8.3. Σχήµα 8.3. Καµπύλη ισχύος Α/Γ [πηγή:3] Για τον προσδιορισµό της µέσης ετήσιας ισχύς (σύµφωνα µε την µέθοδο Cliff) πρέπει να πολλαπλασιαστούν οι αντίστοιχες τιµές των σχηµάτων 8.1 και 8.3 που ισχύουν για κάθε ταχύτητα ανέµου και αθροιστούν τα γινόµενα. ηλαδή µε το πολλαπλασιασµό της πιθανότητας εµφάνισης µιας ταχύτητας ανέµου (σχήµα 8.1) µε την ισχύ που αποδίδει η ανε- µογεννήτρια σε αυτή την ταχύτητα (σχήµα 8.3) προσδιορίζεται η συνεισφορά της κάθε ταχύτητας του ανέµου στην µέση ετήσια ισχύ της ανεµογεννήτριας. Στην συνέχεια το ά- θροισµα αυτών των γινοµένων (µέση ετήσια ισχύς) πολλαπλασιάζεται µε την διαθεσιµότητα της ανεµογεννήτριας και µε τις 8760 ώρες του έτους. Η διαθεσιµότητα των σύγχρονων Α/Γ είναι τουλάχιστον 98%. Επιπλέον πρέπει να λάβουµε υπόψη την µέση θερ- µοκρασία της περιοχής που εξετάζουµε διότι κάθε καµπύλη ισχύος Α/Γ έχει υπολογιστεί για 15ºC. Μια αύξηση της θερµοκρασίας θα οδηγούσε σε µείωση της πυκνότητας του αέρα άρα και της ισχύος της Α/Γ διότι τότε µετατοπίζεται η καµπύλη 8.3 προς τα κάτω σύµφωνα µε τη σχέση ισχύος της Α/Γ: P =0,5 p u 3 Α C f σχέση (8.3) [πηγή:6], όπου - C f ένας συντελεστής άνωσης (χαρακτηριστικός για κάθε Α/Γ) - τα υπόλοιπα µεγέθη όπως στην σχέση 8.2

6 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Το διάγραµµα 8.3 είναι δεδοµένο από τον κατασκευαστή. Από την σχέση 8.3 ή το σχήµα 8.3 φαίνεται ότι είναι πολύ σηµαντικό να γνωρίζουµε µε µεγάλη ακρίβεια την ταχύτητα του ανέµου στην περιοχή εγκατάστασης των Α/Γ. Επιπλέον είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η µέση ετήσια παραγόµενη ενέργεια µιας Α/Γ συναρτήσει της µέσης ταχύτητας του ανέµου για διάφορες τιµές της παραµέτρου µορφής. Η καµπύλη αυτή εξάγεται µε βάση την µέθοδο Cliff και συνήθως δίνεται µαζί µε τα υπόλοιπα τεχνικά χαρακτηριστικά της Α/Γ. Σχήµα 8.4. Βαθµός απόδοσης Α/Γ [πηγή:3] 8.2. Βασικά χαρακτηριστικά Α/Γ Για να προσδιοριστεί ο βαθµός απόδοσης µιας Α/Γ συναρτήσει της ταχύτητας του ανέ- µου, πρέπει να διαιρεθεί κάθε ισχύ της αντίστοιχης καµπύλης 8.3 µε την θεωρητική ισχύ του ανέµου σε αυτή την ταχύτητα (σχέση 8.2). Έτσι προκύπτει ο βαθµός απόδοσης του σχήµατος 8.4. Ένα άλλο χαρακτηριστικό µέγεθος µιας Α/Γ που εξαρτάται από την κατανοµή της ταχύτητας του ανέµου κατά την διάρκεια του έτους, τον τόπο εγκατάστασης της Α/Γ και τα τεχνικά χαρακτηριστικά της Α/Γ είναι ο συντελεστής εκµετάλλευσής της. Ο συντελεστής αυτός εκφράζει το λόγο της ετήσιας παραγόµενης ενέργειας προς αυτήν που θα παράγονταν αν η Α/Γ λειτουργούσε στην ονοµαστική ισχύ της συνεχώς κατά την διάρκεια του έ- τους. Ο συντελεστής εκµετάλλευσης εκφράζει πόσο αξιοποιείται η Α/Γ στον τόπο εγκατάστασης της. Είναι προφανές ότι κάθε ανεµογεννήτρια µπορεί να είναι βελτιστοποιηµένη ώστε να αποδίδει καλύτερα σε ένα εύρος ταχυτήτων. Μεταβάλλοντας µεγέθη όπως: το ύψος της Α/Γ ή την γωνία και τη γεωµετρία των πτερυγίων ή το µέγεθος των πτερυγίων ή το µέγεθος της γεννήτριας µεταβάλλεται η ενεργειακή συµπεριφορά της. Αλλάζοντας τα δυο τελευταία µεγέθη µεταβάλλεται η καµπύλη ισχύος της Α/Γ ενώ το ύψος της Α/Γ επηρεάζει µόνο την ταχύτητα του ανέµου. Γενικά οι Α/Γ πρέπει να έχουν τον µεγαλύτερο βαθµό απόδο-

7 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας σης στις ταχύτητες ανέµου που παράγεται η περισσότερη ενέργεια ετησίως (δηλ στο εύρος των συχνότερων υψηλών ταχυτήτων). Για δεδοµένο µέγεθος έλικα, όσο πιο µεγάλη είναι η γεννήτρια και όσο µεγαλύτερες οι ταχύτητες του ανέµου (αυτό επιτυγχάνεται αυξάνοντας το ύψος του ρότορα), τόσο πιο πολύ ενέργεια θα παράγεται, όµως συγχρόνως δεν θα αποδίδει ικανοποιητικά σε µικρές και µέσες ταχύτητες. Αντίθετα για την ίδια έλικα, όσο µικρότερη είναι η γεννήτρια τόσο καλύτερα θα αποδίδει σε αδύναµους ανέµους αλλά δεν θα αποδίδει ικανοποιητικά σε µεγάλες ταχύτητες. Οι µικρές Α/Γ παράγουν µικρά ποσά Η/Ε, όµως δεν απαιτούν ισχυρό δίκτυο Η/Ε, παράγουν σχετικά πιο σταθερή ισχύ (διότι αποδίδουν καλύτερα σε µικρότερες ταχύτητες), απαιτούν µικρότερο κόστος θεµελίωσης και είναι αισθητικά πιο αποδεκτές από τους κατοίκους. Τέλος τα αιολικά πάρκα (Α/Π) είναι προφανώς πιο αξιόπιστα όταν έχουν πολλές µικρές Α/Γ. Με βάση τα παραπάνω φαίνεται ότι µια µεγάλη Α/Γ δεν είναι πάντα η καλύτερη λύση λόγω της οικονοµίας κλίµακας, αλλά εξαρτάται από την ταχύτητα των α- νέµων και τις ανάγκες µας σε Η/Ε. [πηγή:3] Τέλος πρέπει να αναφερθεί ότι οι Α/Γ παραλαµβάνουν περίπου µέσα σε 2-3 µήνες λειτουργίας όλη την ενέργεια που απαιτήθηκε για να κατασκευαστούν, ενώ οι παραθαλάσσιες Α/Γ απαιτούν ακόµα λιγότερο χρόνο. [πηγή:3] Πίνακας 8.3. Α/Π στην Ελλάδα (στοιχεία 1998) [πηγή:7] Στο τέλος του 2000 έχουν προστεθεί περίπου 120 MW στο δυναµικό αυτό Το Πραγµατικό Αξιοποιήσιµο Αιολικό δυναµικό Πρέπει να αναφέρουµε ότι πέρα από τον παραπάνω θεωρητικό προσδιορισµό του αξιοποιήσιµου αιολικού δυναµικού είναι πολύ χρήσιµο να εξετάσουµε πως αποδίδει ένα ήδη εγκατεστηµένο αιολικό πάρκο ή µια ανεµογεννήτρια στην περιοχή που µας ενδιαφέρει. Το δυναµικό των Α/Γ σε µια περιοχή µπορεί να εκτιµηθεί χονδρικά µελετώντας την από-

8 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας δοση των εγκατεστηµένων Α/Γ σε περιοχές µε την ίδια µορφολογία και τα ίδια µετεωρολογικά στοιχεία µε την εξεταζόµενη. υστυχώς ο ακριβής θεωρητικός υπολογισµός του δυναµικού των Α/Γ επηρεάζεται από όλες εκείνες τις παραµέτρους που αναφέρθηκαν και οι οποίες πρέπει να είναι µετρηµένες µε ακρίβεια σε τοπικό επίπεδο κατά την διάρκεια του έτους (π.χ γνώση µε ακρίβεια της ταχύτητας του ανέµου σε ωριαία ή ηµερήσια βάση). Στον πίνακα 8.3 φαίνονται συνοπτικά οι περιοχές στις οποίες είναι εγκατεστηµένες Α/Γ στον Ελλαδικό χώρο και η απόδοση τους. Μετά τον υπολογισµό του τεχνικά αξιοποιήσιµου αιολικού δυναµικού λαµβάνονται υπόψη κάποιες απώλειες της τάξεως του 10-15%. Αυτές οι απώλειες οφείλονται στην σκίαση των Α/Γ µεταξύ τους, σε επικαθίσεις σκόνης και αλάτων στα πτερύγια, στην διαθεσιµότητα του δικτύου, στις µικρές απώλειες µεταφοράς κλπ. Είναι πιθανό, λόγω των τοπικών ιδιαιτεροτήτων, να υπάρξει κάποια µικρή διαφορά ανάµεσα στα αποτελέσµατα των υπολογισµών και στην πραγµατικά παραγόµενη ενέργεια. Η κύρια παράµετρος που καθορίζει το αιολικό δυναµικό είναι η κατανοµή της ταχύτητας του ανέµου. Η µάρκα και ο τύπος της ανεµογεννήτριας της ίδιας ισχύος οδηγούν σε διαφορές της παραγόµενης Η/Ε το πολύ κατά ποσοστό 10%. Συγχρόνως, αν µορφολογία της περιοχής εγκατάστασης των Α/Γ είναι ήπια, τότε η ταχύτητα αυξάνεται ελάχιστα µε το ύψος. Ένας επιπλέον παράγοντάς που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι η διακύµανση της ζήτησης Η/Ε. Σε πολλές περιπτώσεις µπορεί να παράγεται περισσότερη Η/Ε από την απαιτούµενη οπότε η πλεονάζουσα θα πρέπει να αποθηκεύεται σε κάποιες άλλες εγκαταστάσεις ή να αξιοποιείται µε κάποιον τρόπο (π.χ αφαλάτωση νερού) ή να γειώνεται. Έτσι, επιβάλλεται να συγκρίνουµε την ζήτηση Η/Ε κάθε χρονικής περιόδου κατά την διάρκεια του χρόνου µε την προβλεπόµενη παραγωγή. Με αυτή την σύγκριση ελέγχουµε κατά πόσο συµπίπτει η παραγωγή µε την ζήτηση. Συµφωνα µε τον νόµο 2244/94, το ανώτερο όριο παραγωγής Η/Ε µε χρήση ΑΠΕ σε ένα αυτόνοµο δίκτυο είναι ίσο µε 30% του µέγιστου φορτίου του. Αυτός ο νόµος θεσπίστηκε µε σκοπό την προστασία της ευστάθειας του δικτύου από τις διακυµάνσεις ισχύος των Α/Γ λόγω της µεταβολής της ταχύτητας των ανέµων. Συγχρόνως ο ίδιος ο νόµος περιορίζει τον ανταγωνισµό έναντι της ΕΗ (µέχρι τις αρχές του 2001) από ιδιωτικές επιχειρήσεις που ενδιαφέρονται να παράγουν Η/Ε µε αξιοποίηση ΑΠΕ. Η ζήτηση Η/Ε το καλοκαίρι είναι γενικά αυξηµένη στα νησιά (λόγω του τουρισµού και των συνηθειών), ενώ συγχρόνως πνέουν ιδιαίτερα ισχυροί άνεµοι. Έτσι, η εποχιακή διακύµανση της παραγόµενης ισχύς συµπίπτει σηµαντικά µε την διακύµανση της ζήτησης. [πηγή:2]. Η εγκατάσταση Α/Γ δεν µπορεί να οδηγήσει σε ολοκληρωτική διείσδυση των ΑΠΕ στην παραγωγή Η/Ε. Αν έχουµε εξαντλήσει το 30% διείσδυσης που επιτρέπει ο νόµος τότε πιθανόν κάποια χρονικά διαστήµατα ένα τµήµα των Α/Π θα είναι εκτός λειτουργίας γιατί θα υπερκαλύπτεται η ζήτηση, οπότε λόγω της µεταβολής της ζήτησης δεν είναι σκόπιµη ούτε εφικτή η κατασκευή Α/Π πάνω από µια ορισµένη ισχύ. Επιπρόσθετα, σε µκρότερα συστήµατα, όπως είναι τα νησιωτικά, προκύπτουν και προβλήµατα σταθερότητας και ασφαλείας του δικτύου.

9 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Τεχνικά αξιοποιήσιµο αιολικό δυναµικό Θα αποτελούσε παράλειψη να µην αναφέρουµε κάποια αποτελέσµατα από υπάρχουσες έρευνες πάνω στο προσδιορισµό του τεχνικά αξιοποιήσιµου αιολικού δυναµικού στα νησιά του Αιγαίου. Έτσι από την έρευνα «Αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας στα νησιά του νοτίου Αιγαίου» του Υπουργέιου Ανάπτυξης, προκύπτουν ο πίνακας 8.4 και το σχήµα 8.5. Σε αυτήν την έρευνα έχουν εξεταστεί 3 εναλλακτικά σενάρια εγκατάστασης Α/Π: µε Α/Γ 300 kw που αποτελούν χαρακτηριστικό µέγεθος Α/Γ της προηγούµενης γενιάς, µε Α/Γ 600 kw που είναι οι πιο αντιπροσωπευτικές της τωρινής αιολικής τεχνολογίας και µε Α/Γ των 1500 kw που θα αποτελέσουν σύντοµα το συνηθισµένο µέγεθος Α/Γ. Επιπλέον η µέση απόδοση για κάθε Α/Γ που προέκυψε ως µέσος όρος των αποδόσεων των Α/Γ διαφόρων κατασκευαστών και η παράµετρος µορφής της κατανοµής Weibull θεωρήθηκε ίση µε Με βάση τα στοιχεία του πίνακα 8.2 και το σχήµα 8.5 µπορούµε να κάνουµε µια αρχική εκτίµηση του τεχνικά εκµεταλλεύσιµου αιολικού δυναµικού σε οποιαδήποτε περιοχή της Ευρώπης. Ένας εναλλακτικός και συντοµότερος τρόπος υπολογισµού του αιολικού δυναµικό Α/Γ είναι η χρήση του Power calculator. Το Power Calculator είναι µια εφαρµογή, γραµµένη σε γλώσσα JAVA µε σκοπό τον ακριβή υπολογισµό του αιολικού δυναµικού και µπορεί να βρεθεί στην ιστοσελίδα «Danish Wind Turbine Manufacturers Association web site Μέση ταχύτητα ανέµου (m/s) Πίνακας 8.4. Μέση Ετήσια παραγωγή Η/Ε [πηγή:2] Α/Γ 300 kw (µέσο ύψος ά- ξονα 40m), σε MWh Α/Γ 600kW (µέσο ύψος άξονα 50m), σε MWh Α/Γ 1500kW (µέσο ύψος ά- ξονα 65m), σε MWh ,6 1504,3 5, ,6 1997, ,4 1164, ,5 824,5 1363,1 2963, ,8 1562,2 3436,3 7,5 1014,5 1741,1 3884, ,5 4332,9 8,5 1180,9 2089,7 4756, , ,3 9,5 1317,5 2396,7 5525, ,4 2531,5 5870,8 10,5 1427, , ,6 2748,5 6472,5 11,5 1514,7 2839,2 6727, , ,2 12, ,9

10 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Τεχνικά εκµεταλεύσιµο αιολικό δυναµικό Μέση ετήσια παραγόµενη ενέργεια (MWh) Μέση ετήσια ταχύτητα ανέµου [m/s] Α/Γ 300KW (µέσο ύψος άξονα 40m) Α/Γ 600KW (µέσο ύψος άξονα 50m) Α/Γ 1500KW (µέσο ύψος άξονα 65m) Σχήµα 8.5. Μέσο ετήσιο αιολικό δυναµικό συναρτήσει ταχύτητας ανέµου [πηγή:2] 8.5. Οικονοµική σκοπιµότητα εγκατάστασης και χρήσης Α/Γ Το κόστος µιας ανεµογεννήτριας διακρίνεται στο αρχικό κόστος απόκτησης, εγκατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης. Βέβαια υπάρχουν και άλλα δευτερεύοντα έξοδα όπως π.χ το κόστος ενοικίασης ή αγοράς της γης αλλά αυτά είναι σχετικά αµελητέα συγκρινό- µενα µε τα παραπάνω. Ο χρόνος λειτουργίας µιας Α/Γ εγκαταστηµένης στην ξηρά είναι περίπου 20 χρόνια και µπορεί να αυξηθεί αρκετά µε µερική αντικατάσταση κάποιων βασικών εξαρτηµάτων (π.χ αντικατάσταση της έλικας ή της γεννήτριας µε κόστος περίπου 20%-25% της Α/Γ). Οι παραλιακές Α/Γ έχουν µεγαλύτερη διάρκεια ζωής παρά την πιθανή επικάθιση αλάτων: η επίπεδη επιφάνεια της θάλασσας περιορίζει στροβιλισµούς και τις δίνες και έτσι οι φορτίσεις στην Α/Γ είναι µικρότερες. Έχει αποδειχτεί στην πράξη ότι οι σύγχρονες Α/Γ έχουν ένα ετήσιο κόστος συντήρησης περίπου 1,5-2% του αρχικού κόστους. Το συγκεκριµένο κόστος αυξάνεται στην περίπτωση των αποµονωµένων συστη- µάτων λόγω των αυξηµένων εξόδων µεταφοράς και της δυσκολίας προσπέλασης. Ακόµη, είναι χαρακτηριστικό ότι µια Α/Γ 600kW στοιχίζει περίπου 3 φορές όσο µία αντίστοιχη 150 kw. Εδώ φαίνεται η οικονοµία κλίµακας που συναντά κανείς σε Α/Γ πάνω από 150 kw (οι ανθρωποώρες που απαιτεί η κατασκευή µιας Α/Γ 600kW είναι περίπου ίδιες µε αυτές µιας 150 kw και συγχρόνως τα διάφορα βοηθητικά συστήµατα ασφάλειας και ελέγχου ισχύος δεν ακριβαίνουν σηµαντικά µε το µέγεθος). Το µέγεθος των πιο συνη-

11 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας θισµένων Α/Γ που πουλιούνται τα τελευταία χρόνια παγκοσµίως είναι της τάξης των kw µε αυξητικές τάσεις για πιο µεγάλες Α/Γ. Το µέσο συνολικό κόστος σύγχρονων και µεγάλων αιολικών πάρκων µε Α/Γ άνω των 300 kw είναι περίπου 1000 $/kw ενώ αυξάνεται όσο πιο µικρό είναι το πάρκο. Ένα µεγάλο Α/Π αποτελούµενο από Α/Γ 1.5 MW µπορεί να στοιχίζει µέχρι και 800 $/kw, αντίθετα η αγορά µιας µόνο Α/Γ 300 kw µπορεί να στοιχίσει περισσότερο από 1600 $/kw. Tα παραπάνω είναι γενικευµένες εκτιµήσεις που περιέχουν υποθέσεις για το ύψος των ανεµογεννητριών (αυξάνεται κατά περίπου 1000 $/m), για το κόστος ενίσχυσης του δικτύου Η/Ε που θα δεχτεί την ισχύ των Α/Γ, για το κόστος της θεµελίωσης τους και για το κόστος µεταφοράς τους. Πέρα από το κόστος της ανά kwh παραγόµενης ενέργειας, πρέπει να εξετάσουµε την βιωσιµότητα και την οικονοµική αποδοτικότητα της εγκατάστασης και λειτουργίας των Α/Γ. Αυτό µπορεί να γίνει µε την καθαρή παρούσα αξία (NPV), το εσωτερικό επιτοκίο απόδοσης (IRR), την έντοκη περίοδο αποπληρωµής (DPB) και το ολικό κόστος κύκλου ζωής (LCC). Για τον υπολογισµό όµως αυτών των µεγεθών πρέπει να έχουµε προσδιορίσει µε ακρίβεια τα διάφορα οικονοµικά αποτελέσµατα χρήσης κατά την διάρκεια ζωής της επένδυσης. Έτσι από την µέση ετήσια παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει αρχικά µελετώντας τις καµπύλες παραγωγής και ζήτησης ενέργειας να προσδιορίσουµε την µέση ετήσια πωλούµενη ενέργεια. Τα ετήσια έσοδα προσδιορίζονται λαµβάνοντας υπόψη την τιµή πώλησης της Η/Ε στο κοινό από την ΕΗ, τον πληθωρισµό και πιθανόν µια επιπλέον ετήσια αύξηση της τιµής της kwh. Μετά, προσδιορίζοντας τα ετήσια έξοδα (περίπου 2.5-3,5% το αρχικού κόστους εγκατάστασης), τις αποσβέσεις και τους φόρους καταλήγουµε στις καθαρές χρηµατοροές. Με την βοήθεια των καθαρών χρηµατοροών υπολογίζεται η καθαρή παρούσα αξία, η έντοκη περίοδος αποπληρωµής και το εσωτερικό επιτόκιο απόδοσης. Ο υπολογισµός του LCC γίνεται λαµβάνοντας υπόψη µόνο τις εκροές της επένδυσης. Η NPV προσδιορίζει την οικονοµική σκοπιµότητα και το IRR εκφράζει την οικονοµική αποδοτικότητα: n A i NPV= -Κ+ (1 P) i= 1 + i F (1+ p) + n - K είναι το αρχικό κόστος της επένδυσης - n η περίοδος ζωής της επένδυσης- - A i η αντίστοιχη ετήσια χρηµατοροή - p το πραγµατικό κόστος κεφαλαίου σχέση (8.4) και το IRR προκύπτει για NPV(p)=0 (8.5) [πηγή:2] - F η αποµένουσα αξία της επένδυσης µετά το τέλος του n έτους.

12 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Η DPB εκφράζει την οικονοµική ελκυστικότητα της επένδυσης και προκύπτει µε: NPV(n)=0 Με την παραδοχή ότι τα ετήσια καθαρά οφέλη αυξάνονται µόνο κατά τον πληθωρισµό προκύπτει: K ln(1 p ) DPB= F σχέση (8.6) [πηγή:2] ln(1 + d) Το ολικό κόστος κύκλου ζωής (LCC) εκφράζει το άθροισµα των παρουσιών αξιών των εκροών: n E LCC=k+ i= 1(1+ P) i i [πηγή:8] όπου: - Ε οι ετήσιες εκροές της επένδυσης. Για να προσδιορίσουµε το κόστος κάθε kwh για 20 χρόνια λειτουργίας, πρέπει να προσδιορίσουµε το ετήσιο κόστος του αρχικού κεφαλαίου και σε αυτό να προσθέσουµε το κόστος συντήρησης. Στην συνέχεια, διαιρούµε αυτό το άθροισµα µε την ετήσια παραγωγή Η/Ε: 1 G= (C R+C K) σχέση (8.8) [πηγή:6] όπου: E - G το συνολ. κόστος ανά kwh - Ε η µέση ετήσια πωλούµενη ενέργεια σε kwh - C το αρχικό κόστος - R ο ετήσιος συντελ. απόσβεσης αρχικού κόστους (ποσοστό τοκοχρεολυσίου επί του αρχικού κόστους) - Κ το ετήσιο ποσοστό του κόστους συντήρησης επί του αρχικού κόστους (δεχόµαστε πάνω από 2,5% για λόγους αβεβαιότητας). x Για το R ισχύει: R= 1 (1 + x) n - x το πραγµατικό κόστος κεφαλαίου - n ο χρόνος λειτουργίας (συνήθως χρόνια).

13 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των Α/Γ Πέρα από τα ενεργειακά και οικονοµικά χαρακτηριστικά των Α/Γ, πρέπει να αναφερθούµε και σε ορισµένα επιπλέον χαρακτηριστικά τους όπως: η ηχορύπανση, η αισθητική υποβάθµιση των περιοχών και η φιλικότητα προς το περιβάλλον. Τα τελευταία χρόνια τα διάφορα εξαρτήµατα των Α/Γ σχεδιάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώ- στε να παράγουν όσο το δυνατόν λιγότερο θόρυβο. Ο θόρυβος ως γνωστόν ελαττώνεται εκθετικά µε την απόσταση. Έτσι σε απόσταση µερικών διαµέτρων του στροφέα της Α/Γ, ο θόρυβος πλέον καλύπτεται από του υπόλοιπους ήχους του περιβάλλοντος. Για να αντιληφθούµε πόσο ασήµαντο είναι το πρόβληµα του θορύβου των Α/Γ αρκεί να εξετάσουµε το σχήµα 8.6 όπου κάθε τετράγωνο αντιπροσωπεύει περιοχή 43 m x 43 m (διάµετρος στροφέα µιας τυπικής Α/Γ 600 kw). Kάθε φορά που διπλασιάζεται η απόσταση από µια Α/Γ, µειώνεται ο θόρυβος κατά 6 db δηλαδή ακούγεται 2 φορές πιο σιγά. Η ύπαρξη πολλών Α/Γ θα οδηγούσε σε πολύ µικρή αύξηση του θορύβου (2 ίδιες Α/Γ παράγουν 3 db περισσότερο θόρυβο, 4 ίδιες Α/Γ 6 db, 10 ίδιες Α/Γ 10 db περισσότερο θόρυβο). Γενικά ο πιο εύκολος υπολογισµός του θορύβου Α/Γ γίνεται µε βάση τα στοιχεία του κατασκευαστή της Α/Γ, την απόσταση και το είδος του περιβάλλοντος της Α/Γ παρά µε την πειραµατική µέτρηση του θορύβου. Αυτό ισχύει διότι για να µετρηθεί σωστά ο θόρυβος της Α/Γ πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 db δυνατότερος από τους υπόλοιπους ήχους του περιβάλλοντος. Συνήθως σε αποστάσεις 300 m ο θόρυβος µιας υψηλής ποιότητας Α/Γ είναι µικρότερος από 45 db (όσο ένα ψιθύρισµα). [πηγή:3] Οι εγκαταστηµένες Α/Γ αποτελούν ιδιαίτερα ορατά στοιχεία του περιβάλλοντος διότι διαφορετικά δεν θα ήταν σωστά εγκαταστηµένες. Η αισθητική επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τις Α/Γ είναι ένα ιδιαίτερα υποκειµενικό ζήτηµα. Έτσι για παράδειγµα υπάρχουν Α/Π τα οποία κατά γενική οµολογία ταιριάζουν µε το γύρω περιβάλλον (στο σχήµα 8.7 η µορφολογία της ακτής ταιριάζει µε την κατανοµή των Α/Γ). Σε άλλες περιπτώσεις όµως µια µεµονωµένη Α/Γ δεν ταιριάζει και φαίνεται ακαλαίσθητα (π.χ στο σχήµα 8.7 η µεµονωµένη Α/Γ δίπλα στην φάρµα). Πέρα από την θέση και την κατανοµή των Α/Γ, ση- µαντικό ρόλο από αισθητική σκοπιά παίζουν το µέγεθος τους, ο τύπος τους, το χρώµα τους και ο αριθµός ελίκων. Ορισµένα γκάλοπ που διεξήχθησαν στην Αγγλία σε περιοχή πριν την εγκατάσταση Α/Γ έδειξαν ότι το 17% των ερωτηθέντων κρίνει θετικά την ύπαρξη των Α/Γ, 32% αρνητικά και 51% δεν ήταν σίγουροι. Μετά την εγκατάσταση των Α/Γ στην ίδια περιοχή, το 85% έκριναν θετικά την ιδέα των Α/Π, το 11% δεν ήταν σίγουροι και µόνο το 4% διαφωνούσαν µε την εγκατάσταση. Ακόµα είναι προφανές ότι η συντριπτική πλειοψηφία του πληθυσµού ανεξαρτήτως περιοχής προτιµά την παραγωγή Η/Ε µε Α/Π παρά µε συµβατικές µεθόδους. Τα θερµοηλεκτρικά και πυρηνικά εργοστάσια κατά γενική οµολογία προκαλούν κατα κανόνα µεγαλύτερες αντιδράσεις από τους κατοίκους. [πηγή:6] Επιπλέον προβλήµατα όπως οι ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές και ο κίνδυνος να σκοτωθούν πουλιά από τις έλικες των Α/Γ είναι ιδιαίτερα ασήµαντα: Οι ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές αντιµετωπίζονται επιτυχώς µε κατάλληλη τοποθέτηση των ποµπών και των

14 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Α/Γ, µε κατάλληλη επιλογή των υλικών των ελίκων, µε κατάλληλο σχήµα των πύργων των Α/Γ κτλ. Συγχρόνως, διάφορες έρευνες δείχνουν ότι τα πουλιά αντιλαµβάνονται την ύπαρξη των Α/Γ και αλλάζουν κατεύθυνση µέτρα πιο µπροστά από την έλικα. Τέλος, έχει αποδειχτεί ότι όταν εγκαθίστανται Α/Γ κοντά σε φωλιές πουλιών αυτά δεν α- ποδηµούν από τις φωλιές τους. [πηγή:3] Σχήµα 8.6. H µεταβολή του θορύβου Α/Γ συναρτήσει της απόστασης από αυτήν [πηγή:3] Σχήµα 8.7. Η αισθητική υποβάθµιση (?) µε την εγκατάσταση Α/Γ

15 Κεφ. 8. Συστήµατα αξιοποίησης αιολικής ενέργειας Αναφορά σε εναλλακτικά σενάρια διείσδυσης της αιολικής ενέργειας σε µικρά αποµονωµένα συστήµατα Πολλές φορές η παραγωγή ενέργειας µε Α/Γ δεν συµπίπτει µε την ζήτηση µε αποτέλεσµα τον χαµηλό βαθµό διείσδυσης της αιολικής ενέργειας. Το πρόβληµα αυτό λύνεται µε την παράλληλη λειτουργία των Α/Γ µε τους ήδη υπάρχοντες αυτόνοµους πετρελαϊκούς σταθ- µούς (ΑΠΣ). Οι Α/Γ πρέπει πάντα να συνδυάζονται µε κάποιο συµβατικό σύστηµα παραγωγής Η/Ε π.χ µε ΑΠΣ για να µην υπάρχει κίνδυνος διακοπής της ηλεκτροδότησης. Όταν το φορτίο του νησιού είναι µικρότερο ή ίσο µε την ενέργεια που παράγεται από τις Α/Γ, τότε είναι περιττή η παράλληλη λειτουργία των ΑΠΣ. Έτσι η διείσδυση αιολικής ενέργειας είναι α- ξιόλογη. Όταν οι ενεργειακές απαιτήσεις είναι υψηλές τότε ο ΑΠΣ λειτουργεί παράλληλα µε τις Α/Γ για να καλυφθεί το φορτίο αιχµής και να βελτιωθεί η ευστάθεια του δικτύου. Έτσι για παράδειγµα στην Κύθνο η χρήση ενός υβριδικού συστήµατος Α/Γ-Φ/Β σταθµού - µπαταριών και ΑΠΣ οδηγεί στην αύξηση της διείσδυσης των ΑΠΕ σε 60% (κατά µέσο όρο) από 10% που ήταν αρχικά. Πριν την εγκατάσταση των συσσωρευτών, όταν το φορτίο ήταν χαµηλό, οι χειριστές του σταθµού αναγκάζονταν να θέσουν εκτός λειτουργίας 2-3 Α/Γ ή και όλες για να διατηρηθεί η ευστάθεια του δικτύου. [πηγή:9] Βιβλιογραφικές αναφορές [1] Άγις Μ. Παπαδόπουλος, Χ. Κορωναίος, Ν. Μουσιόπουλος «Βελτιστοποίηση συστηµάτων ΑΠΕ σε νησιά µε δεδοµένους γεωµορφολογικούς & οικονοµικούς περιορισµούς» 6 ο Εθνικό συνέδριο για τις ήπιες µορφές ενέργειας. Β τόµος σ [2] ηµήτριος Νοµίδης «Αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας στα νησιά του νοτίου Αιγαίου» ελτίο Π.Σ..Μ.- Η Νοέµβριος , 72, 74, 76 & εκέµβριος 1999 σ [3] «Danish Wind Turbine Manufacturers Association web site» [4] Γεώργιος Τσιλιγκιρίδης «Το δυναµικό των εγχώριων ενεργειακών πόρων» 5 ο συνέδριο για τις ήπιες µορφές ενέργειας Γ τόµος (σελ.174, , ) [5] «Riso National Laboratory, Denmark Wind Energy and Atmospheric Physics Department» [6] Godfrey Boyle (Ed) «Renewable Energy: Power for a sustainable future» , 445, 300,101,103,104, ,95, ,286 [7] Μπέτζιος Γεώργιος «Εµπειρίες από την λειτουργία των συστηµάτων ΑΠΕ στην Ελλάδα» 6 ο Ε- θνικό συνέδριο για τις ήπιες µορφές ενέργειας Α τόµος 375 [8] Άγις. Μ. Παπαδόπουλος διδακτικές σηµειώσεις «Οικονοµική ανάλυση ενεργειακών συστηµάτων» [9] Μπέτζιος Γεώργιος «υνατότητες και προοπτικές αξιοποίησης των ΑΠΕ στα αυτόνοµα δίκτυα των νησιών αιγαίου», 6 ο Εθνικό συνέδριο για τις ήπιες µορφές ενέργειας 40,46 [15] «Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN) US Department of Energy» [17] James S. Cannon