ΕΠΟΠΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ, ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ ΣΤΑΘΜΟΥ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ. Θεσσαλονίκη

Transcript

1 ΕΠΟΠΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ, ΑΥΤΟΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΕΝΟΣ ΣΤΑΘΜΟΥ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Χ. Ζιώγου 1, Δ. Ιψάκης 1, Π. Σεφερλής 1,, Σ. Μπεζεργιάννη 1, Σ. Παπαδοπούλου 1,3, Σ. Βουτετάκης 1 1 Ινστιτούτο Χημικών Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων, Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης, Τ.Θ , 57001, Θέρμη, Θεσσαλονίκη Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 5414, Θεσσαλονίκη 3 Τμήμα Αυτοματισμού, Αλεξάνδρειο ΤΕΙ Θεσσαλονίκης, Τ.Θ. 141, 57400, Θεσσαλονίκη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να παρουσιάσει την αυτοματοποιημένη λειτουργία ενός αυτόνομου σταθμού παραγωγής ανανεώσιμου υδρογόνου που βρίσκεται στο Ινστιτούτο Διεργασιών και Ενεργειακών Πόρων (ΙΔΕΠ) του Εθνικού Κέντρου Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (ΕΚΕΤΑ). Το υδρογόνο παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης νερού και αποθηκεύεται σε φιάλες υψηλής πίεσης. Η απαιτούμενη, για την παραγωγή υδρογόνου, ενέργεια παρέχεται από μία συστοιχία συσσωρευτών μολύβδου-οξέος που φορτίζονται από μια συστοιχία φωτοβολταϊκών πάνελ και η ροή της ενέργειας ελέγχεται από ένα έξυπνο μικροδίκτυο. Όσον αφορά τη συνολική παρακολούθηση του σταθμού, αυτή γίνεται από απόσταση και η αυτοματοποίηση του σταθμού βασίζεται σε ένα σύστημα εποπτικού ελέγχου και ανάκτησης δεδομένων. Οι απαραίτητες αποφάσεις για τη διαχείριση της ενέργειας βασίζονται σε μια στρατηγική ελέγχου που περιγράφεται από μία μηχανή πεπερασμένων καταστάσεων (finite state machine - FSM). Οι παράμετροι της στρατηγικής ελέγχου προσδιορίζονται μέσω βελτιστοποίησης που βασίζεται σε μαθηματικά μοντέλα πειραματικά πιστοποιημένα για το συγκεκριμένο σταθμό ενώ η λειτουργία του σταθμού αποτιμάται σε όρους απόδοσης του παραγόμενου υδρογόνου. Τέλος στο σύστημα εφαρμόζεται μια πολιτική εξοικονόμησης ενέργειας που υλοποιείται μέσω απλών δράσεων, που σχετίζονται με τα υποσυστήματα του σταθμού και διερευνάται η επίδραση των δράσεων αυτών στην μακρόχρονη παραγωγή του υδρογόνου αλλά και στην αυτονομία του σταθμού. Συνολικά τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν τις δυνατότητες του σταθμού και παρουσιάζουν τη συνέργεια μεταξύ των ετερογενών υποσυστημάτων. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Όπως έχει γίνει ευρέως γνωστό τα τελευταία χρόνια, η προστασία του περιβάλλοντος σε συνδυασμό με τη διατήρηση των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων απαιτεί μία συνδυαστική λύση με στόχο το χαμηλό αποτύπωμα άνθρακα. Πρωταρχική βάση σε μία τέτοια προσπάθεια αποτελεί η αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως είναι η ηλιακή και αιολική ενέργεια [1]. Παρόλο όμως που διάφορες τεχνολογίες είναι διαθέσιμες, εντούτοις σημαντικά προβλήματα μεταξύ αξιοποίησης ενέργειας, αποθήκευσης και εκ νέου απόδοσης της με διάφορους τρόπους απαιτούν μία συνδυαστική λύση και διαμορφώνουν ένα εξελισσόμενο αντικείμενο έρευνας σχετικά με την αποδοτική λειτουργία αυτόνομων συστημάτων []. Η χρησιμοποίηση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας για την κάλυψη βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων απαιτήσεων μπορεί να συμβάλει αποτελεσματικά στην πραγματοποίηση των παραπάνωlλειτουργικών στόχων και [3]. εφόσον αξιοποιηθεί κατάλληλα η περίσσεια ενέργειας που υπάρχει σε κάθε σύστημα. Ειδικότερα δε, όταν το υδρογόνο παράγεται από

2 ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η απόδοση των αυτόνομων συστημάτων μπορεί να αυξηθεί σημαντικά [4]. Ο στόχος της εργασίας είναι η παρουσίαση της λειτουργικής συμπεριφοράς ενός αυτόνομου σταθμού παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης από την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας φωτοβολταϊκών στοιχείων. Συγκεκριμένα, μελετάται η επίδραση των αποφάσεων και αλλαγών που επιβάλλονται από το σύστημα ελέγχου σε σχέση με τη λειτουργία ή την απενεργοποίηση των υποσυστημάτων για συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και την αυτονομία του συστήματος. Το παραγόμενο υδρογόνο που προκύπτει, αξιοποιείται για τη μετατροπή τηγανελαίων σε βιοκαύσιμα ης γενιάς μέσω καταλυτικής υδρογονοεπεξεργασίας [5] αλλά και σε συστήματα κυψελών καυσίμου. ΑΥΤΟΝΟΜΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΜΕΣΩ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το αυτόνομο σύστημα παραγωγής υδρογόνου αποτελείται από διάφορα υποσυστήματα τα οποία διασυνδέονται και αλληλεπιδρούν. Το φωτοβολταϊκό (photovoltaic - PV) υποσύστημα αποτελείται από πάνελ συνολικής ισχύος 10kW p και η παραγόμενη ισχύς αποδίδεται σε μονάδα ηλεκτρόλυσης νερού 7.5kW p (μέγιστη πίεση εξόδου στα 7bar). Υπάρχει επίσης το υποσύστημα αφύγρανσης του παραγόμενου ρεύματος υδρογόνου πριν την αποθήκευση λόγω της υγρασίας που εγγενώς φέρει. Η αποθήκευση του υδρογόνου γίνεται σε φιάλες υψηλής πίεσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται συμπιεστής μεταξύ δύο συστοιχιών φιαλών (χαμηλής/υψηλής πίεσης) που συμπιέζει το αρχικά παραγόμενο υδρογόνο από τα 4bar στα 180bar. Λόγω της ύπαρξης διαρκώς μεταβαλλόμενων καιρικών συνθηκών χρησιμοποιείται ένα υποσύστημα συσσωρευτών μολύβδου-οξέος (1000Ah/4V) για την κάλυψη των άμεσων ενεργειακών απαιτήσεων. Το σχήμα 1 παρουσιάζει τα υποσυστήματα και τις συνδέσεις του αυτόνομου σταθμού [6]. PV Array 10kW p Συσκευή Ηλεκτρόλυσης PEM 7.5kW p Σύστημα Καθαρισμού Νερού Συσσωρευτές Μολύβδου-Οξέος x 500Ah AC-BUS BAR Συμπιεστής Χαμηλής Πίεσης H 100lt / 7bar Υψηλής Πίεσης H 100lt / 00bar Σχήμα 1. Συνδέσεις υποσυστημάτων παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλιακής ενέργειας ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ Για την αποδοτική διαχείριση της ενέργειας και τον έλεγχο των υποσυστημάτων, ένα έξυπνο μικροδίκτυο παρέχει τις απαραίτητες αποφάσεις και υλοποιείται μέσω ενός AC ζυγού. Η τοπολογία του συστήματος συμπληρώνεται από αντιστροφείς και φορτιστές ώστε η DC ισχύς των φωτοβολταϊκών και των συσσωρευτών να μετατρέπεται κατάλληλα. Συγκεκριμένα, η

3 DC ισχύς που παράγεται από τα PV τροφοδοτείται σε 3 μονοφασικούς αντιστροφείς τύπου SMA SB 3300TL που αποτελούν τον κύριο AC ζυγό του σταθμού. Οι συσσωρευτές συνολικής χωρητικότητας 1000Ah στα 4V συνδέονται στο σύστημα μέσω 3 φορτιστών/αντιστροφέων τύπου SMA SI 334. Κάθε φορτιστής/αντιστροφέας, συνδέεται στην έξοδο του σε μία φάση του AC μικροδικτύου. Η βασική πρόκληση που καλείται να αντιμετωπίσει το σύστημα αυτοματισμού και ελέγχου είναι να εξασφαλίσει ότι η ισχύς θα είναι διαθέσιμη όποτε χρειαστεί (για φόρτιση ή παραγωγή υδρογόνου) ανεξαρτήτως των καιρικών συνθηκών. Παράλληλα, βασικός στόχος του συστήματος αποτελεί η μείωση των απωλειών ισχύος για τα επιμέρους υποσυστήματα σε συνδυασμό με τη μεγιστοποίηση της παραγωγής του υδρογόνου. Κάθε υποσύστημα αποτελείται από διάφορες συσκευές που επικοινωνούν με διαφορετικού τύπου πρωτόκολλα (CANbus, Profibus, RS485, RS3C, TCP/IP), πράγμα που καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Γενικά η απαίτηση για ανάκτηση των δεδομένων από τα υποσυστήματα και η διαχείριση της πληροφορίας, σύμφωνα με τις προδιαγραφές των επιμέρους διατάξεων προϋποθέτει τη χρήση ενός ευέλικτου και παραμετροποιήσιμου συστήματος αυτοματισμού [4,6] και γι αυτό το λόγο η στρατηγική ελέγχου και η εποπτεία του συστήματος στηρίζεται σε ένα σύστημα Εποπτικού Ελέγχου και Ανάκτησης Δεδομένων (Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA). Το SCADA σύστημα επικοινωνεί με όλες τις επιμέρους διατάξεις, τους αισθητήρες και τα στοιχεία ελέγχου, ώστε να συγκεντρώνει τις απαραίτητες μετρήσεις και να στέλνει τις αντίστοιχες εντολές. Η αρχιτεκτονική του αυτοματισμού διαιρείται σε τρία επίπεδα, τα οποία επιτρέπουν τη μετατροπή των πρωτογενών δεδομένων των συσκευών σε ένα σύνολο από χρήσιμα για το σύστημα ελέγχου δεδομένα και τελικά σε πληροφορία. Τα επίπεδα αυτά περιλαμβάνουν: α) την ανάκτηση σημάτων από το πεδίο εισόδων/εξόδων του σταθμού, β) τη μετάφραση των δεδομένων σε μορφή συμβατή με το βιομηχανικό πρωτόκολλο επικοινωνίας OPC, γ) την οργάνωση των δεδομένων στη βάση δεδομένων του SCADA. ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΡΑΣΤΑΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΩΝ Η λειτουργία των διασυνδεδεμένων υποσυστημάτων εξασφαλίζεται μέσω μιας στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας (ΣΔΕ). Γενικά μία ΣΔΕ αποτελείται από ένα σύνολο κανόνων λειτουργίας που καθορίζουν το πότε και με ποιον τρόπο το σύστημα θα μεταφερθεί από μία κατάσταση σε μία άλλη, εξασφαλίζοντας παράλληλα την ικανοποίηση των φυσικών και λειτουργικών περιορισμών στους οποίους υπόκεινται τα υποσυστήματα. Ο βασικός σκοπός της ΣΔΕ είναι να διαχειριστεί τη λειτουργία του κάθε υποσυστήματος του σταθμού και αναπαριστάται μέσω μια Μηχανής Πεπερασμένων Καταστάσεων (Finite state machine, FSM). Η FSM αποτελεί μια δυναμικά μεταβαλλόμενη προσέγγιση που περιγράφει τη χρονική εξέλιξη ενός συνόλου συνεχών και διακριτών μεταβλητών. Γενικά η FSM M ορίζεται από μία πλειάδα (tuple) όρων ( Qq, 0,,,, ), όπου Q είναι το πεπερασμένο σύνολο των καταστάσεων, qo Q η αρχική κατάσταση, η κατάσταση ως συνάρτηση μεταφοράς, η συνάρτηση εξόδου, X το αλφάβητο εισόδου και Y το αλφάβητο εξόδου. Η FSM περιγράφει όλες τις πιθανές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί το σύστημα και τους λογικούς κανόνες που ενεργοποιούν τις μεταβάσεις μεταξύ των καταστάσεων (σχήμα ).

4 x9/y9 x1/y1 x5/y5 x/y q4 q0 q1 q x8/y8 x7/y7 x4/y4 x6/y6 q3 x3/y3 q0: Κατάσταση αναμονής q1: Προετοιμασία για παραγωγή H q: Παραγωγή H q3: Συμπίεση H q4: Χρήση βοηθητικής ισχύος για λειτουργία του συστήματος Σχήμα Μηχανή Πεπερασμένων Καταστάσεων (FSM) για την λειτουργία του αυτόνομου συστήματος Εάν το M δεχθεί ως είσοδο το x X, ενώ βρίσκεται στην κατάσταση q τότε η έξοδός του είναι y ( q, x) και μετακινείται στην κατάσταση q' ( q, x). Με αυτόν τον τρόπο ορίζεται η μετάβαση ( qq, ', x/ y ). Επομένως, η μετάβαση μεταξύ των καταστάσεων υλοποιείται σύμφωνα με ένα σύνολο κανόνων που καθορίζουν το αλφάβητο εισόδου (X) της FSM [6]. Πιο συγκεκριμένα, η συνάρτηση εξόδου (y=λ(q,x)) μπορεί να ενεργοποιήσει ή απενεργοποιήσει τη λειτουργία ενός υποσυστήματος (π.χ. μονάδα ηλεκτρόλυσης (EL), συμπιεστής (CP), σύστημα καθαρισμού νερού (WT)) σύμφωνα με τα επίπεδα ενέργειας που αφορούν το συσσωρευτή (ΒΑΤ) και τις φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου (χαμηλής πίεσης BF, υψηλής πίεσης FT). Το σύνολο των δράσεων καθορίζει το αλφάβητο εξόδου της FSM (Y) που συμπεριλαμβάνει όλες τις εφικτές δράσεις που πραγματοποιούνται στα υποσυστήματα του σταθμού. ΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΩΝ ΚΑΝΟΝΩΝ Οι λειτουργικοί κανόνες αναπαρίστανται με όρους προτασιακής λογικής (propositional-based logic approach). Η δομή των κανόνων είναι ένας συνδυασμός μεταξύ των λογικών τελεστών ( AND :^, OR :, NOT :!) και λογικών δύτιμων (β) μεταβλητών. Οι δύτιμες μεταβλητές συσχετίζονται με την κατάσταση κάθε συσκευής στο σταθμό. Με τον τρόπο αυτό προκύπτει ένα πλήρες σύνολο κανόνων που εξάγεται από τη λειτουργία των υποσυστημάτων λαμβάνοντας υπόψη και τους φυσικούς περιορισμούς που επιβάλλονται από τις συσκευές. Κάθε κανόνας σχετίζεται με μία μετάβαση. Πίνακας 1: Κατάσταση μεταβλητών που αφορούν την παραγωγή και αποθήκευση υδρογόνου Κατάσταση Μεταβλητής Περιγραφή [ WT 1] [ WTRes WTRe s, high] Η μεταβλητή WT είναι αληθής (=1) εάν και μόνον εάν (iff) η αντίσταση του νερού τροφοδοσίας είναι μεγαλύτερη/ίση από WT Re s, high (.ΜΩ) [ WT 0] [ WTRes WTRe s, low] Η μεταβλητή WT είναι ψευδής (=0) εάν και μόνον εάν η αντίσταση του νερού τροφοδοσίας είναι μικρότερη από WT Re s, low (.0ΜΩ) Κανόνας Λειτουργίας Περιγραφή x :! WT ELon Η αντίσταση νερού είναι σε επιθυμητά επίπεδα (>ΜΩ) και FT οι συσσωρευτές φορτίζονται έως του σημείου που η μονάδα ηλεκτρόλυσης επιτρέπεται να λειτουργήσει, ενώ η πίεση αποθήκευσης είναι μικρότερη του ανώτερου ορίου της (00bar)

5 ) που παρακολουθεί την x είναι υπεύθυνος για τη μετάβαση που ενεργοποιεί την παραγωγή υδρογόνου. Πρακτικά, όταν η συνθήκη που συνδέεται με τον κανόνα x ισχύει τότε το σύστημα πηγαίνει από την Στον πίνακα 1, παρουσιάζεται ως παράδειγμα η μεταβλητή ( WT ποιότητα νερού βάσει της μέτρησης της αγωγιμότητας του νερού, ενώ ο κανόνας κατάσταση q 1 στην q και η έξοδος y επιβάλει τις κατάλληλες εντολές για να ξεκινήσει να λειτουργεί η συσκευή ηλεκτρόλυσης. Με παρόμοιο τρόπο ορίζονται τα υπόλοιπα στοιχεία του συνόλου των δύτιμων μεταβλητών για τα υπόλοιπα υποσυστήματα (EL, BF,FT,CP). Σε αυτούς τους κανόνες υπάρχουν και κάποιες παράμετροι που συσχετίζονται με τα όρια λειτουργίας των υποσυστημάτων. Για παράδειγμα, το άνω και κάτω όριο λειτουργίας της συσκευής ηλεκτρόλυσης καθορίζεται από την κατάσταση φόρτισης του συσσωρευτή ( SOC el, on, SOC el, off ). Η βέλτιστη τιμή αυτών των μεταβλητών επηρεάζει την απόδοση και τη λειτουργία ολόκληρου του σταθμού. Γι αυτό και είναι σημαντικό να προσδιορίζονται οι βέλτιστες τιμές αυτών των παραμέτρων. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος σχεδιάζεται και αναπτύσσεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης που βασίζεται σε μαθηματικά μοντέλα των υποσυστημάτων. ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Εκτός των λογικών κανόνων και της στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας, η βέλτιστη λειτουργία του σταθμού κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική. Βάση προηγούμενων μελετών [4,6], προέκυψε πως κατά την ανάλυση ευαισθησίας οι παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή υδρογόνου και τη συνολική λειτουργία του σταθμού είναι τα όρια της κατάστασης φόρτισης ( SOCel, on, SOCel, off ) των συσσωρευτών, η μέγιστη ισχύς ( Pbat,max ) των συσσωρευτών που επιτρέπεται να αξιοποιηθεί στην συσκευή ηλεκτρόλυσης και η ελάχιστη ισχύς ( P el,min) όπου επιτρέπεται να λειτουργεί η μονάδα ηλεκτρόλυσης. Επομένως το πρόβλημα βελτιστοποίησης επιλύεται με σκοπό να προσδιορίσει τη βέλτιστη τιμή για κάθε μία από αυτές τις παραμέτρους [6]. Στη συνέχεια τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης καταχωρούνται ως μεταβλητές στο σύστημα SCADA και η συνολική λειτουργία καθορίζεται από την ΣΔΕ βάσει των προκαθορισμένων κανόνων λειτουργίας. Το επόμενο βήμα είναι η διερεύνηση της online λειτουργίας του σταθμού για διάφορες χρονικές περιόδους. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ Αρχικά παρουσιάζεται η λειτουργία του σταθμού για δύο τυπικές μέρες της χειμερινής και της θερινής περιόδου (ηλιόλουστες ημέρες). Από αυτές τις αντιπροσωπευτικές μέρες έχουμε μια εκτίμηση για το χειρότερο και καλύτερο σενάριο για την παραγωγή υδρογόνου. Σκοπός της ανάλυσης σε αυτό το σημείο, αποτελεί η διερεύνηση των δυνατοτήτων του σταθμού παραγωγής υδρογόνου υπό παρόμοιες συνθήκες αλλά σε διαφορετικές εποχές του χρόνου. Στην συνέχεια, αναλύεται ένα σενάριο εξοικονόμησης ενέργειας και αποτιμώνται τα πειραματικά αποτελέσματα που προκύπτουν. Επιπλέον παρατίθεται μια σύντομη μελέτη όπου αναλύονται τα οφέλη που προκύπτουν από τις δράσεις που στοχεύουν στην εξοικονόμηση της διαθέσιμης ενέργειας σε βάθος χρόνου. Παραγωγή Υδρογόνου Σε Ημερήσια Βάση Δύο αντιπροσωπευτικές μέρες (Ιούνιος 01, Ιανουάριος 013) επιλέγονται για την ανάλυση της συμπεριφοράς του σταθμού.. Οι βέλτιστες τιμές που προέκυψαν [6] από τη μελέτη για τη βελτιστοποίηση των τιμών των παραμέτρων της ΣΔΕ παρουσιάζονται στον πίνακα για την κάθε εποχή και εφαρμόζονται στο σύστημα SCADA.

6 Πίνακας : Επίπεδα λειτουργίας για ενεργοποίηση/απενεργοποίηση συσκευών κατά την παραγωγή υδρογόνου (μεταβλητή q ) Μεταβλητές Βελτιστοποίησης SOC el, on (%) SOC el, off (%) P bat,max (W) P el,min (W) Χειμερινή περίοδος 78 % 7 % 780 W 800 W Θερινή περίοδος 7 % 60 % 1000 W 800 W Ο σταθμός λειτουργεί αυτόματα χωρίς να είναι απαραίτητη η παρουσία κάποιου χειριστή μέσω του συστήματος SCADA. Η εποπτεία του σταθμού γίνεται από απόσταση και η δειγματοληψία είναι 1min. Η αποδοτικότητα του σταθμού αξιολογείται με βάση το παραγόμενο υδρογόνο και την απόδοση που υπολογίζεται από το λόγο της παρεχόμενης ενέργειας που δίνεται στο τροφοδοτικό της συσκευής ηλεκτρόλυσης προς την ενέργεια που καταναλώνει η συσκευή ηλεκτρόλυσης. PV Power (kw) El/zer Power (kw) June January Time of day (h) Time of day (h) Time of day (h) α) β) Σχήμα 3 α) Παραγωγή ενέργειας από τα φωτοβολταϊκά και ισχύς ηλεκτρόλυσης, β) Πίεση του αποθηκευμένου υδρογόνου H Pressure (bar) June January Συγκεκριμένα, το σχήμα 3α παρουσιάζει τη σύγκριση της παραγόμενης ισχύος για τις δύο μέρες (άνω σχήμα), καθώς και την αποδιδόμενη ισχύ στη συσκευή ηλεκτρόλυσης. Στο σχήμα 3β παρουσιάζεται η μεταβολή της πίεσης στη φιάλη. Παρατηρείται πως η παραγωγή υδρογόνου είναι παρόμοια στις δύο περιπτώσεις έως τις 15:00, αλλά στη συνεχεία η ισχύς των φωτοβολταϊκών μειώνεται και συνεπώς και η παραγωγή υδρογόνου κατά τον Ιανουάριο. Όσον αφορά στις ώρες λειτουργίας της ηλεκτρόλυσης παρατηρείται ότι τον Ιούλιο λειτουργεί 3.5 ώρες περισσότερο. Ο πίνακας 3 παρουσιάζει συνολικά τα αποτελέσματα της λειτουργίας. Πίνακας 3. Στατιστικά και συγκριτικά στοιχεία λειτουργίας Πίεση H Παραγόμενο H Μέση Παραγωγή Ώρες Λειτουργίας Μέση Απόδοση Ροής H Χειμερινή περίοδος 99 bar 8.5 Nm Nm 3 /h 5 h % (Ιούνιος 01) min Θερινή περίοδος 165 bar 13.4 Nm Nm 3 /h 9 h 71 % (Ιανουάριος 013)

7 Σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η απόδοση του σταθμού είναι παρόμοια και στις δύο περιπτώσεις. Η μονάδα ηλεκτρόλυσης παράγει υδρογόνο με την ίδια απόδοση για τις δύο μέρες ενώ η διαφορά τους είναι στο ότι παράγεται κατά 63% περισσότερο υδρογόνο επειδή λειτουργεί περισσότερες ώρες τη θερινή περίοδο. Στρατηγική Εξοικονόμησης Ενέργειας Εκτός από την παραγωγή του υδρογόνου μας ενδιαφέρει και η αυτονομία του σταθμού. Όπως προαναφέρθηκε η τυπική λειτουργία του σταθμού βασίζεται στην ενέργεια που αποθηκεύεται στους συσσωρευτές που φορτίζονται από τα φωτοβολταϊκά. Επιπλέον καθώς ο σταθμός παραγωγής υδρογόνου δεν είναι συνδεδεμένος στο κυρίως δίκτυο, είναι σημαντικό να αξιοποιείται με το βέλτιστο τρόπο η διαθέσιμη ενέργεια των συσσωρευτών. Εκτόςαπό τα κύρια υποσυστήματα που καταναλώνουν ενέργεια, υπάρχουν και περιφερειακά συστήματα που απαιτούν ενέργεια ακόμα και όταν ο σταθμός δεν παράγει υδρογόνο. Μέσω της ανάλυσης της συνολικής λειτουργίας προκύπτει πως κάποια υποσυστήματα μπορούν μερικώς ή ολικώς να απενεργοποιούνται κατά την διάρκεια της νυχτερινής κυρίως περιόδου. Οι συσκευές που επιλέχθηκαν για να απενεργοποιηθούν είναι: H αντλία του νερού. Ο αντιστροφέας του συμπιεστή. Η ισχύς που παρέχεται για το μετατροπέα ισχύος στη μονάδα ηλεκτρόλυσης. Προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση που έχει η απενεργοποίηση των συσκευών αυτών πραγματοποιήθηκε μια συγκριτική πειραματική μελέτη που βασίζεται σε δύο σενάρια. Στο πρώτο (noes) ο σταθμός λειτουργεί όπως αρχικά είχε σχεδιαστεί, ενώ στο δεύτερο απενεργοποιούνται οι επιλεγμένες συσκευές (ES). Μία μικρή αλλαγή πραγματοποιείται στο σύστημα SCADA έτσι ώστε να συμπεριληφθούν αυτές οι δράσεις, ενώ στην ΣΔΕ οι παραπάνω συσκευές απενεργοποιούνται όταν η FSM είναι σε κατάσταση αναμονής (q 0 ) και ενεργοποιούνται όταν αρχίζει η προετοιμασία για την παραγωγή υδρογόνου (q 1 ). Η πειραματική ανάλυση εστιάζει στο βάθος εκφόρτισης (depth of discharge, DOD) των συσσωρευτών κατά τη διάρκεια της νύχτας, καθώς και στην καταναλισκόμενη ισχύ κατά τη διάρκεια της νύχτας από τα περιφερειακά υποσυστήματα. Ο πίνακας 4, παρουσιάζει αυτές τις περιπτώσεις (Νοέμβριος 01). Πίνακας 4. Επίδραση αποφάσεων απενεργοποίησης υποσυστημάτων Περίπτωση Λειτουργίας Βάθος Εκφόρτισης (DOD) Ρυθμός Εκφόρτισης Αυτονομία Συστήματος noes 9.4 %.1 %/h.8 μέρες ES 1.5 % 1.54 %/h 3.9 μέρες Όπως παρατηρείται, ο σταθμός χρησιμοποιεί την αποθηκευμένη στους συσσωρευτές ενέργεια για 14ώρες (από 17:10 έως 7:0). Κατά το σενάριο ES, η καταναλισκόμενη ισχύς για την ίδια περίοδο μειώνεται κατά 0.36kW/hr εξοικονομώντας συνολικά περίπου 5.04kWh. Ο ρυθμός εκφόρτισης στο ίδιο σενάριο μειώνεται ενώ παρατηρείται και μία σημαντική μείωση κατά 8% του βάθους εκφόρτισης (διαφορά μεταξύ μέγιστης και ελάχιστης κατάστασης φόρτισης). Εάν τα παραπάνω αποτελέσματα επεκταθούν για λειτουργία ενός χρόνου, αποδεικνύεται πως μπορούν να εξοικονομηθούν έως 185 kwh που αντιστοιχούν σε περίπου 346 Nm 3 υδρογόνου (μέση τιμής ενός μήνα). Η μοναδική παρενέργεια που παρατηρείται αφορά σε μία μικρή καθυστέρηση που εισάγεται στο σύστημα όταν ετοιμάζεται για την παραγωγή υδρογόνου (κατάσταση q ) και οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό δεν καθαρίζεται συνεχώς, λόγω του κλεισίματος της αντλίας.

8 Η επίδραση αυτών των μικρών αλλά σημαντικών δράσεων στην αυτονομία του συστήματος κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική, καθώς όπως προαναφέρθηκε το σύστημα δεν είναι συνδεδεμένο στο κυρίως δίκτυο για συνεχή παροχή ισχύος. Κατά τους χειμερινούς μήνες στόχο αποτελεί η μη εξάντληση των μπαταριών ενώ τον υπόλοιπο χρόνο, βασική μέριμνα αποτελεί η παραγωγή υδρογόνου μέσω της αποθηκευμένης ενέργειας. Υποθέτοντας πως η βοηθητική πηγή ενέργειας ενεργοποιείται σε SOC<14% και δεδομένου πως στην αρχή της ανάλυσης οι συσσωρευτές είναι πλήρως φορτισμένοι, το κέρδος της αυτονομίας όπως παρατηρείται στον πίνακα 4 ανέρχεται σε 1 ημέρα. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία παρουσιάσθηκε μία συγκριτική πειραματική μελέτη μεταξύ του χειρότερου και του καλύτερου σεναρίου παραγωγής υδρογόνου στον αυτόνομο σταθμό αξιοποίησης ηλιακής ενέργειας που βρίσκεται εγκατεστημένος στο ΕΚΕΤΑ. Σσκοπός του σταθμού είναι η παραγωγή υδρογόνου με αποδοτικό τρόπο ενώ παράλληλα προστατεύεται από φαινόμενα υπερβολικής λειτουργίας των υποσυστημάτων του ή υπερκατανάλωσης ενέργειας.. Συνολικά παρουσιάζεται η προσαρμοστικότητα του συστήματος εποπτικού ελέγχου που επιτρέπει την ευέλικτη λειτουργία του σταθμού μέσω της στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας που βασίζεται σε μια μηχανή πεπερασμένων καταστάσεων. Κατά την ανάλυση της χειμερινής και θερινής περιόδου διαπιστώθηκε πως στη δεύτερη παράγεται σαφώς μεγαλύτερη ποσότητα υδρογόνου λόγω μεγαλύτερης ποσότητας ηλιακής ακτινοβολίας, ενώ οι αποδόσεις είναι παρόμοιες. Παράλληλα, μέσω τεχνικών απενεργοποίησης συσκευών κατά τη νυχτερινή περίοδο με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας, μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά η αυτονομία του σταθμού κατά τους χειμερινούς μήνες και να αυξηθεί η παραγωγή του υδρογόνου κατά τη θερινή περίοδο. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα μελέτη συγχρηματοδοτείται από το επιχειρηματικό πρόγραμμα «Ανταγωνιστικότητα & Επιχειρηματικότητα» ( ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ - ΕΣΠΑ , έργο Βελτίωση Αειφορίας Τεχνολογίας Παραγωγής Ντίζελ SustainDiesel). Περισσότερες πληροφορίες μπορούν να αναζητηθούν από την ιστοσελίδα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Wulf C., Kaltschmitt M., Int. Journal of Hydrogen Energy, 37 (01), pp [] Winter C.J., Int. Journal of Hydrogen Energy, 34 (009), pp [3] Ipsakis D., Voutetakis S., Seferlis P., Stergiopoulos F., Elmasides C., International Journal of Hydrogen Energy, 34 (009), pp [4] Ziogou C., Ipsakis D., Elmasides C., Stergiopoulos F., Papadopoulou S., Seferlis P., Voutetakis S., Journal of Power Sources, 196 (011), pp [5] Bezergianni S., Kalogianni A., Dimitriadis A., 01, FUEL, 93 (01), pp [6] Ziogou C., Ipsakis D., Seferlis P., Bezergianni S., Papadopoulou S., Voutetakis S., Energy, Available online, (013) In press,