«Η μεθοδολογία υπολογισμού του Ανέμου για τη δημιουργία βιώσιμων αιολικών πάρκων»

Transcript

1 «Η μεθοδολογία υπολογισμού του Ανέμου για τη δημιουργία βιώσιμων αιολικών πάρκων» Συνέδριο TEE με θέμα: «Ενέργεια: Σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές», Ξενοδοχείο DIVANI CARAVEL 8, 9 και 10 Μαρτίου Δρ. Γεώργιος Σακελλαρίδης, τ. Υποδιοικητής και Διευθυντής Ερευνών ΕΜΥ ( ), Βασίλης Κωστόπουλος, Σμήναρχος (ε.α) Μετεωρολόγος, συνεργαζόμενος ερευνητής στη Μονάδα Διαστημικών Προγραμμάτων του Ε.Κ. Αθηνά, Δρ. Θεαγένης Χαραντώνης, Διευθυντής Ερευνών ΕΜΥ. Περίληψη Οι άνεμοι της τρισδιάστατης ατμόσφαιρας και ειδικότερα οι επιφανειακοί άνεμοι παρουσιάζουν μεγάλη χωρική και χρονική μεταβλητότητα, που συνδέεται με το ανάγλυφο και την όλη δομή της τρισδιάστατης ατμοσφαιρικής ροής. Στη διεθνή μετεωρολογική πρακτική η εκτίμηση του ανεμολογικού πεδίου είναι ένα μέρος της διαδικασίας που προετοιμάζει τα δεδομένα εισόδου στα ατμοσφαιρικά μοντέλα πρόγνωσης. Η διαδικασία αυτή καλείται ανάλυση των δεδομένων και περιλαμβάνει σε πρώτο επίπεδο τη συλλογή κάθε διαθέσιμης μετεωρολογικής πληροφορίας ως και τη πρωταρχική διόρθωση των σφαλμάτων.σε δεύτερο επίπεδο τη δημιουργία της 4-DVAR ανάλυσης των δεδομένων. Η διαδικασία της ανάλυσης δημιουργεί τις αρχικές συνθήκες για τα επιχειρησιακά ατμοσφαιρικά μοντέλα πρόγνωσης της ατμοσφαιρικής ροής. Στο στάδιο αυτό με την βοήθεια των μοντέλων πρόγνωσης οι εξισώσεις ολοκληρώνονται σε χρονικά διαστήματα προς τα εμπρός και πίσω (forward - backward) με σκοπό την εισαγωγή όλων των διατιθέμενων παρατηρήσεων εντός των χρονικών διαστημάτων και την διόρθωση της ανάλυσης της χρονικής στιγμής που αρχίζει η ολοκλήρωση των εξισώσεων. Γενικά το δεύτερο επίπεδο δημιουργεί την ανάλυση. Οι χρονοσειρές της ανάλυσης του πεδίου του ανέμου χρησιμοποιούνται για τη κλιματολογία του ανέμου στη κλίμακα της ανάλυσης. Στη παρούσα εργασία προτείνεται μια περαιτέρω προσαρμογή του ανέμου στα φυσιογνωμικά χαρακτηριστικά της προς εξέταση περιοχής με τη χρήση μη υδροστατικών μοντέλων όπως το LM- COSMO, το RAMS, το Aladin, το MF5 με σκοπό βέλτιστη προσέγγιση του ανεμολογικού πεδίου της προς εξέταση περιοχής.. Εισαγωγή Οι άνεμοι της τρισδιάστατης ατμόσφαιρας και ειδικότερα οι επιφανειακοί άνεμοι παρουσιάζουν μεγάλη χωρική και χρονική μεταβλητότητα, που συνδέεται με το ανάγλυφο και την όλη δομή της τρισδιάστατης ατμοσφαιρικής ροής. Στη χώρα μας, εξαιτίας της πολυπλοκότητας του ανάγλυφου, οι διακυμάνσεις της έντασης και τις διεύθυνσης του ανέμου είναι μεγαλύτερες και έτσι τόσο το μέγεθος των χρησιμοποιούμενων χρονοσειρών αλλά και η πυκνότητα του δικτύου ανεμολογικών παρατηρήσεων θα πρέπει να είναι ακόμα μεγαλύτερα. Στη διεθνή μετεωρολογική πρακτική έχει καθιερωθεί εδώ και δεκαετίες μια συγκεκριμένη μεθοδολογία προσέγγισης του ανεμολογικού πεδίου σε τρία επίπεδα. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 1

2 Παγκόσμιο Σύστημα Παρατήρησης Το πρώτο επίπεδο είναι η συλλογή όλων των μετεωρολογικών παρατηρήσεων από το Παγκόσμιο Σύστημα Παρατήρησης (GLOBAL OBSERVING SYSTEM-GOS). Το παγκόσμιο σύστημα παρατήρησης παρέχει από τη γη και το διάστημα παρατηρήσεις από την ατμόσφαιρα, τους ωκεανούς και την επιφάνεια του εδάφους. Η οργάνωση του παγκόσμιου συστήματος παρατήρησης και των συστατικών του είναι υπό την ευθύνη του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού (World Meteorological Organization-WMO). Με τον όρο μετεωρολογική παρατήρηση αναφερόμαστε στη μέτρηση των συνθηκών του περιβάλλοντος και στις τιμές των διαφόρων περιβαλλοντικών παραμέτρων (άνεμος, θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση, υδρομετέωρα, ηλιακή ακτινοβολία, νέφωση) που ισχύουν σε διάφορα σημεία του πλανήτη. Οι παρατηρήσεις ακολουθούν ενιαία τεκμηρίωση αλλά και χρόνο εκτέλεσης για όλες τις χώρες του Παγκόσμιου Μετεωρολογικού Οργανισμού και χρησιμοποιούνται για τη συνεχή παρακολούθηση του καιρού αλλά και τη πρόγνωση του αφού τροφοδοτούν τις αρχικές συνθήκες των αριθμητικών μοντέλων καιρού. Οι χρονοσειρές των παρατηρήσεων χρησιμοποιούνται για εφαρμογές του κλίματος, συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης και της εξέλιξης των αλλαγών στο παγκόσμιο κλιματολογικό σύστημα σε μια μακροπρόθεσμη βάση. Σε ότι αφορά τις τεχνολογίες/υποσυστήματα που χρησιμοποιούνται στο Παγκόσμιο Σύστημα Παρατήρησης και παρέχουν μετρήσεις των μετεωρολογικών παραμέτρων (και ανέμου) αυτές περιλαμβάνουν: Τις παρατηρήσεις της επιφάνειας της γης από ένα αριθμό περίπου μετεωρολογικών σταθμών επιφανείας. Τις παρατηρήσεις ανώτερης ατμόσφαιρας από ένα δίκτυο 900 περίπου σταθμών ανώτερης ατμόσφαιρας οι οποίοι χρησιμοποιώντας ειδικό εξοπλισμό αισθητήρων που εξαπολύεται με μικρά αερόστατα (μπαλόνια) και επικοινωνεί με επίγεια συστήματα radar κάνουν παρατηρήσεις κάθε 12 ώρες (0000UTC και 1200UTC). Τις ωκεάνιες παρατηρήσεις από ένα αριθμό πλοίων που διεξάγουν αντίστοιχες παρατηρήσεις με αυτές του δικτύου των σταθμών της επιφανείας της γης. Σε αρκετές θάλασσες (κυρίως κοντά στις ακτές) έχουν εγκατασταθεί ειδικοί πλωτήρες αλλά και παρασυρόμενοι από τα θαλάσσια ρεύματα σημαντήρες. Τις παρατηρήσεις από 3000 περίπου πολιτικά αεροσκάφη που κατά τη διάρκεια των πτήσεων καταγράφουν με ειδικά όργανα άνεμο και θερμοκρασία σε διάφορα ύψη Τις παρατηρήσεις από το σύστημα δορυφόρων παρατήρησης που αποτελείται από Γεωστατικούς Δορυφόρους και Δορυφόρους πολικής τροχιάς. Τις παρατηρήσεις από άλλες πλατφόρμες παρατήρησης όπως οι μετρητικές συσκευές για τις παλίρροιες, τα επίγεια συστήματα αισθητήρων για τη μέτρηση της κατακόρυφης κατατομής του ανέμου (wind profilers) και τα μετεωρολογικά RADAR τεχνολογίας Doppler που εκτός από μετρήσεις υετού (υδρομετεώρων) παρέχει μετρήσεις ταχύτητας ανέμου. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 2

3 Σχήμα 1: Παγκόσμιο Σύστημα Παρατήρησης Ανάλυση δεδομένων Το δεύτερο επίπεδο είναι η συγκέντρωση όλων των παρατηρήσεων της ίδιας χρονικής στιγμής και δημιουργία της 4-DVAR ανάλυσης των δεδομένων. Η διαδικασία της ανάλυσης δημιουργεί τις αρχικές συνθήκες για τα επιχειρησιακά ατμοσφαιρικά μοντέλα πρόγνωσης της ατμοσφαιρικής ροής. Στο στάδιο αυτό με την βοήθεια των μοντέλων πρόγνωσης οι εξισώσεις ολοκληρώνονται σε χρονικά διαστήματα προς τα εμπρός και πίσω (forward - backward) με σκοπό την εισαγωγή όλων των διατιθέμενων παρατηρήσεων εντός των χρονικών διαστημάτων και την διόρθωση της ανάλυσης της χρονικής στιγμής που αρχίζει η ολοκλήρωση των εξισώσεων. Το δεύτερο επίπεδο δημιουργεί τις αρχικές συνθήκες που χρησιμοποιούνται για το τρέξιμο των παγκόσμιων αριθμητικών μοντέλων καιρού. Οι χρονοσειρές της ανάλυσης του πεδίου του ανέμου χρησιμοποιούνται για τη κλιματολογία του ανέμου στη κλίμακα της ανάλυσης. Χρησιμοποιώντας την ανάλυση του παγκόσμιου μοντέλου που τρέχει στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσμων προγνώσεων Καιρού (European Center for Medium Range Weather Forecast- ECMWF) για μια δεκαετία, υπολογίσθηκε η ένταση και η διεύθυνση του ανέμου σε ένα πλέγμα με 8181 σημεία (=81*101), που καλύπτουν τη χώρα μας. Στα αποτελέσματα του παραπάνω μοντέλου βασίζονται οι προγνώσεις των Ευρωπαϊκών Μετεωρολογικών Υπηρεσιών και σε αυτό οφείλεται (κατά κύριο λόγο) η αύξηση της αξιοπιστίας των προγνώσεων τη τελευταία 20ετία. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 3

4 Για κάθε ένα σημείο του προαναφερόμενου πλέγματος και στις στάθμες των 10, 30, 60 και 100m υπολογίστηκαν ανά εξάωρο κάθε ημέρας της περιόδου από μέχρι και (συνοπτικές ώρες 00, 06, 12 και 18 UTC) οι συνιστώσες U και V του ανέμου και από αυτές το μέτρο (ένταση) και η επικρατούσα διεύθυνση. Σχήμα 2: Κλιματολογία αιολικού δυναμικού από τις αρχικές συνθήκες της περιόδου του Ευρωπαϊκού Μοντέλου στα 30 και στα 100 μέτρα Αριθμητικά Μοντέλα Καιρού Το τρίτο επίπεδο είναι η μοντελοποιήση του ανέμου με επιχειρησιακά μοντέλα μικρής κλίμακας όπως το LM-COSMO, το RAMS, το Aladin, το MF5 με σκοπό τη περαιτέρω προσαρμογή στη κλίμακα του ανεμολογικού πεδίου της προς εξέταση περιοχής. Με τον όρο Αριθμητικό Μοντέλο Καιρού, εννοούμε ένα «κλειστό» σύστημα εξισώσεων που «μοντελοποιούν» την εξέλιξη των ατμοσφαιρικών φυσικών φαινομένων. Οι εξισώσεις αυτές είναι μια εφαρμογή των εξισώσεων της υδροδυναμικής στην ατμόσφαιρα με τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτή (σχήμα 3). Ορισμένες από τις εξισώσεις έχουν σαν μεταβλητή τον χρόνο και μάλιστα η μεταβολή των παραμέτρων δίνεται σαν συνάρτηση της μεταβολής dt (ή Δt) του χρόνου και κατά την επίλυση των εξισώσεων γίνεται η παραδοχή ότι «τα πάντα συμβαίνουν» σε διακριτές χρονικές στιγμές, που «απέχουν» μεταξύ τους κατά Δt. Επειδή η μεγάλη διακριτική ικανότητα στα παγκόσμιας κλίμακας μοντέλα, καθιστά τον αριθμό των σημείων του πλέγματος (σχήμα 4) τεράστιο και επομένως χρονοβόρα την επίλυσή τους, τα τελευταία χρόνια γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη χρήση των Περιοχικών Μοντέλων, γνωστών και σαν LAM (Limited Area Models). Η λειτουργία των LAM έγκειται στην επιλογή μιας σχετικά μικρής περιοχής ενδιαφέροντος στην οποία χρησιμοποιείται πυκνό πλέγμα, με μικρή διακριτική ικανότητα. Το σύστημα των εξισώσεων λύνεται στα σημεία του νέου πλέγματος, με την παραδοχή ότι στα άκρα της περιοχής του τοπικού μοντέλου, η λύση ταυτίζεται με αυτήν του παγκόσμιου μοντέλου, δίνοντας με τον τρόπο αυτό τις απαιτούμενες συνοριακές συνθήκες (Boundary Conditions). Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 4

5 Σχήμα 3: Φυσικές διεργασίες των αριθμητικών μοντέλων καιρού Σχήμα 4: Το τρισδιάστατο πλέγμα σημείων ενός παγκόσμιου μοντέλου Καθοριστικό ρόλο στην «ποιότητα» της εκτίμησης του αιολικού δυναμικού παίζει και η διακριτική ικανότητα των μοντέλων. Όσο μεγαλύτερη είναι η διακριτική τους ικανότητα (που σημαίνει όσο μικρότερες είναι οι αποστάσεις μεταξύ των σημείων του πλέγματος), τόσο καλύτερα μπορεί το μοντέλο να δει διαταραχές μικρότερης τάξης. Ένα πρώτο χαρακτηριστικό παράδειγμα της μεγάλης επίδρασης της διακριτικής ικανότητας είναι η παράσταση της ορογραφίας στο μοντέλο, που σε διακριτική ικανότητα 7.5Km έχει την μορφή του σχήματος 5.α, όπου ο Υμηττός στην Αττική δεν ξεπερνά τα 800m, ενώ με διακριτική ικανότητα 2.5Km (σχήμα 5.β) το ύψος του Υμηττού ξεπερνά τα 1100m, πολύ κοντά στο πραγματικό του ύψος. Μια τέτοια διαφοροποίηση μπορεί να δώσει σημαντικές διαφορές στην εκτίμηση του αιολικού Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 5

6 δυναμικού, αφού δεν λαμβάνονται με τη σωστή διάστασή τους τα φαινόμενα εμποδισμού ή καναλισμού (σχήμα 6) της ροής του ανέμου. Σχήμα 5 α, β : Απεικόνιση του Υμηττού με διακριτική ικανότητα 7.5 και 2.5 km αντίστοιχα Σχήμα 5 : Καναλισμός πεδίου του ανέμου που δημιουργείται οροσειρές της Κρήτης. από τις Προφανώς πηγαίνοντας σε μικρότερη κλίμακα επίλυσης των εξισώσεων χρειάζεται καλύτερη ανάλυση ως και εισαγωγή αναλυτικότερης φυσικής με έμφαση στις μη υδροστατικές διεργασίες που ισχύουν σε μικρότερες κλίμακες ατμοσφαιρικής ροής. Κατά την ολοκλήρωση των μοντέλων πρόγνωσης με την εισαγωγή της αναλυτικότερης τοπογραφίας και γεωμορφολογίας αναγκάζεται η ατμοσφαιρική ροή να ακολουθήσει τη δυναμική των εξισώσεων ολοκλήρωσης με αποτέλεσμα τη καλύτερη προσομοίωση του πεδίου του ανέμου. Τα προγνωστικά αποτελέσματα των περιοχικών μοντέλων γίνονται περισσότερο αξιόπιστα μετά από έξι ώρες ολοκλήρωσης καθότι έχουν απαλλαγή από σφάλματα ισορροπίας μεταξύ των πεδίων μάζας και ταχύτητας. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 6

7 Συγχρόνως με τη συνέχιση της ολοκλήρωσης τα εισαγόμενα αρχικά μικρά σφάλματα αρχίζουν να μεγαλώνουν και η εμπειρία έχει δείξει ότι για την εκτίμηση του αιολικού δυναμικού είναι προτιμότερο να χρησιμοποιηθεί η κλιματολογία του προγνωστικού πεδίου του ανέμου από 6 μέχρι 24 ώρες παρά η ανάλυση. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Χαραντώνης Θ., Σακελλαρίδης Γ,.Κωστόπουλος Β. 2005: Στρατηγική για την ενέργεια και η εκτίμηση του Αιολικού δυναμικού της Ελλάδας. Ε&Τ, Μηνιαία Ενημερωτική Έκδοση της ΓΓΕΤ, Τεύχος 6/Φεβρουάριος Ανδρεάκος Δ. 1980: Μια πρώτη εκτίμηση του αιολικού δυναμικού της χώρας. Πρακτικά συνεδρίου Αιολικής Ενέργειας & Βιομηχανικής Αεροδυναμικής pp 1/23-50 Ε.Μ.Π Χαραντώνης Θ., Παπασταμόπουλος Ι. 1982: Θεωρητικό μοντέλο προσαρμογής της εντάσεως του ανέμου στην επιφάνεια και τα 900mbs στην Αθήνα. Διατριβή μεταπτυχιακού Μετεωρολογίας. 4. Α. Κακούρος: Μεταβολή των ανέμων καθ ύψος από επιφάνεια μέχρι και τα 1000m. (Μελέτη EMY) 5. Stewart D.,A. and Essenwarnger, O.,M. 1978: Frequency Distribution of Wind Speed Near the Surface. Jour. Appl. Meteorology vol. 17 pp JUSTUS, C.,G. 1978: Nationwide Assessment of Potential Output from Wind Powered Generators. Applied Meteor. June Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/03/2010: Αθήνα 7