Η εξέλιξη των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας

Transcript

1 Η εξέλιξη των Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας από την οικονομία του μεγάλου στην ευελιξία του έξυπνου Παναγής Βοβός Λέκτορας

2 Τι είναι το ΣΗΕ? Είναι σύστημα που παράγει, μεταφέρει, διαχειρίζεται και καταναλώνει την ηλεκτρική ενέργεια ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΔΙΑΝΟΜΗ ΜΕΓΑΛΑ ΦΟΡΤΙΑ ΦΟΡΤΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ

3 Παραγωγή Διάφορες πηγές ενέργειας μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια (Συμβατικές Πηγές) Ρύποι Υδρατμοί νερού ψύξης (π.χ. από λίμνη) Γεννήτρια Νερό Ψύξη Το καύσιμο μεταφέρεται Κατανάλωση καυσίμου (π.χ. καύση) Ατμός Περιστροφή στροβίλου Τυπικό ατμοηλεκτρικό εργοστάσιο Σύστημα μεταφοράς

4 Παραγωγή Διάφορες πηγές ενέργειας μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια (Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειες - ΑΠΕ) Ηλεκτρική ενέργεια Ηλιακή ενέργεια Απορροφάται ένα τμήμα της ενέργειας που υπάρχει, και ανανεώνεται συνεχώς, στον πλανήτη: 1) Μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια και στη συνέχεια σε ηλεκτρική μέσω γεννητριών (άνεμος, ύδατα, γεωθερμία κλπ) 2) Μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική (φωτοβολταϊκά, κύτταρα καυσίμου κλπ) Φωτόνια Αντιανακλαστική επίστρωση αιολική ενέργεια Ροή e- Ηλεκτρική ενέργεια Ροή p+ Τύπου Τύπου n p-n p ένωση Γεννήτρια Αρχή λειτουργίας φωτοβολταϊκών Αρχή λειτουργίας ανεμογεννητριών

5 Μεταφορά Διασύνδεση παραγωγής με κατανάλωση ή μεταξύ διαφορετικών δικτύων με ηλεκτρικούς αγωγούς μεγάλης διατομής και υψηλή τάση Αγωγοί αλουμινίου (ηλ. αγωγ.) Απαιτείται: συνήθως, τα μεγάλα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκονται μακριά από τα σημεία μεγάλης κατανάλωσης (πόλεις, βιομηχανίες κλπ). Ισχύει: η διασύνδεση μεταξύ παραγωγήςκατανάλωσης ή μεταξύ διαφορετικών ΣΗΕ με περισσότερες της μίας διαδρομής αυξάνει την αξιοπιστία τροφοδοσίας. Ατσάλινοι ράβδοι (μηχ. αντοχή) Οι απώλειες μεταφοράς είναι ανάλογες με το τετράγωνο του ρεύματος (I² R). Με μετασχηματιστές ανύψωσης ανυψώνουμε τη τάση που μεταφέρεται η ηλεκτρική ισχύς, οπότε μειώνονται οι απώλειες. Έτσι, έχουμε γραμμές μεταφοράς που δουλεύουν στα 150kV, 400kV, 1000kV, ενώ πειράματα γίνονται για την κατασκευή γραμμών των 2000kV. Μονωτικοί δίσκοι (~20kV/δίσκο)

6 Διανομή Δίκτυο τροφοδοσίας φορτίων Η ενέργεια μεταφέρεται οικονομικά σε υψηλή τάση, αλλά δεν μπορεί να καταναλωθεί εύκολα. Με μετασχηματιστές υποβιβασμού την υποβιβάζουμε σε επίπεδα τάσης για οικιακή ή βιομηχανική κατανάλωση (π.χ. 150kV 230V). Οι γραμμές διανομής αναλαμβάνουν τη μεταφορά της από κεντρικούς κόμβους του συστήματος μεταφοράς στα σημεία κατανάλωσης (φορτία). Γραμμές δικτύου διανομής Σύστημα μεταφοράς (π.χ. 400kV) Μετασχηματιστής διανομής (υποβ. στα 230V) Προς άλλα φορτία Υποσταθμός: μετασχηματιστές υποβιβασμού (π.χ. στα 20kV) και αναχωρήσεις γραμμών διανομής Φορτίο (οικιακός καταναλωτής)

7 Φορτία Σημεία κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας Φορτίο είναι κάθε είδους συσκευή, μηχανή ή σύστημα που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια, όντας συνδεμένο στο ΣΗΕ. Οικιακά φορτία, δημόσιοι χώροι Αντλησιοταμίευση Μέσα μεταφοράς (τραίνα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα) Μεγάλοι καταναλωτές (εργοστάσια, βιοτεχνίες κλπ)

8 Ισορροπία Αποθήκευση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα ακριβή: πρέπει συνεχώς η συνολική παραγωγή να ισούται με το συνολικό φορτίο. Διαφορετικά; - Αν Παραγωγή > Φορτίο : η περίσσεια αποδίδεται ως αύξηση της κινητικής ενέργειας στις στρεφόμενες γεννήτριες, οπότε αυξάνεται η συχνότητα της τάσης. - Αν Παραγωγή < Φορτίο : το έλλειμμα απορροφάται από την κινητική ενέργεια των στρεφόμενων γεννητριών, οπότε μειώνεται η συχνότητα της τάσης. παραγωγές φορτία

9 Ανάλυση ΣΗΕ (1) Για να μπορέσουμε να πετύχουμε αυτή την ισορροπία χρειάζεται να αναλύσουμε την επίδραση που έχει κάθε τμήμα του ΣΗΕ στην λειτουργία του. Μαθηματικά μοντέλα εξομοίωσης των διάφορων τμημάτων επιτρέπουν την εκτίμηση της συμπεριφοράς των ΣΗΕ με τον υπολογισμό βασικών ηλεκτρικών μεγεθών (ρεύματα, τάσεις κλπ): 1) Υπό κανονικές συνθήκες: ανάλυση ροής φορτίου. Χαρακτηριστικά δικτύου γνωστά (γραμμών, Μ/Σ κλπ) Υπολογισμός τάσεων και ρευμάτων παντού Παραγωγή και φορτίο γνωστά

10 Ανάλυση ΣΗΕ (2) 2) Οικονομικότερη κάλυψη του φορτίου από τις διαθέσιμες παραγωγές, χωρίς να παραβιάζονται οι λειτουργικοί περιορισμοί του δικτύου: βέλτιστη κατανομή φορτίου. Περιοχή με φτηνότερη παραγωγή Περιοχή με ακριβότερη παραγωγή Τμήμα του φορτίου στην περιοχή με την ακριβότερη παραγωγή αναγκαστικά καλύπτεται τοπικά λόγω κορεσμού της βασικής διασυνδετικής γραμμής.

11 Ανάλυση ΣΗΕ (3) 3) Υπολογισμός ρευμάτων και τάσεων κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωμάτων: ανάλυση σφαλμάτων. Κάθε γεννήτρια και κινητήρας συνεισφέρει στο ρεύμα του βραχυκυκλώματος. Υπολογίζεται το συνολικό ρεύμα, αλλά και η συνεισφορά κάθε τμήματος του ΣΗΕ.

12 Προστασία ΣΗΕ Σε περίπτωση σφάλματος στη παραγωγή, στη μεταφορά, στη διανομή ή στο φορτίο, συσκευές επιτηρούν τα ΣΗΕ, έτσι ώστε να: 1) προστατεύεται ο εξοπλισμός από καταστροφές 2) απομονώνεται το μικρότερο κομμάτι του ΣΗΕ πλησίον του σφάλματος, ώστε το υπόλοιπο να λειτουργεί κανονικά Το ΣΗΕ χωρίζεται σε ζώνες επιτήρησης /προστασίας, επικαλυπτόμενες, μερικώς, για επιπλέον ασφάλεια σε περίπτωση που το βασικό σύστημα προστασίας δεν λειτουργήσει.

13 Ευστάθεια ΣΗΕ Η ικανότητα ενός ΣΗΕ να παραμένει σε αποδεκτά όρια λειτουργίας μετά από μία διαταραχή. Μετά από ένα βραχυκύκλωμα η προστασία της γραμμής ανοίγει τους διακόπτες στα άκρα της. Μπορεί η μία γραμμή μετά την άλλη να ξεπερνάει τα λειτουργικά όριά της: το ΣΗΕ καταρρέει! Το ΣΗΕ είναι «ασταθές» μετά από μία διαταραχή επίσης διότι: 1) οι τάσεις δεν μπορούν να διατηρηθούν εντός αποδεκτών ορίων, 2) οι γεννήτριες δεν μπορούν να συνεχίσουν να το τροφοδοτούν με ισχύ επειδή πλέον «τρέχουν» με διαφορετική ταχύτητα μεταξύ τους (αποσυγχρονισμός).

14 Η μετάβαση (1) Οικονομία κλίμακας όσο μεγαλύτερα εργοστάσια παραγωγής, τόσο μεγαλύτερη εξοικονόμηση εξοπλισμού και λειτουργικών δαπανών. Παράδειγμα 1: μία γεννήτρια 20MW κοστίζει πολύ λιγότερο από 2 x 10MW. Παράδειγμα 2: μία μονάδα 100MW χρειάζεται 100 άτομα προσωπικό, αλλά 2 μονάδες 50MW σε διαφορετικές τοποθεσίες χρειάζονται 150 άτομα προσωπικό. Όμως, λίγοι έχουν τα λεφτά να αγοράσουν/κατασκευάσουν μεγάλες μονάδες παραγωγής. Λίγοι συμμετέχουν στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας (ανεξαρτήτως κανόνων). Θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο 4GW 2,000,000,000 περίπου κοστίζει ένα ατμοηλεκτρικό εργοστάσιο κάρβουνου εγκατεστημένης ισχύος 600MW. Ολιγαρχία: «Η εξουσία ασκείται από μικρό τμήμα της κοινωνίας».

15 Η μετάβαση (2) Τεχνολογίες ΑΠΕ Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε προσιτό κόστος (σχεδόν) για τον οποιοδήποτε. Παράδειγμα: φωτοβολταικά 10kWp σε ταράτσα κοστίζουν ~ 10,000. Όλοι μπορούν να αποκτήσουν πρόσβαση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δημοκρατία: «η εξουσία πηγάζει από το λαό, ασκείται από το λαό και υπηρετεί τα συμφέροντα του λαού». Επομένως, ίσως ζούμε τη μετάβαση στα ΣΗΕ από την «ολιγαρχία» στη «δημοκρατία».

16 Οι συνέπειες (1) Όμως η μεγάλη διείσδυση των ΑΠΕ στα ΣΗΕ, είχε και συνέπειες για τη λειτουργία τους: 1) Αλλάζει σε αρκετά σημεία του δικτύου η ροή ισχύος, καθώς μεγάλο μέρος των ΑΠΕ συνδέεται κοντά στο δίκτυο διανομής (κοντά στα φορτία). Η σχεδίαση είχε γίνει θεωρώντας ως μοναδική κατεύθυνση από την παραγωγή προς τα φορτία. ΑΠΕ

17 Οι συνέπειες (2) 1) Στο δίκτυο διανομής αυξάνονται τα ρεύματα σε περιπτώσεις βραχυκυκλωμάτων, αλλάζει η συμπεριφορά του συστήματος σε περιπτώσεις σφαλμάτων. Χρειάζεται αναβάθμιση ή επαναρύθμιση της προστασίας του ΣΗΕ. 2) Συνεχής μεταβολή της παραγωγής ισχύος από ΑΠΕ, π.χ. μεταβολές ανέμου σε ανεμογεννήτριες ή παροδική συννεφιά σε φωτοβολταϊκά, οπότε γίνεται δύσκολη η ισορροπία παραγωγής-φορτίου. Ακριβές στη λειτουργία γεννήτριες «γρήγορης» απόκρισης ή μονάδες αποθήκευσης αναλαμβάνουν την εξισορρόπηση του στιγμιαίου πλεονάσματος η ελλείμματος ενέργειας. Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι αρνητικές συνέπειες της διείσδυσης των ΑΠΕ χρειάζεται η διανομή να γίνει από παθητικό «έξυπνο» δίκτυο. Πως;

18 Πως ένα δίκτυο γίνεται «έξυπνο»; 1) Αυξημένη χρήση της ψηφιακής τεχνολογίας στην παρατήρηση και τους χειρισμούς του δικτύου: βελτίωση αξιοπιστίας, ασφάλειας και απόδοσης (π.χ. έξυπνοι μετρητές κατανάλωσης στα φορτία, πιο πολλοί αισθητήρες ηλεκτρικών μεγεθών στη διανομή κλπ). 2) Βελτιστοποίηση χειρισμών δικτύου (άνοιγμα/ κλείσιμο γραμμών, αλλαγή λόγου σπειρών Μ/Σ κλπ). Μετατροπή διανομής από παθητικό σε ενεργητικό δίκτυο που προσομοιάζει τη μεταφορά. 3) Αύξηση της διείσδυσης των κατανεμημένων παραγωγών (ΑΠΕ, μικρογεννήτριες) και εύκολη ενσωμάτωσή τους στον έλεγχο των δικτύων. 4) Τα φορτία (ή μέρος τους) να γίνουν τμήμα του ελέγχου, από παθητικές καταναλώσεις: - μείωση της ζήτησης με αποζημίωση σε δύσκολες περιόδους λειτουργίας (περίοδοι μεγάλης ζήτησης, διαταραχές κλπ) - αποθήκευση ενέργειας σε περιόδους χαμηλής ζήτησης (μπαταρίες αυτοκινήτων, ηλεκτρικός θερμοσίφωνας κλπ) Το 1) και το 2) είναι προαπαιτούμενα για να μπορεί να γίνει το 3) και το 4).

19 Συμπεράσματα Θεωρητικά, εάν υλοποιηθούν τα 4 σημεία για τη μετατροπή των δικτύων σε έξυπνα θα μπορούσε η διείσδυση των ΑΠΕ να αυξηθεί από το 25%, που είναι σήμερα, σε 100%. Κεντρικός ή «Νησιδοποίηση» όταν διαταραχές προέρχονται από το κεντρικό δίκτυο αποκεντρωμένος έλεγχος Οικονομική λειτουργία με αποθήκευση Διατήρηση ισορροπίας ισχύος, ρυθμίζοντας την παραγωγή από μικροπηγές (ΑΠΕ ή συμβατικές) Ελαστικά φορτία σε περιόδους μεγάλου κόστους ή διαταραχών

20 Βιβλιογραφία 1. Power system analysis, John Grainger & William Stevenson. 2. The homeowner s guide to renewable energy, Dan Chiras. 3. Smart grid: fundamentals of design and analysis, James Momoh. 4. Renewable energy: a global review of technologies, policies and markets, Dirk Assman.

21 Εργασίες (1) 1. Κριτική ανάλυση της ιστορίας των ΑΠΕ στην Ελλάδα. - Ιστορία ΑΠΕ στον κόσμο. - Ποιες ΑΠΕ αναπτύχθηκαν στην Ελλάδα περισσότερο και πότε (χάρτες και γραφήματα βοηθούν). - Αίτια ανάπτυξης και πτώσης συγκεκριμένων ΑΠΕ σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα στην Ελλάδα. - Προτάσεις για ενίσχυση ΑΠΕ στην Ελλάδα βάσει του προηγούμενου ή άλλων σημείων. - Συμπεράσματα. 2. Σύγκριση τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ και συμβατικές πηγές ενέργειας στην Ελλάδα από άποψη κόστους, χρόνου και ευκολίας εγκατάστασης. - Γενική περιγραφή ΑΠΕ και συμβατικών παραγωγών ηλεκτρικής ενέργειας. - Στοιχεία για κόστος παραγωγής, χρόνο και ευκολία (νομική, κατασκευαστική, τεχνική) για κάθε παραγωγή. - Κατάταξη παραγωγών και σύγκριση μεταξύ τους βάσει προηγούμενου σημείου. - Πώς και ποιες παραγωγές θα πρέπει να αναπτυχθούν στην Έλλάδα. - Συμπεράσματα.

22 Εργασίες (2) 3. Τα μειονεκτήματα των ΑΠΕ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. - Γενικά περί ΑΠΕ (κατηγορίες, αρχές λειτουργίας, στην Ελλάδα). - Πλεονεκτήματα ΑΠΕ. - Μειονεκτήματα ΑΠΕ σε κατηγορίες (π.χ. μεταβλητότητα, κόστος, τεχνικές δυνατότητες κλπ). - Συμπεράσματα για το ενεργειακό μίγμα στον κόσμο, την Ελλάδα, γενικά. 4. Τα έξυπνα δίκτυα υπάρχουν ήδη στα ΣΗΕ. Που βρίσκονται και ποια χαρακτηριστικά διαθέτουν. - Τι είναι το έξυπνο δίκτυο (ορισμός, περιγραφή λειτουργίας). - Τι πλεονεκτήματα δίνει για απορρόφηση ΑΠΕ, λειτουργία δικτύου κλπ. - Που βρίσκονται στον κόσμο (βοηθούν οι χάρτες) και τι χαρακτηριστικά/δυνατότητες έχουν. - Συμπεράσματα για την ανάπτυξη των έξυπνων δικτύων (π.χ. τι χρειάζεται για την περεταίρω ανάπτυξη κλπ) και γενικά συμπεράσματα.

23 Εργασίες (3) 5. Ποια τα πιθανά αποτελέσματα στην κοινωνία από τον «εκδημοκρατισμό» που έφεραν οι ΑΠΕ στην ηλεκτρική ενέργεια. - Τι είναι οι ΑΠΕ, ποιες αναπτύχθηκαν πιο πολύ σε κόσμο και Ελλάδα και γιατί. - Τι αλλαγές επέφερε η ανάπτυξη των ΑΠΕ στη λειτουργία του δικτύου (τεχνικά) και τι πρέπει να αλλάξει στη λειτουργία των δικτύων για να αυξηθεί και άλλο η διείσδυση τους. - Τι κοινωνικές επιπτώσεις έχει ήδη φέρει η διείσδυση των ΑΠΕ και γιατί. - Τι θα επιφέρει η ραγδαία ανάπτυξη τους στο μέλλον λόγω των χαρακτηριστικών που αυτή θα έχει (οικιακή παραγωγή, αποκεντρωμένος έλεγχος της, αυτονομία/ανεξαρτησία ενεργειακή κλπ.). - Συμπεράσματα και προβλέψεις για τις επιπτώσεις στην κοινωνία από την ραγδαία ανάπτυξη των ΑΠΕ στο μέλλον.

24 Ευχαριστώ! Ερωτήσεις???