Διπλωµατική Εργασία Του Φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών:

Transcript

1 Διπλωµατική Εργασία Του Φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών: ΠΑΝΤΕΛΑΚΗ ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΥ-ΔΗΜΗΤΡΗ Αριθµός Μητρώου: 6050 Θέµα: «Μοντελοποίηση και δυναµική ανάλυση συστήµατος κατανεµηµένης παραγωγής µε µικροστρόβιλο και ανεµογεννήτρια»

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 ο Κατανεµηµένη Παραγωγή ( ΚΠ) (Distributed generation ) Μικροδύκτια 1.1 Εισαγωγή στην κατανεµηµένη παραγωγή Ορισµός της κατανεµηµένης παραγωγής Ο σκοπός της παραγωγής Η τοποθεσία της παραγωγής Το µέγεθος των µονάδων παραγωγής Χρησιµοποιούµενη τεχνολογία Ιδιοκτησιακό καθεστώς Περιοχή που τροφοδοτεί η ΚΠ Επιδράσεις στο περιβάλλον Διείσδυση της ΚΠ Λόγοι Ανάπτυξης Κατανεµηµένης Παραγωγής Οικονοµικοί Λόγοι Οι αυξηµένες απαιτήσεις των καταναλωτών για αξιόπιστη ενέργεια Επιπλέον λόγοι Πλεονεκτήµατα κατανεµηµένης παραγωγής Ηλεκτρικά Δίκτυα & Επίδραση της ΚΠ στα υπάρχοντα δίκτυα Δίκτυα µεταφοράς και διανοµής Σύνδεση κατανεµηµένης παραγωγής Μικροδικτυα Βασικά χαρακτηριστικά µικροδυκτίων Διαφοροποίηση σχετικά µε την ισχύ Διαφοροποίηση σχετικά µε το σηµείο σύνδεσης Θέση µονάδων παραγωγής Χαρακτηριστικά λειτουργίας 19

3 Κεφάλαιο 2 ο Τύποι τεχνολογιών διεσπαρµένης παραγωγής-distributed Energy Resources 2.1 Κυριότεροι τύποι τεχνολογιών Κυψέλες καυσίµου Τρόπος λειτουργίας κυψελών καυσίµου Άλλες τεχνολογίες κυψελών καυσίµου Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα κυψελών καυσίµου Φωτοβολταϊκά συστήµατα Γενικά Τρόπος λειτουργίας Τύποι Φ/Β συστηµάτων Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της φωτοβολταϊκής µετατροπής της ηλιακής ενέργειας Αιολική Ενέργεια Αιολική Ενέργεια-Ανεµογεννήτριες Χαρακτηριστικά ανεµογεννητριών Αιολικά Πάρκα Μειονεκτήµατα Τεχνολογίες Συµπαραγωγής Ηλεκτρισµού Θερµότητας (ΣΗΘ) Γενικά περί συµπαραγωγής Βασικές αρχές συµπαραγωγής-είδη Συστήµατα αεριοστρόβιλου Συστήµατα συνδυασµένου κύκλου Μονάδες συµπαραγωγής µικρής κλίµακας 50

4 Μικροστρόβιλοι (micro-turbines) Κεφάλαιο 3ο Μικροστρόβιλοι 3.1 Εισαγωγικά Εφαρµογές στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Περιγραφή µικροστροβίλου Αρχή λειτουργίας-θερµοδυναµικός κύκλος Ιδανικοί θερµοδυναµικοί κύκλοι Θερµοδυναµικός κύκλος µικροστρόβιλου-απόδοση Συνθετικά στοιχεία µικροστρόβιλου Στρόβιλος Συµπιεστής Θάλαµος καύσης Εναλλάκτες θερµότητας Συστήµατα ελέγχου και βοηθητικά στοιχεία Σχεδιαστικά χαρακτηριστικά µικροστροβίλων Χαρακτηριστικά απόδοσης Ηλεκτρική απόδοση Απόδοση υπό µερικό φορτίο Επίδραση των συνθηκών περιβάλλοντος στην απόδοση Επιδόσεις και αύξηση της απόδοσης Καύσιµα και ρύποι 85

5 Κεφάλαιο 4ο Μοντελοποίηση και δυναµική ανάλυση συστήµατος µικροστροβίλου και ανεµογεννήτριας 4.1 Εισαγωγή Μοντελοποίηση συστήµατος µικροστροβίλου Συστήµατα ελέγχου Στρόβιλος Γεννήτρια Μοντέλο µικροστρόβιλου στο Simulink Δυναµική απόκριση συστήµατος µικροστρόβιλου σε µεταβλητή ζήτηση Σύστηµα µικροστρόβιλου και ανεµογεννήτριας Μοντέλο δικτύου στο Simulink Συµπεράσµατα 105 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 Εισαγωγή Σε αυτή τη διπλωµατική εργασία γίνεται η µοντελοποίηση και δυναµική ανάλυση ενός συστήµατος κατανεµηµένης παραγωγής που περιέχει ως πηγές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ένα µικροστρόβιλο και µία ανεµογεννήτρια χρησιµοποιούµενη ως εφεδρικό µέσο. Συγκεκριµένα ενδιαφερόµαστε για τη χρονική απόκριση του µικροστροβίλου σε συνθήκες µεταβλητής φόρτισης µελετώντας τις τιµές διαφόρων µεταβλητών του συστήµατος. Η υλοποίηση ενός τέτοιου συστήµατος ουσιαστικά αποτελεί τη δηµιουργία ενός µικροδυκτίου και την ενσωµάτωση µονάδων παραγωγής σε αυτό. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται µια εισαγωγη στην έννοια της κατανεµηµένης παραγωγής όπου προσπαθούµε να δώσουµε ένα σαφή ορισµό για τον «νέο» αυτό τρόπο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αναφερόµαστε στα χαρακτηριστικά εκείνα που είναι ικανά να χαρακτηρίσουν κάποια µορφή παραγωγής ενέργειας ως κατανεµηµένη αλλά και στους λόγους που οδήγησαν στην χρησιµοποίηση αυτού του τρόπου παραγωγής. Στη συνέχεια γίνεται µία παρουσίαση των χαρακτηριστικών των ήδη υπαρχόντων δικτύων, που έχουν σχεδιαστεί µε βάση την κεντρική παραγωγή, αλλά και στην σύνδεση µονάδων κατανεµηµένης παραγωγής και στις επιπτώσεις που αυτή δηµιουργεί. Επιπλέον αναφερόµαστε στην έννοια του µικροδικτύου καθώς η εφαρµογή της κατανεµηµένης παραγωγής οδηγεί στην δηµιουργία νέου τύπου δικτύων, τα οποία ουσιαστικά αποτελούν µια µικρογραφία των ήδη υπαρχόντων δικτύων µεταφοράς και διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας. Ασχολούµαστε µε τα βασικά χαρακτηριστικά αυτού του τύπου δικτύων αλλά και µε τις βασικές λειτουργικές διαφορές που έχουν από τα συµβατικά δίκτυα. Στο Κεφάλαιο 2 αναφερόµαστε στις διάφορες τεχνολογίες µε βάση τις οποίες υλοποιείται η κατανεµηµένη παραγωγή. Παρουσιάζουµε τον τρόπο λειτουργίας καθώς επίσης και τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα κάθε µιας από αυτές. Επιγραµµατικά αναφέρουµε εδώ ότι οι τεχνολογίες µε τις οποίες ασχολούµαστε είναι οι εξής : 1. Κυψέλες Καυσίµου 2. Φωτοβολταϊκά συστήµατα 3. Αιολική Ενέργεια 4. Συµπαραγωγή Ηλεκτρισµού και Θερµότητας.

7 5. Συστήµατα παραγωγής µε µικροστρόβιλους Στο Κεφάλαιο 3 ασχολούµαστε αποκλειστικά µε το θέµα του µικροστρόβιλου. Περιγράφονται αναλυτικά όλα τα στοιχεία από τα οποία αυτός αποτελείται, καθώς επίσης και οι θερµοδυναµικοί νόµοι οι οποίοι διέπουν τη λειτουργία του. Παρουσιάζονται στοιχεία που αφορούν την εφαρµογή αυτής της τεχνολογίας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όπως είναι η απόδοση ενός τέτοιου συστήµατος καθώς επίσης και οι µεταβλητές εκείνες που επηρεάζουν την απόδοση αυτή. Επιπλέον γίνεται µία παρουσίαση των καυσίµων που χρησιµοποιούνται σε τέτοια συστήµατα καθώς επίσης και οι εκπεµπόµενοι ρύποι κατά τη λειτουργία τέτοιων συστηµάτων διαφορετικής ισχύος. Στο Κεφάλαιο 4 που είναι και το τελευταίο παρουσιάζουµε ένα µοντέλο µικροδυκτίου που αποτελείται από ένα µικροστρόβιλο και µία ανεµογεννήτρια µικρής ισχύος, υλοποιηµένο στο πρόγραµµα Simulink. Συγκεκριµένα δείχνουµε τα στοιχεία από τα οποία αποτελείται καθώς επίσης και την υλοποίηση τους στο πρόγραµµα αυτό, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζουµε τα αποτελέσµατα της εξοµοίωσης µας. Αρχικά ασχολούµαστε µε ένα µικροστρόβιλο που τροφοδοτεί ένα φορτίο υπό µεταβλητές συνθήκες ζήτησης και περιγράφουµε τη δυναµική του απόκριση, ενώ στη συνέχεια στο µοντέλο µας εισάγουµε και την ανεµογεννήτρια που χρησιµοποιείται ως εφεδρεία για την κάλυψη ενός επιπλέον φορτίου. Στο τέλος του κεφαλαίου αυτού παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα που αφορούν στην δυναµική απόκριση του συστήµατος µικροστροβίλου-ανεµογεννήτριας.

8 Κεφάλαιο 1 ο Κατανεµηµένη Παραγωγή (ΚΠ ) (Distributed Generation) - Μικροδίκτυα 1.1 Εισαγωγή στην κατανεµηµένη παραγωγή Η κατανεµηµένη παραγωγή (ΚΠ) δεν είναι µια νέα έννοια, αλλά είναι µια αναδυόµενη προσέγγιση που σαν σκοπό της έχει την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στην καρδιά ενός συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η µορφή παραγωγής ενέργειας, που είναι γνωστή διεθνώς µε διάφορες ονοµασίες όπως επί τόπου παραγωγή, ενσωµατωµένη παραγωγή, αποκεντρωµένη παραγωγή, παράγει ηλεκτρική ενέργεια από πολλές µικρές πηγές ενέργειας. Εξαρτάται κυρίως από την εγκατάσταση και λειτουργία ενός συνόλου από µικρού µεγέθους, συµπαγείς και καθαρές µονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο ή κοντά στη θέση του ηλεκτρικού φορτίου (παραγωγή πλησίον της κατανάλωσης).[1] Η κατανεµηµένη παραγωγή εµφανίστηκε σαν µέθοδος από τη στιγµή που ξεκίνησε η παραγωγή και εκµετάλλευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε ευρύ επίπεδο. Στα αρχικά στάδια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η κατανεµηµένη παραγωγή εφαρµόστηκε ουσιαστικά σαν κανόνας και όχι σαν εξαίρεση, όπως τη σηµερινή εποχή. Την περίοδο εκείνη τα εργοστάσια παραγωγής ισχύος παρείχαν ηλεκτρισµό σε φορτία τα οποία χωροταξικά ήταν τοποθετηµένα στην κοντινή σε αυτά περιοχή. Προτού γίνει κανόνας η παραγωγή και χρήση εναλλασσόµενης ηλεκτρικής ισχύος τα ηλεκτρικά δίκτυα ήταν δίκτυα συνεχούς ρεύµατος ( DC ), µε συνέπεια η τάση παροχής αλλά και η απόσταση µετα -φοράς της ισχύος να είναι περιορισµένα και προκειµένου να υπάρξει ισορροπία µεταξύ κατανάλωσης και ζήτησης γινόταν ευρεία χρήση τοπικών µέσων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας ( π.χ. συσσωρευτές ) που ήταν σε θέση να συνδεθούν άµεσα µε το δίκτυο ισχύος. Η χρήση εναλλασσόµενου ρεύµατος αντικατέστησε το συνεχές, λόγω της δυνατότητας που παρείχε για µεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλες αποστάσεις µε µικρές απώλειες ( οι θερµικές απώλειες στους αγωγούς είναι ανάλογες του

9 τετραγώνου της τιµής του ρεύµατος που τους διαρρέει P loss = IR 2 ), οδηγώντας σε αύξηση του µεγέθους της παρα- γωγής, των δικτύων µεταφοράς-διανοµής αλλά και του αριθµού των φορτίων. Η δηµιουργία µεγάλων σταθµών παραγωγής που εξυπηρετούν αυξηµένο αριθµό φορτίων σε µεγάλου εύρους περιοχή αποτέλεσε τον µέχρι σήµερα χρησιµοποιούµενο τρόπο παραγωγής που ονοµάζεται κεντρική παραγωγή. Αν και η κατανεµηµένη παραγωγή είχε ξεχαστεί σαν έννοια τα χρόνια που ακολούθησαν, την τελευταία δεκαετία αρχίζει να κάνει εµφανή την χρησιµότητα της και να εξετάζονται τρόποι µε τους οποίους θα γίνει εφικτή η εφαρµογή της και πάλι στα σύγχρονα πλέον δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Η επιστροφή της κατανεµηµένης παραγωγής στο προσκήνιο οφείλεται σε µία σειρά λόγων η οποίοι επιγραµµατικά είναι οι παρακάτω : Ανάπτυξη των τεχνολογιών κατανεµηµένης παραγωγής. Απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Αυξηµένη απαίτηση για ενέργεια υψηλής αξιοπιστίας Περιορισµοί στην κατασκευή νέων γραµµών µεταφοράς Προβληµατισµοί για της κλιµατικές αλλαγές Η εφαρµογή της κατανεµηµένης παραγωγής προς το παρόν γίνεται σε µικρή κλίµακα λόγω οικονοµικών αλλά και τεχνικών ζητηµάτων, τα οποία είναι δυνατό να αντιµετωπιστούν µε κατάλληλο σχεδιασµό, όµως από αρκετούς ερευνητές αναµένεται ότι µελλοντικά θα γνωρίσει ευρεία αποδοχή και χρήση. Στη συνέχεια του κεφαλαίου γίνεται µία προσπάθεια ορισµού της κατανεµηµένης παραγωγής, αναφέρονται οι υπάρχουσες τεχνολογίες που χρησιµοποι-ούνται καθώς επίσης γίνεται αναφορά στα οφέλη αλλά και τα προβλήµατα που δηµιουργούνται από την εφαρµογή αυτού του τρόπου παραγωγής στα ήδη υπάρχοντα δίκτυα. 1.2 Ορισµός της κατανεµηµένης παραγωγής ( ΚΠ ) Με την µέχρι τώρα έρευνα στην βιβλιογραφία αλλά και στις νοµοθεσίες των διαφόρων κρατών φαίνεται να µην υπάρχει οµοφωνία για έναν κοινό και σαφή ορισµό πάνω στο θέµα της κατανεµηµένης παραγωγής. Ωστόσο γίνονται προσπάθειες από διάφορους φορείς που έχουν σαν στόχο τη διατύπωση ενός ενιαίου

10 και ευρέως αποδεχόµενου ορισµού. Η Διεθνής Επιτροπή CIGRE έχει δηµιουργήσει οµάδα εργασίας στον τοµέα της κατανεµηµένης παραγωγής ( ΚΠ ), σύµφωνα µε την οποία µονάδες παραγωγής που: (α) η µέγιστη ισχύς τους κυµαίνεται από 50 έως 100 MW, (β) είναι συνήθως συνδεδεµένες στο δίκτυο διανοµής και (γ) η κατανοµή φορτίου στις εγκαταστάσεις παραγωγής δεν γίνεται κεντρικά συνιστούν κατανεµηµένη παραγωγή. Η ΙΕΕΕ ( Institute of Electrical and Electronics Engineers) καθορίζει την κατανεµηµένη παραγωγή (ΚΠ) ως παραγωγή ηλεκτρισµού από εγκαταστάσεις που είναι σαφώς µικρότερες από τις κεντρικές µονάδες παραγωγής, έτσι ώστε να είναι δυνατή η διασύνδεσή τους σχεδόν σε κάθε σηµείο του συστήµατος ηλεκτρικής ενέργειας.οι Dondi et al. και ο Chambers δίνουν αντίστοιχους ορισµούς που καθορίζονται τόσο από την παραγόµενη ισχύ όσο και από τον τρόπο σύνδεσης στην πλευρά σύνδεσης των καταναλωτών. Τέλος οι Pepermans ορίζουν ως κατανεµηµένη παραγωγή την πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που είναι απευθείας συνδεδεµένη στο δίκτυο διανοµής ή στην πλευρά σύνδεσης των καταναλωτών. Προκειµένου να διατυπωθεί ένας ενιαίος ορισµός, αλλά και να γίνει κατανοητή η έννοια της κατανεµηµένης παραγωγής, είναι απαραίτητο να γίνει αναφορά πάνω σε κάποια βασικά ζητήµατα που αφορούν αυτόν τον τρόπο παραγωγής όπως είναι ο σκοπός για τον οποίο γίνεται η παραγωγή, η τοποθεσία, το µέγεθος, η τεχνολογία που χρησιµοποιείται, η περιοχή που τροφοδοτεί,οι επιπτώσεις στο περιβάλλον, ο τρόπος λειτουργίας, το ιδιοκτησιακό καθεστώς και το ποσοστό διείσδυσης της ΚΠ [1]. Παρακάτω γίνεται µία περιγραφή ορισµένων από τα θέµατα αυτά προκειµένου να καταστεί σαφές σε τι αναφερόµαστε όταν µιλάµε για κατανεµηµένη παραγωγή. Εάν θέλαµε να δώσουµε ένα ενιαίο ορισµό που µπορεί να γίνει γενικά αποδεκτός θα µπορούσαµε να πούµε ότι κατανεµηµένη παραγωγή είναι οποιαδήποτε πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεµένη άµεσα στο δίκτυο διανοµής ή στη θέση κατανάλωσης ή πιο απλά οι µονάδες παραγωγής ενέργειας έχουν εγκατασταθεί κοντά στο σηµείο κατανάλωσης (φορτίο) Ο σκοπός της παραγωγής :

11 Υπάρχει µία συµφωνία µεταξύ των διαφόρων φορέων ότι ο σκοπός της κατανεµηµένης παραγωγής είναι να παρέχει µια πηγή ενεργούς ισχύος. Σύµφωνα µε τον ορισµό αυτό, η αποκεντρωµένη παραγωγή δεν χρειάζεται να είναι σε θέση να παρέχει άεργο ισχύ Η τοποθεσία της παραγωγής : Ο ορισµός της θέσης των εγκαταστάσεων της κατανεµηµένης παραγωγής ποικίλλει µεταξύ των διαφόρων µελετητών και αρχών που ασχολούνται µε το ζήτηµα αυτό. Οι περισσότεροι προσδιορίζουν τη θέση της ΚΠ στην πλευρά διανο- µής του δικτύου, άλλοι περιλαµβάνουν την πλευρά των πελατών και µερικοί περιλαµβάνουν ακόµη και τη πλευρά µετάδοσης του δικτύου [2]. Εν γένει ως θέση της κατανεµηµένης παραγωγής ορίζεται η εγκατάσταση και λειτουργία µιας µονάδας παραγωγής ηλεκτρικού ρεύµατος που συνδέεται άµεσα µε το δίκτυο διανοµής ή στις εγκαταστάσεις του καταναλωτή. Το κίνητρο για τη χρήση αυτού του ορισµού είναι ότι η σύνδεση των µονάδων παραγωγής στο δίκτυο διανοµής γίνεται παραδοσιακά από τη βιοµηχανία. Η κεντρική ιδέα της κατανεµηµένης παραγωγής, ωστόσο, είναι να τοπο- θετείται η παραγωγή κοντά στο φορτίο, άρα στην πλευρά των πελατών.έχοντας προσδιορίσει την κατανεµηµένη παραγωγή τώρα ως παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο επίπεδο της διανοµής ή πιο κάτω, ο ορισµός απαιτεί µια πιο λεπτοµερή διάκριση µεταξύ ενός συστήµατος µετάδοσης και του συστήµατος διανοµής. Μια διάκριση που βασίζεται σε επίπεδα τάσης, π.χ. 220 kv και υψηλότερα θεωρείται µετάδοση και στη συνέχεια διανοµή, δεν είναι χρηστική διότι οι εταιρείες διανοµής µερικές φορές διατηρούν και εκµεταλλεύονται τις γραµµές 220 kv και οι εταιρείες µεταφοράς λειτουργούν 110 kv γραµµές. Δεδοµένου ότι το επίπεδο τάσης δεν παρέχει καµία διεθνώς διάκριση µεταξύ της διανοµής και της µεταφοράς πρέπει να γίνει µια προσέγγιση µε βάση τη νοµοθεσία. Σε ένα ανταγωνιστικό σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας, οι νοµικοί κανονισµοί καθορίζουν το σύστηµα µετάδοσης, το οποίο συνήθως λειτουργεί από µία ανεξάρτητη εταιρεία, που δεν εµπλέκεται στην παραγωγή, τη διανοµή ή την λιανική πώληση. Σε χώρες στις οποίες δεν έχει διατυπωθεί ακόµα ένας σαφής νοµικός ορισµός, όµως, περαιτέρω ανάλυση του ζητήµατος είναι απαραίτητη.

12 1.2.3 Το µέγεθος των µονάδων παραγωγής Λαµβάνοντας υπόψη ότι η ισχύς µιας µονάδας παραγωγής που µπορεί να συνδεθεί σε ένα δίκτυο εξαρτάται από το µέγεθος και την χωρητικότητα του δικτύου διανοµής δεν µπορεί να καταστεί σαφής ορισµός της ισχύος που εγκαθίσταται διότι η χωρητικότητα είναι ανάλογη του επιπέδου της τάσης λειτουργίας. Ο σχεδιασµός του κάθε συστήµατος διανοµής είναι ξεχωριστός συνεπώς δεν µπορεί να δοθεί ένα σαφές όριο στις µονάδες παραγωγής που µπορούν να συνδεθούν σε αυτό. Σε ένα σύστηµα το οποίο λειτουργεί σε επίπεδο τάσης 110 kv δεν είναι δυνατόν να συνδεθούν µονάδες παραγωγής ισχύος, µεγαλύτερες από 150 MW πράγµα το οποίο θέτει ένα περιορισµό στο µέγεθος των µονάδων που µπορεί να θεωρηθούν ως κατανεµηµένης παραγωγής. Σε ορισµένες περιπτώσεις, όπως σε µία εφαρµογή στην Γερµανία όπου εγκαταστάθηκε µονάδα παραγωγής 300 MW, είναι δυνατή η εγκατάσταση µεγαλύτερων µονάδων κατανεµηµένης παραγωγής. Παρόλα αυτά έχει διατυπωθεί µία πρόταση η οποία κάνει ένα διαχωρισµό της κατανεµηµένης παραγωγής σύµφωνα µε το µέγεθος ( χωρητικότητα ) των µονάδων παραγωγής. Κατά τον τρόπο αυτό οι µονάδες κατανεµηµένης παραγωγής κατατάσσονται σε οµάδες ανάλογα µε την ισχύ την οποία είναι σε θέση να παράγουν ως εξής : Πολύ Μικρής κλίµακας : Από 1 W έως 5 kw Μικρής κλίµακας : Από 5kW έως 5 MW Μεσαίας κλίµακας : Από 5 MW έως 50 MW Μεγάλης κλίµακας : Από 50 MW έως 300 MW Χρησιµοποιούµενη τεχνολογία : Όταν αναφερόµαστε σε χρησιµοποιούµενη τεχνολογία µιλάµε για τα φυσικά µέσα ή τους τρόπους που χρησιµοποι- ούµε προκειµένου να επιτύχουµε κάποιο επιθυµητό στόχο ή αποτέλεσµα. Στην κατανεµηµένη παραγωγή δεν υπάρχει κάποιος περιορισµός όσον αφορά την τεχνολογία η οποία θα χρησιµοποιηθεί. Γίνεται χρήση συµβατικών τρόπων παραγωγής ενέργειας µε θερµικές µηχανές όπως π.χ. αεριοστρόβιλοι, µηχανές καύσης άνθρακα, ή µη συµβατικών τεχνολογιών όπως είναι οι κυψέλες καυσίµου ( Fuel Cells ) αλλά και ανανεώσιµων πηγών όπως είναι η

13 αιολική και ηλιακή ενέργεια.εξαίρεση αποτελούν τα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας πιο πολύ λόγω της πολυπλοκότητας στην κατασκευή αλλά και του επαυξηµένου ρίσκου περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατά τη λειτουργία τους. Ο παρακάτω πίνακας ( Πίνακας 1.1 ) περιέχει µία ταξινόµηση της κατανεµηµένης παραγωγής µε βάση την χρησιµοποιούµενη τεχνολογία αλλά και τα χρησιµοποιούµενων καυσίµων Πίνακας 1.1 : Χρησιµοποιούµενες τεχνολογίες και καύσιµα Σε επόµενο κεφάλαιο γίνεται µία αναλυτική περιγραφή των τεχνολογιών που µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε εφαρµογές κατανεµηµένης παραγωγής Ιδιοκτησιακό καθεστώς Εν γένει δεν υπάρχει κάποια συµφωνία για το αν οι µονάδες κατανεµηµένης παραγωγής ανήκουν σε ανεξάρτητους παραγωγούς ή απλούς καταναλωτές. Επιπλέον µεγάλες επιχειρήσεις ηλεκτρισµού ενδιαφέρονται όλο και πιο πολύ για µονάδες κατανεµηµένης παραγωγής και δεν υπάρχει προφανής λόγος ώστε η κατανεµηµένη παραγωγή να περιορίζεται σε ανεξάρτητη ιδιοκτησία Περιοχή που τροφοδοτεί η ΚΠ Η περιοχή που τροφοδοτεί βρίσκεται συνήθως εντός του δικτύου διανοµής αλλά κυρίως τα βράδια και κατά τις ώρες ελάχιστου φορτίου των ανεµογεννητριών ρα αιολικά πάρκα πχ εξάγουν ενέργεια στο δίκτυο διανοµής Επιδράσεις στο περιβάλλον

14 Οι τεχνολογίες κατανεµηµένης παραγωγής περιγράφονται ως περιβαλλοντικά φιλικές σε σχέση µε τις αντίστοιχες τεχνολογίες όπου υπάρχει ένας ή πολλοί κεντρικοί και µεγάλου µεγέθους σταθµοί παραγωγής. Γενικότερα για να γίνει µια εκτεταµένη µελέτη πάνω στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις απαιτούνται στοιχεία για τις άµεσες αλλά και τις έµµεσες εκποµπές ρύπων για την κάθε χρησιµοποιούµενη τεχνολογία όπου έµµεσες εκποµπές είναι εκποµπές ρύπων κατά τη διαδικασία κατασκευής της µονάδας, αναζήτησης και µεταφοράς των πηγών ενέργειας. Στον πίνακα 1.2 φαίνονται οι εκποµπές ρύπων για κάθε είδους εφαρµοζόµενης τεχνολογίας παρατηρούµε ότι οι εκποµπές ενός τυπικού σταθµού κατανεµηµένης παραγωγής είναι σαφώς χαµηλότερες σε σχέση µε αυτές των σταθµών που ως καύσιµη ύλη χρησιµοποιούν κάρβουνο. Πίνακας 1.2. Τυπικές εκποµπές ρύπων από µονάδες παραγωγής Η εκποµπή NOx (Οξειδίων του αζώτου ) αναφέρεται ότι είναι 20-40% µικρότερη από της µονάδες ορυκτών καυσίµων, ενώ οι εκποµπές S02 θεωρούνται αµελητέες. Η τεχνολογία βιοµάζας δεν συµπεριλήφθηκε στην λίστα διότι θεωρείται ουδέτερη διοξειδίου καθώς, η ποσότητα του C02 που εκπέµπεται κατά την καύση της ισούται µε το ποσό του C02 που απορροφάται κατά τη διαδικασία ανάπτυξής της [ΙΕΕ, 2003]. Επιπρόσθετα, περιβαλλοντικά οφέλη που προκύπτουν από την µείωση των απωλειών της γραµµές µεταφοράς ένεκα της σωστής χωροθέτησης των σταθµών κατανεµηµένης παραγωγής σε σχέση µε την τοποθεσία και δυναµικότητα, µπορεί να

15 βελτιώσουν ακόµη περισσότερο το περιβαλλοντικό ισοζύγιο της κατανεµηµένης παραγωγής [3]. Οι συστοιχίες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και οι κυψέλες καυσίµου δεν έχουν άµεσες εκποµπές. Πέρα από της εκποµπές κατά τη διαδικασία της κατασκευής, το µίγµα καυσίµου που χρησιµοποιείται για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται της µπαταρίες, θα πρέπει να συµπεριληφθεί της έµµεσες εκποµπές. Οµοίως, στην περίπτωση των κυψελών καυσίµου οι έµµεσες εκποµπές είναι συνάρτηση του µίγµατος που απαιτείται για την παραγωγή του υδρογόνου, αφού αυτό δεν γίνεται να εξορυχτεί. Από κάποιες πλευρές θεωρείται ότι η διείσδυση και χρήση σταθµών κατανεµηµένης παραγωγής θα έχει ως αποτέ -λεσµα την υπολειτουργία των µεγάλων κεντρικών σταθµών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, µε αποτέλεσµα να αυξηθούν οι εκποµπές ανά παραγόµενη kwh. Συνεπώς η κατανεµηµένη παραγωγή ως προς το σύνολό της δεν µπορεί να θεωρηθεί µε απόλυτο τρόπο περιβαλλοντικά φιλική. Εντούτοις, η χρήση κατανεµηµένων µονάδων παραγωγής που βασίζονται σε εναλλακτικές πηγές ενέργειας, θεωρείται ότι είναι ικανή να µειώσει τις εκποµπές αερίων ρύπων και αερίων του θερµοκηπίου[5] Διείσδυση της ΚΠ Στη βιβλιογραφία δεν έχει καθοριστεί επακριβώς το ύψος της ισχύος διείσδυσης σε σχέση µε την περιοχή ( τοπικό σύστηµα διανοµής εθνικό σύστηµα ισχύος ) 1.3 Λόγοι Ανάπτυξης Κατανεµηµένης Παραγωγής ι λόγοι ανάπτυξης των εφαρµογών κατανεµηµένης παραγωγής είναι κυρίως οικονοµικοί, λειτουργικοί (απαιτήσεις για ποιοτική ισχύ) και περιβαλλοντικοί.στα επόµενα υποκεφάλαια γίνεται αναφορά σε κάθε ένα από τους παραπάνω λόγους ξεχωριστά Οικονοµικοί Λόγοι

16 Υπάρχει ένα αυξανόµενο ενδιαφέρον από τους προµηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας στην κατανεµηµένη παραγωγή γιατί την βλέπουν ως ένα εργαλείο που µπορεί να τους βοηθήσει στο να πληρώσουν θέσεις στην απελευθερωµένη αγορά [6]. H διείσδυση της ΚΠ, έχει ως αποτέλεσµα µεγαλύτερη δυνατότητα επιλογής και εξυπηρέτησης για τον πελάτη [7]. Με το υπάρχον σύστηµα η παραγωγή ισχύος γίνεται σε µεγάλη απόσταση σχετικά µε το σηµείο κατανάλωσης, το οποίο συντελεί στην αύξηση του κόστους για λόγους µεταφοράς. Η παραγωγή ρεύµατος στην τοποθεσία κατανάλωσης δύναται να επιφέρει µειώσεις κόστους στη µεταφορά και τη διανοµή έως και 30% του κόστους του ρεύµατος [8]. Γενικότερα η κατανεµηµένη παραγωγή µπορεί να είναι συνδεδεµένη µε το δίκτυο ή και όχι αλλά παρουσιάζει θετικές επιπτώσεις, ακόµη και όταν δεν είναι. Η εκτός δικτύου ΚΠ µε ανανεώσιµες πηγές ενέργειας καταφέρνει να «αναλάβει» κάποια από τα αποµακρυσµένα φορτία ή να καθυστερήσει την επέκταση του δικτύου από πιθανά µελλοντικά φορτία στο δίκτυο [9]. Η ΚΠ είναι κατάλληλη στο να προσφέρει ηλεκτρισµό εκεί ακριβώς όπου υπάρχει ανάγκη. Αυτό το γεγονός µπορεί να άρει περιορισµούς στην παραγωγή, µεταφορά και διανοµή και να αποφευχθεί η ανάγκη για τη δηµιουργία νέων κεντρικών σταθµών [10]. Αναφορικά µε τις θέσεις εργασίας οι εκτιµήσεις είναι ότι οι επενδύσεις σε ΚΠ αναµένεται να δηµιουργήσουν πενταπλάσιες θέσεις εργασίας αναλογικά µε τους συµβατικούς κεντρικούς σταθµούς ηλεκτροπαραγωγής [11] Oι αυξηµένες απαιτήσεις των καταναλωτών για αξιόπιστη ενέργεια Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται στους σταθµούς παραγωγής πρέπει να µεταφερθεί και να διανεµηθεί στα σηµεία καταναλώσεως που είναι συνήθως τα αστικά κέντρα, µικρότεροι οικισµοί, βιοµηχανικές εγκαταστάσεις, αγροτικές εγκαταστάσεις κλπ. Κατά τη διαδικασία µεταφοράς και διανοµής της ηλεκτρικής ενέργειας, η καλή και ασφαλής λειτουργία αποτελεί σηµείο µεγάλου ενδιαφέροντος. Γενικά οι µεταβολές τάσεως στα σηµεία των καταναλώσεων δεν πρέπει να υπερβαίνουν ορισµένα όρια διότι απαιτείται οµοιόµορφη και αποδοτική λειτουργία

17 καταναλωτής απαιτεί όσο το δυνατό πιο σταθερή τάση δικτύου και το σύστηµα πρέπει να ικανοποιεί την απαίτηση αυτή µέσα στα πλαίσια ορισµένων ανοχών. Οι µικρότερες µονάδες ΚΠ µπορούν επίσης να µειώσουν την ζήτηση αιχµής, να µειώσουν τις απώλειες µεταφοράς και να βελτιώσουν την ποιότητα των υπηρεσιών σε αποµακρυσµένες περιοχές.επίσης σε περιοχές όπου είναι δύσκολη η υποστήριξη της τάσης του δικτύου, η ΚΠ µπορεί να συνεισφέρει, καθώς η σύνδεση ενός σταθµού ΚΠ, οδηγεί γενικά σε άνοδο της τάσης του δικτύου. Οι εγκαταστάσεις αυτές προσφέρουν πλεονεκτήµατα για τη βελτίωσης της ποιο -τητας αλλά και της αξιοπιστίας της µεταφερόµενης ισχύος προς τους καταναλωτές. Εξυπηρετούν καταναλωτές που απαιτούν αδιάλειπτη λειτουργία, όπως ένα εργοστάσιο, ως εφεδρικός εξοπλισµός, αλλά και ενισχύουν ολόκληρο το δίκτυο. Παράγουν ισχύ σε τοπικό επίπεδο για τους χρήστες συντελώντας στη µείωση της ζήτησης σε περιόδους αιχµής και µε στην ελαχιστοποίηση της συµφόρησης της ισχύος, µία από τις αιτίες πιθανής κατάρρευσης του δικτύου (blackout) Επιπλέον λόγοι Μεγάλη συνεισφορά στην διείσδυση της κατανεµηµένης παραγωγής έχει η απελευθέρωση της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας αλλά και η παγκόσµια ανησυχία για τις επερχόµενες κλιµατικές αλλαγές. Μέσω του πρωτόκολλου του Κιότο προβλέπεται µείωση των εκποµπών αερίων στο διάστηµα κατά 5.2% σε σχέση µε τα επίπεδα του 1990 και η κατανεµηµένη παραγωγή θεωρείται ότι µπορεί να συµβάλει σε αυτό το στόχο. Ακόµη η ραγδαία ανάπτυξη στις τεχνολογίες που µπορεί να χρησιµοποιηθούν στην κατανεµηµένη παραγωγής τα τελευταία χρόνια έχει συµβάλει καθοριστικά στην επιβολή αυτού του τρόπου παραγωγής. 1.4 Πλεονεκτήµατα κατανεµηµένης παραγωγής [12]: Τα οικονοµικά και λειτουργικά οφέλη από τη χρήση κατανεµηµένης παραγωγής παρουσιάζονται παρακάτω : Η κατανεµηµένη παραγωγή µπορεί να ικανοποιήσει τις τοπικές ανάγκες σε ηλεκτρική ισχύ φορτίων, µε την τοποθέτησή της σε κατάλληλες περιοχές, χωρίς να είναι απαραίτητη η επέκταση ή η αναβάθµιση του υπάρχοντος δικτύου πράγµα λύση οικονοµικά επιβαρυµένη.

18 Η κατανεµηµένη παραγωγή µπορεί να συναρµολογηθεί εύκολα οπουδήποτε σε ενότητες, οι οποίες έχουν πολλά πλεονεκτήµατα όπως : (α) Μπορούν να εγκατασταθούν σε πολύ σύντοµο χρονικό διάστηµα σε οποιοδήποτε τοποθεσία, µε το κάθε υποσύστηµα να µπορεί να λειτουργήσει αµέσως µετά την εγκατάσταση του χωρίς να επηρεάζεται από την µη λειτουργία των υπόλοιπων στοιχείων.(β) Η συνολική χωρητικότητα µπορεί να αυξηθεί ή να µειωθεί κατά βούληση προσθέτοντας ή αφαιρώντας µονάδες αντίστοιχα. Η κατανεµηµένη παραγωγή µπορεί να παρέχει την ακριβή απαιτούµενη ζήτηση φορτίου από τους πελάτες Μπορεί να οδηγήσει σε µείωση της τιµής του ρεύµατος από την παροχή ενέργειας στο δίκτυο, η οποία οδηγεί µε τη σειρά της σε µείωση της απαιτούµενης ζήτησης. Σύµφωνα µε τις διαφορετικές τεχνολογίες της ΚΠ, τα είδη των πηγών ενέργειας και των καυσίµων που χρησιµοποιούνται είναι διαφοροποιηµένα. Ως εκ τούτου, δεν υπάρχει ανάγκη για χρήση ορισµένων τύπων καυσίµων περισσότερο από άλλους. Με τη χρήση κατανεµηµένης παραγωγής παρατηρείται αναβάθµιση στο συνολικό προφίλ τάσης του συστήµατος καθώς επίσης και αναβάθµιση της ποιότητας της παραγόµενης ισχύος : Η ΚΠ µπορεί να συµβάλλει στη µείωση των απωλειών ισχύος του δικτύου διανοµής [15,17,18], µε την ικανοποίηση µέρους της ζήτησης, στη µείωση ροή ενέργειας στο εσωτερικό του δικτύου µεταφοράς ώστε να ικανοποιεί ορισµένους περιορισµούς και να βελτιώνει το προφίλ της τάσης [13]. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί ως επί τόπου σύστηµα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης (παροχή τοπικής αξιοπιστίας [15]). Μπορεί να βοηθήσει στη συνέχεια και την αξιοπιστία του συστήµατος, καθώς θα υπάρχουν πολλά σηµεία ηλεκτροπαραγωγής και όχι µόνο µία κεντρική µεγάλη παραγωγή 1.5 Ηλεκτρικά Δίκτυα & Επίδραση της ΚΠ στα υπάρχοντα δίκτυα Ένα σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας αποτελείται από τις µονάδες παραγωγής ισχύος ( σταθµοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ), τα συστήµατα µεταφοράς και διανοµής

19 της παραγόµενης ενέργειας ( γραµµές µεταφοράς-διανοµής ), τους υποσταθµούς καθώς και από τα φορτία κατανάλωσης που συνδέονται σε αυτό, Εικόνα 1. Γενικότερα τα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας έχουν ως βασικό χαρακτηριστικό ότι λειτουργούν σε διαφορετικά επίπεδα τάσης και χωρίζονται µεταξύ τους χρησιµοποιώντας µετασχηµατιστές. Διαχωρίζονται µεταξύ τους µε βάση το επίπεδο τάσης στο οποίο λειτουργούν έτσι αποτελούνται από τα παρακάτω επιµέρους συστήµατα: Σύστηµα παραγωγής Σύστηµα µεταφοράς Σύστηµα υποµεταφοράς Τα δίκτυα αυτά χαρακτηρίζονται από : - Κεντρικό έλεγχο των σταθµών παραγωγής και του συστήµατος µεταφοράς - Απώλειες µεταφοράς και διανοµής, δαπάνες συντήρησης και χαµηλό βαθµό αξιοπιστίας - Προβλήµατα στάθµης τάσεως και αέργου ισχύος - Εκποµπές CO 2 λόγω καύσης ορυκτών καυσίµων σε µονάδες παραγωγής - Μονόδροµη ροή ισχύος

20 Αυτά τα δίκτυα έχουν σχεδιαστεί µε βάση την κεντρική παραγωγή που χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη µεγάλων κεντρικών µονάδων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια που διανέµεται σε ένα µεγάλο σύνολο καταναλωτών. Το σκεπτικό που οδήγησε στη δηµιουργία τέτοιων δικτύων ήταν ότι το κόστος της παραγόµενης ενέργειας µειώνεται µε την αύξηση του µεγέθους των σταθµών παραγωγής ενέργειας. Η διαπίστωση αυτή έπαιξε σηµαντικό ρόλο για την δοµή των ηλεκτρικών δικτύων, καθώς βασικότερα κριτήρια για την ηλεκτροπαραγωγή ήταν το κόστος και η απόδοση. Έτσι οι νέοι σταθµοί παραγωγής, κατασκευάζονταν µε όλο και µεγαλύτερη ισχύ ώστε να µειωθεί το κόστος της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το κριτήριο αυτό άφηνε σε δεύτερη µοίρα άλλους παράγοντες που σχετίζονταν µε το µέγεθος και την τοποθεσία των ηλεκτρικών σταθµών παραγωγής όπως το περιβαλλοντικό κόστος και την εκµετάλλευση της παραγόµενης θερµότητας. Η πρακτική αυτή είχε ως αποτέλεσµα την δηµιουργία τεράστιων σταθµών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, παράλληλα µε την κατασκευή ολοένα και µεγαλύτερων δικτύων µεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας µε γραµµές υψηλής και πολύ υψηλής τάσης (µέχρι και 700KV).

21 Οπότε, ένα τυπικό ηλεκτρικό δίκτυο, βασίζεται στην συγκεντρωµένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από λίγους και µεγάλης ισχύος σταθµούς-, την µεταφορά της σε αστικά κέντρα µε γραµµές υψηλής τάσης και στη συνέχεια τη διανοµή της ηλεκτρικής ενέργειας µε γραµµές µέσης και χαµηλής τάσης. Ο τρόπος µε τον οποίο έχουν κατασκευαστεί τα τυπικά δίκτυα µέχρι σήµερα έχει βασικό χαρακτηριστικό τη µονόδροµη ροή ηλεκτρικής ισχύος, δηλαδή το δίκτυο παρέχει ενέργεια σε καταναλωτές και δεν δέχεται µε ευκολία ενέργεια από πηγές διαφορετικές των κεντρικών σταθµών. Κατά συνέπεια δεν είναι δυνατόν να µιλάµε για εφαρµογή κατανεµηµένης παραγωγής χωρίς να µελετήσουµε την επίδραση που αυτή έχει στο υπάρχον σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας,το οποίο έχει σχεδιαστεί µε τη φιλοσοφία της κεντρικής παραγωγής, και τα πιθανά προβλήµατα που µπορεί να δηµιουργήσει Δίκτυα µεταφοράς και διανοµής Τα χαρακτηριστικά των δικτύων µεταφοράς και διανοµής είναι πολύ σηµαντικά από τεχνικής άποψης καθώς εµφανίζουν ουσιαστικές διαφοροποιήσεις µεταξύ τους. Πρώτον, τα δίκτυα διανοµής έχουν σχεδιαστεί για διαφορετικό σκοπό από τα δίκτυα µεταφοράς µε κύρια διαφορά ότι τα συστήµατα διανοµής δεν έχουν σχεδιαστεί για τη σύνδεση τους µε συσκευές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.επί παραδείγµατι η σύνδεση της κατανεµηµένης παραγωγής οδηγεί σε αλλαγή της τιµής του ρεύµατος σφάλµατος, ως εκ τούτου, επανασχεδιασµός του τοπικού συστήµατος προστασίας από σφάλµατα ενδέχεται να απαιτηθεί.επιπλέον τα δίκτυα διανοµής είναι συνήθως ακτινικά ή βροχοειδή που λειτουργούν ακτινικά και όχι διασυνδεδεµένα δηλαδή η ροή ενέργειας στα δίκτυα αυτά είναι συνήθως προς µία διεύθυνση οπότε µε τη σύνδεση µονάδων κατανεµηµένης παραγωγής η ροή ισχύος αλλάζει. Δεύτερον, οι γραµµές υψηλής τάσης, π.χ. γραµµές µεταφοράς έχουν χαµηλή αντίσταση σε σύγκριση µε τους αγωγούς χαµηλής τάσης των δικτύων διανοµής. Στις γραµµές µεταφοράς η επίδραση της αντίστασης καλωδίου (R) στην πτώση τάσης είναι µικρή, αφού το µέγεθός της είναι εν γένει λιγότερο από την αντίδραση (X), δηλαδή X / R > 5.Ως εκ τούτου, η αντίδραση είναι η πιο σηµαντική παράµετρος στην πτώση τάσης και τις απώλειες των αγωγών. Στα συστήµατα διανοµής, ωστόσο, η αντίσταση στις γραµµές είναι συχνά µεγαλύτερη ή τουλάχιστον παρόµοια µε την αυτεπαγωγή. Οπότε η αντίσταση της γραµµής διανοµής προκαλεί σηµαντική πτώση τάσης κατά µήκος των γραµµών διανοµής και συνεπώς παρουσιάζονται αυξηµένες

22 οι απώλειες γραµµής [31]. Η σύνδεση της κατανεµηµένης παραγωγής µπορεί εποµένως να έχει σηµαντική επιρροή στο τοπικό επίπεδο τάσης. Τρίτον, η χαµηλή τάση στα άκρα των συστηµάτων διανοµής δεν είναι συνήθως συνδεδεµένη µε τα συστήµατα επιτήρησης και ελέγχου δεδοµένων (SCADA), συνεπώς η συλλογή δεδοµένων που απαιτούνται για τον έλεγχο του συστήµατος διανοµής, όπως και των µονάδων ΚΠ είναι αρκετά δύσκολη. Η πολυπλοκότητα συλλογής δεδοµένων για τον έλεγχο του συστήµατος σε ανταγωνιστικές αγορές αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι οι ανεξάρτητοι παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας λειτουργούν τις µονάδες τους, σύµφωνα µε τα µηνύµατα των τιµών της αγοράς, που δεν αντιστοιχούν απαραίτητα στις απαιτήσεις των συστηµάτων ελέγχου στις τοπικές περιοχές παραγωγής και διανοµής. Οι επιδράσεις των µονάδων ΚΠ στο δίκτυο διανοµής που συνδέονται συνίστανται λοιπόν στα παρακάτω Αύξηση στην ισχύ βραχυκυκλώσεως Αλλαγή της εικόνας τάσης (συνήθως είναι ανύψωση τάσης οπότε δρά ευεργετικά κατά τις ώρες µεγίστου φορτίου, µπορεί όµως να µην είναι αποδεκτή κατά τις ώρες ελαχίστου φορτίου) Εισαγωγή στο δίκτυο ρευµάτων ανώτερων αρµονικών που επηρεάζουν την ποιότητα της παρεχόµενης ισχύος Δυσχέρεια στην προγραµµατισµένη συντήρηση του δικτύου, διότι η τροφοδότηση από πολλά σηµεία επηρεάζει τις διαδικασίες ασφάλειας δυσχέρεια στη ρύθµιση των διατάξεων προστασίας µε επιπλέον απαίτηση προστασίας έναντι της νησιδοποίησης αλλαγή των απωλειών του δικτύου επίδραση στα σήµατα ακουστικής συχνότητας που µεταφέρονται στο δίκτυο διανοµής Σύνδεση κατανεµηµένης παραγωγής Η τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και η σύνδεση µε το δίκτυο της κατανεµηµένης παραγωγής µπορεί να διαφέρει σηµαντικά από την παραδοσιακή κεντρική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.οι µεγάλες µονάδες παραγωγής ενέργειας

23 ισχύος στο σύστηµα. Οι µεγάλες µονάδες ΚΠ επίσης, αξιοποιώντας φυσικό αέριο, για παράδειγµα, κάνουν χρήση σύγχρονων γεννητριών. Οι µεσαίου αλλά ιδιαίτερα οι µικρού µεγέθους µονάδες ΚΠ συχνά χρησιµοποιούν ασύγχρονες γεννήτριες (επίσης γνωστές ως επαγωγικές γεννήτριες), δεδοµένου ότι είναι σηµαντικά φθηνότερες από τις σύγχρονες γεννήτριες. Οι ασύγχρονες γεννήτριες ωστόσο, έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας από τις σύγχρονες. Για παράδειγµα, µια απευθείας διασυνδεδεµένη ασύγχρονη γεννήτρια δεν είναι σε θέση για την παροχή άεργου ισχύος αλλά απαιτεί άεργο ισχύ από το δίκτυο κατά τη διάρκεια της εκκίνησης της διαδικασίας και εν λειτουργία. Διαφορετικές τεχνικές επιλογές υπάρχουν για να ξεπεραστούν τα µειονεκτήµατα της διασύνδεσης ασύγχρονης γεννήτριας, από µονάδες κατανεµηµένης παραγωγής, όπως πυκνωτές και ηλεκτρονικά ισχύος [13]. Και τέλος, οι πολύ µικρές µονάδες, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, οι µπαταρίες, οι κυψέλες καυσίµου πρέπει να συνδεθούν µέσω διεπαφής (µετατροπέας) µε το δίκτυο, καθώς αυτά τα µικρο-συστήµατα παράγουν συνεχές ρεύµα. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά ισχύος προσφέρουν διαφορετικές λύσεις για τη µετατροπή του ρεύµατος από συνεχές σε εναλλασσόµενο και την παραγωγή ενεργούς / άεργου ισχύος µε την απαιτούµενη συχνότητα. Οι µετατροπείς αυτοί εισάγουν «επίσης νέα ζητήµατα ελέγχου και νέες δυνατότητες» για την ολοκλήρωση των δικτύων αφού µπορεί να χρησιµοποιηθούν για ελέγχο της τάσης στο δίκτυο διανοµής, για παράδειγµα [14]. Σε ορισµένες περιπτώσεις, ένα πρόβληµα που µπορεί να προκύψει είναι ότι οι µετατροπείς αλληλεπιδρούν µέσω του δικτύου διανοµής πράγµα που µπορεί να οδηγήσει σε διακυµάνσεις στην παροχή ρεύµατος ή σε ταλαντώσεις στα δίκτυα διανοµής. Ωστόσο, τέτοιες περιπτώσεις φαίνεται να είναι πολύ σπάνιες [15]. Αυτή η µεγάλη ποικιλία επιλογών για σύνδεση µε το δίκτυο της κατανεµηµένης παραγωγής καθιστά την ανάλυση της ένταξης στο δίκτυο ένα ζήτηµα ιδιαίτερα πολύπλοκο. Επιπλέον, οι συνθήκες στο τοπικό δίκτυο έχουν σηµαντική επίδραση στα σχετικά θέµατα ένταξης. Ως εκ τούτου, για κάθε δίκτυο θα απαιτείται λεπτοµερής ανάλυση όλων των παραµέτρων λειτουργίας. Υπάρχει ωστόσο στη βιβλιογραφία µελέτη των τεχνικών ζητηµάτων που εµπλέκονται στην ανάλυση της σύνδεσης της κατανεµηµένης παραγωγής µε τα δίκτυα διανοµής { ΙΕΕ [16], Stieb [17] } 1.6 Μικροδίκτυα Τα µικροδίκτυα είναι ένας συνδυασµός κατανεµηµένης παραγωγής, µονάδων αποθήκευσης και φορτίων που λειτουργεί παράλληλα σε συνδυασµό µε το δίκτυο είτε και αυτόνοµα.τα µικροδίκτυα είναι δίκτυα που περιλαµβάνουν τουλάχιστον µία πηγή κατανεµηµένης παραγωγής και φορτία που έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν αυτόνοµα ( island ) εντός του δικτύου διανοµής εάν χρειαστεί Επειδή η παραγωγή ορισµένων µονάδων ΚΠ είναι απρόβλεπτη είναι αναγκαία η χρήση

24 κατανεµηµένης αποθήκευσης, δηλαδή της ύπαρξης τοπικών µέσων αποθήκευσης της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας. Ο σχεδιασµός του µικροδικτύου είναι ανεξάρτητος από το κεντρικό δίκτυο, ωστόσο µπορεί να υπάρχει διασύνδεση µε αυτό, για ανταλλαγή ενέργειας Οι πηγές ενέργειας ενός µικροδικτύου είναι οι γεννήτριες ντίζελ ή φυσικού αερίου, συµπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού (γεννήτριες, µικροστρόβιλοι), οι ανεµογεννήτριες, τα φωτοβολταϊκά, οι κυψέλες καυσίµου, οι µονάδες που χρησιµοποιούν ως πρώτη ύλη βιοµάζα ή οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας. Η κλίµακα του µικροδικτύου ποικίλει, από µια οικία που χρησιµοποιεί ένα υβριδικό σύστηµα φωτοβολταϊκών, µέχρι και µια πόλη που τροφοδοτείται από σταθµούς βιοµάζας, γεννήτριες ντίζελ και αιολικά πάρκα. Ένα µικροδίκτυο µπορεί να έχει δυνατότητα διασύνδεσης µε το κεντρικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργεια έτσι ώστε να είναι δυνατή η ανταλλαγή ενέργειας. Παροχή πλεονάζουσας ενέργειας σ αυτό, ή απορρόφηση ενέργειας όταν οι µονάδες του µικροδικτύου δεν επαρκούν να καλύψουν τη ζήτηση. Ακόµη σε περίπτωση µόνιµα διασυνδεδεµένης λειτουργίας είναι δυνατή η αξιόπιστη τροφοδότηση του µικροδικτύου από τις δικές του µονάδες σε περίπτωση κατάρρευσης του κεντρικού δικτύου. Στην περίπτωση παραλληλισµένης λειτουργίας µε το κυρίως δίκτυο ένα µικροδίκτυο µπορεί να προσφέρει σηµαντικό όφελος στη λειτουργία του πρώτου. Μπορεί να υποστηρίξει το κεντρικό δίκτυο µε το να παρέχει ή να απορροφά άεργο ισχύ όποτε αυτό είναι απαραίτητο ακόµη και για µικρά χρονικά διαστήµατα. Βασικό µέληµα βέβαια θα είναι το µικροδίκτυο να µην δηµιουργεί προβλήµατα στο κυρίως δίκτυο, δηλαδή η τάση που θα παράγει να είναι αποδεκτής ποιότητας ενώ η ενέργεια που θα απορροφά να είναι της τάξης ενός τυπικού καταναλωτή. Ο έλεγχος ενός τέτοιου δικτύου είναι αρκετά πολύπλοκος και απαιτεί τη χρήση ηλεκτρονικών µετατροπέων ισχύος, για τη διασύνδεση των πηγών ενέργειας του µικροδικτύου µε τους ζυγούς του κεντρικού ηλεκτρικού δικτύου. Οι µετατροπείς αυτή επιτρέπουν τον έλεγχο της τάσης και της συχνότητας, µέσω της ροής ενεργού και αέργου ισχύος από το µικροδύκτιο στο κυρίως δίκτυο Βασικά χαρακτηριστικά µικροδικτύων Τα µικροδίκτυα ουσιαστικά είναι µικρογραφίες των µεγάλων δηµοσίων δικτύων που συνδέονται άµεσα µε την έννοια της κατανεµηµένης παραγωγής και προσφέρουν τη δυνατότητα εκµετάλλευσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε αποµονω -µένους από το κεντρικό δίκτυο καταναλωτές. Όπως τα κανονικά ηλεκτρικά δίκτυα και αυτά αποτελούνται από µονάδες παραγωγής ενέργειας και καταναλωτές ( φορτία ). Οι µονάδες παραγωγής µπορεί να είναι είτε συµβατικές είτε να χρησιµοποιούν ανανεώσιµες πηγές ενέργειας και εξυπηρετούν καταναλωτές που απαιτούν αδιάλειπτη τροφοδοσία παροχή ισχύος υψηλής ποιότητας. Μέσα από τη βιβλιογραφία δίνονται και επιπλέον χαρακτηριστικά στα µικροδίκτυα σχετικά µε την ισχύ των µονάδων παραγωγής που τα αποτελούν ή σε σχέση µε το σηµείο που

25 συνδέονται µε το κεντρικό δίκτυο. Τα βασικά τους χαρακτηριστικά είναι η θέση των µονάδων παραγωγής έναντι των καταναλώσεων και η δυνατότητα προσθήκης νέων µονάδων παραγωγής µε δυνατότητα διατήρησης της ευστάθειας του συστήµατος Διαφοροποίηση σχετικά µε την ισχύ Βασικό χαρακτηριστικό ενός µικροδυκτίου είναι η χρησιµοποίηση µονάδων παραγωγής που κυµαίνονται από µερικές δεκάδες έως εκατοντάδες kw, δηλαδή η σχετικά χαµηλή ισχύς παραγωγής.σε κάποιες αναφορές [18] [19] τίθεται περιορισµός στην ισχύ, λαµβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι αποτελούν µικρά ηλεκτρικά δίκτυα που τροφοδοτούν µε ισχύ συγκεκριµένες καταναλώσεις ενώ κάποιες άλλες δεν θέτουν περιορισµό στο εύρος ισχύος αλλά το θέτουν από 1kW µέχρι 10 Μw [20] [21] [22] Διαφοροποίηση σχετικά µε το σηµείο σύνδεσης Τα µικροδίκτυα είναι πιθανό να λειτουργούν αυτόνοµα από το υπόλοιπο δίκτυο είτε λόγω σχεδιασµού είτε λόγω βλάβης που οδήγησε σε αποµόνωση και αυτόνοµη λειτουργία [4]. Όταν λειτουργούν συνδεδεµένα µε το κυρίως δίκτυο υπάρχουν διάφοροι τρόποι σύνδεσης, δηλαδή εάν γίνεται στη µέση ή στη χαµηλή τάση ή και σε περισσότερες θέσεις, ανάλογα µε το µέγεθος του µικροδυκτίου ( ισχύς των µονάδων παραγωγής ). Οι µικρές µονάδες παραγωγής σε συνδυασµό µε κάποια φορτία συνδέονται συνήθως στην πλευρά χαµηλής τάσης, ενώ συστήµατα µεγαλύτερου µεγέθους στην µέση τάση. Εάν οι µονάδες παραγωγής µαζί µε τα φορτία που αποτελούν το µικροδίκτυο λειτουργούν υπό χαµηλή τάση συνδέονται µε το κυρίως δίκτυο στην πλευρά µέσης τάσης και όταν το µικροδύκτιο είναι δίκτυο µέσης τάσης συνδέεται στην πλευρά υψηλής τάσης. Γενικότερα οι µονάδες παραγωγής συνδέονται όλες µαζί σε ένα κοινό σηµείο που αποτελεί και το σηµείο σύνδεσης του µικροδικτύου µε το υπόλοιπο δίκτυο. Σε µεγαλύτερης κλίµακας δίκτυα, προκειµένου να διατηρείται η αξιοπιστία,υπάρχει περίπτωση να απαιτούνται περισσότερα σηµεία σύνδεσης αυξάνοντας όµως την πολυπλοκότητα του ελέγχου. Το σηµείο σύνδεσης αποτελεί ίσως το σηµαντικότερο παράγοντα στον σχεδιασµό του µικροδυκτίου, καθώς σε κάποια σηµεία τα χαρακτηριστικά του κυρίως δικτύου, τάση και συχνότητα, µπορεί να είναι µεταβαλλόµενα µε συνέπεια να δηµιουργείται πρόβληµα στον έλεγχο του µικροδικτύου Θέση µονάδων παραγωγής

26 Η θέση των µονάδων παραγωγής στα µικροδίκτυα είναι συνήθως κοντά στην κατανάλωση πράγµα που ελαχιστοποιεί το κόστος µεταφοράς και διανοµής, καθώς και τις απώλειες αυξάνοντας έτσι την συνολική απόδοση του συστήµατος. Εκτός από τη σκοπιά της απόστασης η θέση των µονάδων παραγωγής δηλώνει και την σχέση µε την τάση, που είναι η χαµηλή τάση του δικτύου και τάση των καταναλωτών Χαρακτηριστικά λειτουργίας [11 23] Ένα µικροδίκτυο είναι ικανό να συνεχίσει τη λειτουργία του ανεξάρτητα από τις µονάδες που είναι συνδεδεµένες σε αυτό ή από την απώλεια κάποιας µονάδας. Χαρακτηρίζεται και ως λειτουργία «peer to peer» που σηµαίνει οµότιµη συµµετοχή διάθεση των πόρων ενός συστήµατος, χαρακτηριστικό της λειτουργίας των υπολογιστικών συστηµάτων.με τον τρόπο αυτό διασφαλίζεται ότι δεν υπάρχουν κεντρικές µονάδες που να έχουν κρίσιµο ρόλο στη λειτουργία του συστήµατος και εξασφαλίζεται η συνεχής λειτουργία σε συνθήκες απώλειας ορισµένων µονάδων παραγωγής. Επιπλέον χαρακτηριστικό της λειτουργίας ενός µικροδικτύου είναι η δυνατότητα που έχει να µην χρειάζεται επανα- προγραµµατισµό των ελέγχων του εάν προστεθεί κάποια µονάδα παραγωγής ή κάποιο επιπλέον φορτίο.με τον τρόπο αυτό οι µονάδες παραγωγής µπορούν να συνδεθούν σε οποιοδήποτε σηµείο του δικτύου. Βασικό ρόλο στην εξασφάλιση των παραπάνω χαρακτηριστικών λειτουργίας παίζουν οι µετατροπείς ισχύος που χρησιµοποιούνται στα µικροδίκτυα και δίνουν τη δυνατότητα επέκτασης καθώς και την ικανότητα να προσαρµόζονται σε όλες τις καταστάσεις ζήτησης και τροφοδοσίας. Ένα τυπικό µικροδύκτιο µε φωτοβολταϊκά, γεννήτρια συµπαραγωγής ηλεκτρισµού-θερµότητας, επαγωγικό κινητήρα και σφόνδυλο υψηλής αδράνειας που συνδέεται στο κεντρικό δίκτυο φαίνεται σε σχήµα που ακολουθεί παρακάτω ( Σχήµα 1)

27 Σχήµα 1 : Τυπικό µικροδύκτιο

28 Κεφάλαιο 2 ο Τύποι τεχνολογιών διασπαρµένης παραγωγής Distributed Energy Resources (DER) 2.1 Κυριότεροι τύποι τεχνολογιών H κατανεµηµένη παραγωγή χρησιµοποιεί µία πληθώρα τεχνολογιών εκµεταλλευόµενη από συµβατικές και µη αλλά και ανανεώσιµες πηγές ενέργειας.οι τεχνολογίες κατανεµηµένης παραγωγής αποτελούνται κυρίως από συστήµατα παραγωγής ενέργειας και συστήµατα αποθήκευσης που τοποθετούνται στον τελικό χρήστη ή κοντά σε αυτόν. Περιλαµβάνουν συστήµατα παραγωγής που χρησιµοποιούν ορυκτά καύσιµα καθώς και συστήµατα ανανεώσιµων πηγών ενέργειας όπως τα φωτοβολταϊκα, οι ανεµογεν- νήτριες κλπ. Οι κυριότερες τεχνολογίες που απαρτίζουν την ΚΠ και τα τυπικά µεγέθη ισχύος παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα ( Πίνακας 2.1 ) : Πίνακας 2.1 Τεχνολογίες Κατανεµηµένης Παραγωγής και τυπικά µεγέθη

29 Οι τεχνολογίες κατανεµηµένης παραγωγής που αναπτύσσονται στο κεφάλαιο αυτό είναι οι παρακάτω : Κυψέλες καυσίµου (Fuel Cells ) Φωτοβολταϊκών συστηµάτων Αιολικής ενέργειας Συµπαραγωγής Ηλεκτρισµού Θερµότητας ( ΣΗΘ ) 2.2 Κυψέλες καυσίµου (Fuel Cells) Τρόπος λειτουργίας κυψελών καυσίµου Σαν κυψέλη καυσίµου ορίζεται εκείνη η ηλεκτροχηµική συσκευή που παράγει ηλεκτρική ενέργεια µε το συνδυασµό του υδρογόνου, από ένα πλούσιο σε υδρογόνο καύσιµο (µεθάνιο, µεθανόλη, προπάνιο ή βιοµάζα), µε οξυγόνο (συνήθως από τον αέρα) για την παραγωγή ηλεκτρισµού, θερµότητας, και νερού. Εν γένει η κυψέλη καυσίµου αποτελείται από ένα αρνητικά φορτισµένο ηλεκτρόδιο (άνοδος), ένα θετικά φορτισµένο ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και µια µεµβράνη ηλεκτρολύτη. Το υδρογόνο οξειδώνεται στην άνοδο και το οξυγόνο ανάγεται στην κάθοδο. Τα πρωτόνια περνούν από την άνοδο στην κάθοδο µέσα από την ηλεκτρολυτική µεµβράνη, και τα ηλεκτρόνια οδηγούνται στην κάθοδο µέσω ενός εξωτερικού κυκλώµατος. Στις κυψέλες καυσίµου τα πρωτόνια του υδρογόνου παραµένουν σε ιονισµένη κατάσταση ( αν και στη φύση τα µόρια δεν µένουν σε ιονισµένη κατάσταση αλλά επανασυνδέονται µε άλλα ώστε να επανέρθουν σε ουδέτερη κατάσταση ) καθώς ταξιδεύουν από µόριο σε µόριο µέσω της χρήσης ειδικών υλικών. Τα πρωτόνια περνούν µέσα από την µεµβράνη πολυµερούς η οποία είναι φτιαγµένη από οµάδες θειικού οξέος µε βάση από Teflon. Τα ηλεκτρόνια ελκύονται από αγώγιµα υλικά και ταξιδεύουν προς το φορτίο όταν χρειάζεται. Στην κάθοδο, το οξυγόνο αντιδρά µε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, σχηµατίζοντας νερό και παράγοντας θερµότητα. Ο ρόλος του καταλύτη που περιέχεται µεταξύ ανόδου και καθόδου είναι να συµβάλει στην επιτάχυνση των αντιδράσεων Κάθε µεµονωµένη κυψέλη καυσίµου παράγει λιγότερο από ένα βολτ δυναµικού, έτσι τα κύτταρα πρέπει να στοιβάζονται για να επιτευχθεί η επιθυµητή τάση. Τυπικά επίπεδα ισχύος κυψελών καυσίµου είναι από 2 κιλοβάτ (kw) σε 2 MW, και έχουν ηλεκτρική απόδοση που κυµαίνεται 45 έως 65 τοις εκατό και επιπλέον µε την ανάκτηση θερµότητας, η απόδοση µπορεί να φθάσει το 85 τοις εκατό

30 Το πιο γνωστό είδος είναι η κυψέλη καυσίµου µε µεµβράνη ανταλλαγής πρωτονίου ( PEM ). Μία κυψέλη καυσίµου PEM αποτελείται από τα παρακάτω µέρη: Έχει δύο ηλεκτρόδια που διαχωρίζονται από µία µεµβράνη, η οποία έχει το ρόλο του ηλεκτρολύτη. Μεταξύ της µεµβράνης και των ηλεκτροδίων υπάρχει ένα στρώµα καταλύτη. (Εικόνα 2.1) Εικόνα 2.1 : PEM fuel cell Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρισµού είναι η παρακάτω : Το υδρογόνο τροφοδοτεί την άνοδο της κυψέλης ( αρνητικό ηλεκτρόδιο ) το οποίο ερχόµενο σε επαφή µε τον καταλύτη διαχωρίζεται σε θετικά φορτισµένα ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια τα οποία απελευθερώθηκαν µεταφέρονται µέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώµατος στην κάθοδο δηµιουργώντας ηλεκτρισµό αφού η µεµβράνη αποτρέπει τη διέλευση διαµέσου της. Για αυτό το λόγο για την άνοδο και το καταλύτη διαλέγονται αγώγιµα υλικά. Τα θετικά φορτισµένα ιόντα του υδρογόνου διαπερνούν τη µεµβράνη και ενώνονται µε το οξυγόνο το οποίο τροφοδοτεί την κάθοδο ( θετικό ηλεκτρόδιο ) και παράγεται νερό. Ο καταλύτης αναλαµβάνει την επιτάχυνση της δηµιουργίας του νερού από τα συστατικά του.

31 Στο σχηµατισµό του νερού συµµετέχουν εκτός των µορίων του οξυγόνου και των ιόντων του υδρογόνου, τα ηλεκτρόνια τα οποία διοχετεύτηκαν µέσω του εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώµατος στην κάθοδο, στην αρχή της διαδικασίας. Τα δύο στρώµατα καταλύτη χρησιµεύουν στην αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων διάσπασης του µορίου του υδρογόνου και της ένωσης υδρογόνου οξυγόνου για τη δηµιουργία νερού, στην άνοδο και στην κάθοδο αντίστοιχα. Συνήθως αποτελείται από ένα πολύ λεπτό στρώµα λευκόχρυσου ( Pt ) πάνω σε επιφάνεια άνθρακα. Το στρώµα αυτό είναι και το µέρος του καταλύτη το οποίο βρίσκεται σε επαφή µε τη µεµβράνη. Οι χηµικές αντιδράσεις οι οποίες περιγράφουν τη λειτουργία είναι οι παρακάτω : 2Η2 >4Η + + 4e Η + + 4e- > 2Η20 2Η2 +02 >2Η Άλλες τεχνολογίες κυψελών καυσίµου Ο διαχωρισµός των κυψελών καυσίµου γίνεται µε βάση τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιµοποιείται όπου ο καθένας έχει διαφορετική θερµοκρασία λειτουργίας και διαφορετικά υλικά κατασκευής παρα- µένοντας όµως στην ίδια φιλοσοφία λειτουργίας. Ανάλογα µε την εφαρµογή επιλέγεται ο κατάλληλος τύπος κυψέλης καυσίµου. Μερικές επιπλέον τεχνολογίες κυψελών καυσίµου είναι οι παρακάτω : Αλκαλικές κυψέλες καυσίµου ( Alkaline FC s) Εικόνα 2.2 : Χρησιµοποιούν ένα υγρό διάλυµα από υδροξείδιο του καλίου ως ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι µέσα σε ένα καλούπι, απ όπου το υδρογόνο µπορεί να περάσει αλλά τα ηλεκτρόνια όχι. Όπως κ στα PEM FC s, έτσι και εδώ η χαµηλή θερµοκρασία λειτουργίας, µεταξύ 70 ο C και 90 ο C, δίνει το πλεονέκτηµα της γρήγορης εκκίνησης µε την απόδοση να είναι γύρω στο 50%. Από τα κύρια µειονεκτήµατα των AFC είναι η µη ανοχή στο διοξείδιο του άνθρακα, όπου εξαιτίας αυτού δεν µπορούν να χρησιµοποιήσουν τον εξωτερικό αέρα για την παροχή του οξυγόνου αλλά διαθέτουν ένα σύστηµα που να αφαιρεί το διοξείδιο του άνθρακα από τον εισαγόµενο αέρα. Η χρήση διαβρωτικού ηλεκτρολύτη αποτελεί ένα ακόµα µειονέκτηµα διότι µειώνει τη διάρκεια ζωής και παράλληλα αυξάνει το κόστος λειτουργίας Κυψέλες Φωσφορικού Οξέος ( Phosphoric Acid FC s ) Εικόνα 2.3 : Χρησιµοποιούν ως ηλεκτρολύτη το φωσφορικό οξύ το οποίο περιέχεται σε µια µήτρα από Teflon που το κρατάει κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων. Χαρακτηρίζονται από υψηλή θερµοκρασία λειτουργίας διότι το νερό, που παράγεται σαν παρα-προϊόν, σε χαµηλή θερµοκρασία θα διαλυθεί µέσα στον ηλεκτρολύτη. Η θερµοκρασία πρέπει να

32 είναι υψηλή ώστε να αποµακρύνει το νερό µε τη διαδικασία της εξάτµισης. Η θερµοκρασία λειτουργίας είναι µεταξύ 175ο C -200ο C. Δεν µπορεί να είναι υψηλότερη γιατί στους 210ο C το φωσφορικό οξύ θα αρχίσει να αποσυντίθεται. Η απόδοση τους είναι περίπου 40 %.Το κύριο πλεονέκτηµα τους είναι κατά κύριο λόγο η αντοχή τους στις τυχόν ακαθαρσίες στο καύσιµο του άνθρακα. Αυτή η ικανότητα να λειτουργεί µε µη αµιγές καύσιµο το κάνει πιο φτηνό για λειτουργικούς λόγους. Μειονεκτήµατα αυτού του τύπου κυψέλης καυσίµου είναι ότι χρησιµοποιεί ακριβό καταλύτη πράγµα που αυξάνει το κόστος, επίσης χρειάζεται προθέρµανση για να λειτουργήσει κανονικά και τέλος παράγει σχετικά µικρό ρεύµα και µειωµένη πυκνότητα ισχύος. Εικόνα 2.2 : Alkaline FC

33 Εικόνα 2.3 : Phosphoric Acid Fuel Cell Κυψέλες στερεών οξειδίων ( Solid Oxide FC s ) Εικόνα 2.4 : Εδώ ο ηλεκτρολύτης είναι µια στερεή µη-πορώδης κεραµική ουσία η οποία χρησιµοποιεί οξείδιο του ζιρκονίου στο οποίο έχει προστεθεί αέριο. Αυτό το υλικό είναι ένας άριστος αγωγός από αρνητικά φορτισµένα ιόντα σε υψηλές θερµοκρασίες. Κάτι πολύ σηµαντικό είναι ότι µια SOFC µπορεί να χρησιµοποιήσει διοξείδιο του άνθρακα εξίσου καλά µε το υδρογόνο ως κύριο καύσιµο. Λόγω της ικανότητας της να λειτουργεί σε υψηλές θερµοκρασίες έχουν το πλεονέκτηµα να λειτουργούν σε µία πληθώρα καυσίµων