Ορθολογική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας σε περιβάλλον δυναμικής τιμολόγησης

Transcript

1 Ορθολογική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας σε περιβάλλον δυναμικής τιμολόγησης Βασίλης Καψάλης Αναπληρωτής Καθηγητής Εργαστήριο Επικοινωνιών και Δικτύων Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε., Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδας

2 Περίγραμμα της παρουσίασης Το πρόβλημα της εξισορρόπησης μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας Η δυναμική τιμολόγηση στο πλαίσιο του ευφυούς δικτύου ενέργειας (Smart Grid) Αρχιτεκτονική του συστήματος διαχείρισης των φορτίων (EMS) Τεχνολογικό υπόβαθρο Μοντελοποίηση φορτίων για χρήση σε EMS Διαδικασία ελέγχου των φορτίων Οφέλη από τη χρήση της δυναμικής τιμολόγησης Κατηγορίες προγραμμάτων δυναμικής τιμολόγησης Είσοδοι και έξοδοι του συστήματος Αλγόριθμοι ελέγχου Παράδειγμα ελέγχου ηλεκτρικού θερμοσίφωνα Διαχείριση φορτίων μέσω Συγκεντρωτή (Aggregator) Ερευνητικό έργο «ΔΑΜΑΖΟ»

3 Το πρόβλημα της εξισορρόπησης μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης (1/2) Το πρόβλημα: Απαιτείται συνεχής εξισορρόπηση μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας. Δεν υπάρχει προς το παρόν οικονομικός τρόπος αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Κάθε δευτερόλεπτο πρέπει να παράγεται ίσο ποσό ενέργειας με αυτό που καταναλώνεται από το σύνολο των καταναλωτών.

4 Το πρόβλημα της εξισορρόπησης μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης (2/2) Η απαίτηση για συνεχή εξισορρόπηση μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης επιβαρύνεται από τη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι ανεμογεννήτριες, που παρουσιάζουν μεγάλες διακυμάνσεις στην αποδιδόμενη ισχύ τους, λόγω της μεταβολής της ηλιακής ακτινοβολίας και της ταχύτητας του ανέμου, αντίστοιχα, οι οποίες δεν μπορεί να προβλεφθούν με ακρίβεια. Μηνιαία διακύμανση της αποδιδόμενης ισχύος από αιολικό πάρκο Ημερήσια διακύμανση της αποδιδόμενης ισχύος από φωτοβολταϊκά πλαίσια

5 Αντιμετώπιση του προβλήματος (1/2) Ο τυπικός τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα των διακυμάνσεων μεταξύ παραγωγής και ζήτησης, απαιτείται η λειτουργία εφεδρικών σταθμών παραγωγής ενέργειας που είναι είτε διασυνδεδεμένοι με το δίκτυο (spinning reserve) ή μπορούν να διασυνδεθούν σε σχετικά σύντομο χρόνο (non-spinning reserve) και καλύπτουν αυτές τις διακυμάνσεις μέσω της έγχυσης ισχύος στο δίκτυο. Οι διαχειριστές του δικτύου παρακολουθούν την ισορροπία μεταξύ παραγωγής και κατανάλωσης και αναλόγως εντάσσουν στο ενεργειακό δίκτυο τους εφεδρικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας όταν αυτό απαιτείται ή προμηθεύονται ενέργεια από την τρέχουσα αγορά σε υψηλές τιμές. Οι εφεδρικοί σταθμοί παραγωγής απαιτούν έξοδα κατασκευής και συντήρησης έχουν υψηλότερο κόστος λειτουργίας εκλύουν ρύπους που συμβάλλουν στην επιδείνωση του φαινομένου του θερμοκηπίου =

6 Αντιμετώπιση του προβλήματος (2/2) Απόκριση ζήτησης (Demand Response DR) Η απόκριση ζήτησης συνίσταται στην τροποποίηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από την πλευρά του καταναλωτή, ως απόκριση σε διάφορα κίνητρα που του προσφέρονται από την εταιρεία παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, με σκοπό την προσαρμογή της κατανάλωσης στα επίπεδα της παραγωγής ενέργειας. Ουσιαστικά αξιοποιεί την ικανότητα ενεργειακής αποθήκευσης από μεγάλο αριθμό οικιακών, εμπορικών και βιομηχανικών φορτίων. Αποτελεί μια καινοτόμα, σημαντικά φθηνότερη και πιο φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική προσέγγιση έναντι των τυπικών τρόπων αντιμετώπισης του προβλήματος της εξισορρόπησης παραγωγής κατανάλωσης, καθώς επίσης και της διακύμανσης της αποδιδόμενης ισχύος που χαρακτηρίζουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά και τα αιολικά συστήματα. Μεταφορικά, οι υπηρεσίες απόκρισης ζήτησης λειτουργούν ως εικονικός σταθμός παραγωγής ενέργειας (virtual power station) ή εικονική αποθήκη ενέργειας (virtual storage).

7 Οφέλη από την εφαρμογή υπηρεσιών DR (1/2) Μείωση/εξομάλυνση των αιχμών και/ή μετάθεση φορτίου Βελτίωση της αξιοπιστίας του δικτύου Οικονομικά οφέλη για τους παροχείς ηλεκτρικής ενέργειας Περιβαλλοντικά οφέλη Έλεγχος των τελικών καταναλώσεων Μείωση του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας για τους τελικούς καταναλωτές με διατήρηση του επιθυμητού επιπέδου άνεσης

8 Οφέλη από την εφαρμογή υπηρεσιών DR (2/2) Η εφαρμογή υπηρεσιών απόκρισης ζήτησης στην Ελλάδα μπορεί να πετύχει: Μείωση στην απαιτούμενη ισχύ κορυφής (peak generating capacity) ίση με 500 MW - 2,5 GW Εξοικονόμηση ενέργειας ίση με αυτή που αντιστοιχεί στην κατανάλωση μιας πόλης κατοίκων (9 TWh/έτος) (αισιόδοξο σενάριο) Μείωση της έκλυσης 4.5 Mt CO2

9 Προγράμματα DR Τύποι προγραμμάτων απόκρισης ζήτησης Βασισμένα στην τιμή (price-based) Βασισμένα σε κίνητρα (incentive-based)

10 Δυναμική τιμολόγηση Χρέωση της ηλεκτρικής ενέργειας όχι μόνο με βάση το ποσό της ενέργειας που έχει καταναλωθεί αλλά και τα χρονικά διαστήματα στα οποία έχει γίνει η κατανάλωση. Τύποι δυναμικής τιμολόγησης Time of Use (TOU): Οι τιμές χρέωσης της ενέργειας ποικίλουν ανάλογα με την χρονική ζώνη (συνήθως 2 ως 5 ζώνες την ημέρα), κάθε μια από τις οποίες χαρακτηρίζεται από διαφορετική τιμή. Ο διαχωρισμός σε ζώνες και η τιμή ανά ζώνη είναι προκαθορισμένες και ισχύουν για μεγάλα χρονικά διαστήματα (π.χ., 6 μήνες). Real Time Pricing (RTP): Παρέχει στους καταναλωτές τις ωριαίες τιμές ενέργειας είτε μια μέρα πριν (day ahead) ή σε σχεδόν πραγματικό χρόνο (near real-time), ανάλογα με το είδος του προγράμματος. Οι τιμές αυτές καθορίζονται κυρίως από την τρέχουσα αγορά ενέργειας. Critical Peak Pricing (CPP): Η επιλογή αυτή είναι ουσιαστικά ένας συνδυασμός τιμών βασισμένων σε TOU με την προσθήκη μιας κρίσιμης τιμής αιχμής που γνωστοποιείται συνήθως μια μέρα πριν και ισχύει για συγκεκριμένο αριθμό ημερών ανά έτος.

11 Η Ευρωπαϊκή αγορά των ευφυών μετρητών ηλεκτρικής ενέργειας

12 Αρχιτεκτονική συστήματος ενεργειακής διαχείρισης Ευφυείς μετρητές ενέργειας Ηλεκτρικές συσκευές με δυνατότητα διασύνδεσης μέσω ασύρματων δικτύων ή κατάλληλων διεπαφών Προγραμματιζόμενοι θερμοστάτες Ευφυή πλυντήρια, ψυγεία, κ.λπ. Σύστημα διαχείρισης ενέργειας Οικιακή πύλη Σύνδεση στο Διαδίκτυο

13 Μοντελοποίηση φορτίων (1/2) Κάθε φορτίο παρέχει διαφορετικές δυνατότητες ελέγχου (ευελιξία) που εξαρτώνται από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του και την επίδραση που έχει ο έλεγχος αυτός στον τελικό χρήστη. Διακοπτόμενα: Είναι τα φορτία των οποίων η λειτουργία μπορεί να διακοπεί υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Τέτοιου είδους φορτία είναι ο φωτισμός, οι θερμοσίφωνες, κ.λπ. Αυξομειούμενα: Είναι τα φορτία των οποίων η ισχύς (ή το duty cycle) και κατά συνέπεια η κατανάλωση κατά τη λειτουργία τους μπορεί να μειωθεί. Τέτοιου είδους φορτία είναι τα φωτιστικά με δυνατότητα ελέγχου της έντασής τους (dimming), τα κλιματιστικά, τα ψυγεία και οι θερμοσίφωνες (με ελεγχόμενους θερμοστάτες), κ.λπ. Μετατιθέμενα: Είναι τα φορτία των οποίων η λειτουργία τους μπορεί να μετατεθεί σε άλλο χρονικό διάστημα. Τέτοιου είδους φορτία είναι τα πλυντήρια, οι θερμοσίφωνες, οι ηλεκτρικές θερμάστρες, κ.λπ. Ανελαστικά: Είναι τα φορτία τα οποία δεν μπορούν να ελεγχθούν επειδή συνήθως το αποτέλεσμα του ελέγχου αυτού δεν είναι αποδεκτό από τον τελικό χρήστη, λόγω σημαντικής επίδρασης στην άνεση (convenience). Τέτοιου είδους φορτία είναι οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι οπτικοακουστικές συσκευές, όπως τηλεοράσεις, ενισχυτές ήχου, κ.λπ.

14 Μοντελοποίηση φορτίων (2/2) Η μοντελοποίηση φορτίου είναι μια διαδικασία που οδηγεί στη δημιουργία μιας μαθηματικής συνάρτησης, βάσει της οποίας προσδιορίζεται η επόμενη κατάσταση του φορτίου συναρτήσει της τρέχουσας κατάστασής του, καθώς επίσης και των τιμών των μεταβλητών εισόδου. Για τον ηλεκτρικό θερμοσίφωνα, η θερμοκρασία νερού για το επόμενο χρονικό διάστημα είναι συνάρτηση των εξής: Tn 1 f ενέργεια Tn, P, Cγια, Rνα, Tτη, Tinlet, un της, tθερμοκρασίας, wn Η απαιτούμενη νερού από την Tn στην Tn+1 ambμετάβαση είναι συνάρτηση των εξής: Όπου:En 1 f Tn, Tn 1, C, R, Tamb, Tinlet, wn Tn (Tn+1): Θερμοκρασία νερού για το χρονικό διάστημα tn (tn+1) (oc) P: Ονομαστική ισχύς του θερμοσίφωνα (kw) C: Θερμοχωρητικότητα του θερμοσίφωνα (kwh/oc) R: Θερμική αντίσταση (oc/kw) Tamb: Θερμοκρασία περιβάλλοντος χώρου (oc) Tinlet: Θερμοκρασία εισερχόμενου νερού (oc) un: Σήμα λειτουργίας του θερμοσίφωνα (On/Off) Δt: Διάρκεια χρονικού διαστήματος (min) Tinlet: Θερμοκρασία εισερχόμενου νερού (oc) wn: Ποσότητα χρησιμοποιούμενου νερού για το χρονικό διάστημα tn (kg) En+1: Απαιτούμενη ενέργεια για μετάβαση της θερμοκρασίας νερού από την Tn στην Tn+1 (kwh)

15 Αλγόριθμος ελέγχου Δημιουργία του μοντέλου λειτουργίας του φορτίου Εισαγωγή δεδομένων Προσδιορισμός κριτηρίων κόστους και άνεσης Στατικά χαρακτηριστικά του φορτίου (ονομαστική ισχύς, κατηγορία φορτίου, περιορισμοί λειτουργίας, κ.λπ.) Δυναμικά δεδομένα (προβλεπόμενο πρόγραμμα χρήσης του φορτίου, τιμή μονάδας ενέργειας, θερμοκρασία χώρου, κ.λπ.) Συντελεστές βαρύτητας για το κόστος και την άνεση Εύρεση του βέλτιστου προγράμματος λειτουργίας με βάση την ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας του φορτίου την ελάχιστη διατάραξη της επιθυμητής άνεσης του χρήστη

16 Αλγόριθμος ελέγχου του ηλεκτρικού θερμοσίφωνα (1/2) Είσοδοι και έξοδοι του συστήματος Επιθυμητή θερμοκρασία ζεστού νερού: 40 οc Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας: 70 οc 1, 2 1 0, 8 0, 6 0, 4 0,

17 Αλγόριθμος ελέγχου του ηλεκτρικού θερμοσίφωνα (2/2) Αποτελέσματα Τιμή μονάδας ενέργειας (TOU ή RTP) Πρόγραμμα ημερήσιας κατανάλωσης νερού Θερμοκρασία λειτουργίας του θερμοσίφωνα Εντολές ελέγχου On/Off Μείωση του κόστους λειτουργίας κατά 35% σε σχέση με έναν κλασικό θερμοσίφωνα. 1, 2 1 0, 8 0, 6 0, 4 0,

18 Διαχείριση φορτίων μέσω Συγκεντρωτή (1/2)

19 Διαχείριση φορτίων μέσω Συγκεντρωτή (2/2)

20 Ερευνητικό έργο «ΔΑΜΑΖΟ» Σύστημα Διαχείρισης Αυτοματοποιημένης Απόκρισης Ζήτησης για Ορθολογική Χρήση Ηλεκτρικής Ενέργειας ΔΑΜΑΖΟ Τ.Ε.Ι. Δυτικής Ελλάδας (Εργαστήριο Μικροϋπολογιστικών Συστημάτων) Ινστιτούτο Βιομηχανικών Συστημάτων (ΙΝ.ΒΙ.Σ.) Intracom Telecom inaccess Networks

21 Λειτουργικότητα του συστήματος (1/2) Η βασική οντότητα του συστήματος είναι ο συγκεντρωτής φορτίων (Aggregator) που επικοινωνεί με: διαχειριστές δικτύων ενέργειας εταιρείες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας συγκεντρωτές υψηλότερου επιπέδου Λαμβάνει ειδοποιήσεις σχετικά με ενέργειες απόκρισης ζήτησης που πρέπει να επιτελέσει. Με βάση καθορισμένους κανόνες για κάθε πελάτη του (τελικό καταναλωτή) ελέγχει τα φορτία του ώστε να πετύχει το επιθυμητό αποτέλεσμα (συνδυασμός κόστους και άνεσης).

22 Λειτουργικότητα του συστήματος (2/2) Ο συγκεντρωτής υλοποιεί ευέλικτες στρατηγικές ελέγχου των καταναλώσεων, συνδυάζοντας απαιτήσεις για: μείωση του κόστους της καταναλισκόμενης ενέργειας και βελτίωση της αξιοπιστίας του δικτύου Επιτυγχάνει περιορισμό/εξομάλυνση των αιχμών ζήτησης και τη χρονική μετάθεση των φορτίων. Οι διάφοροι τύποι καταναλωτών ενέργειας (βιομηχανικοί, εμπορικοί ή οικιακοί) μπορούν να ενταχθούν σε κατάλληλα προγράμματα απόκρισης ζήτησης. Για κάθε πρόγραμμα λαμβάνονται ειδοποιήσεις για διάφορα γεγονότα, όπως π.χ., κίνδυνος αστάθειας του δικτύου ή αυξημένη τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η απόκριση στα γεγονότα αυτά είναι ένας συνδυασμός ενεργειών που περιλαμβάνει την απόρριψη φορτίων, την αυξομείωση της λειτουργίας τους ή τη μετάθεσή τους σε διαφορετικό χρόνο.

23 Αρχιτεκτονική του συστήματος 1. Backoffice 2. edras (enhanced Demand Response Automation Server) 3. EDC (enriched DRAS Client) 4. Load Gateway (Thin Client) 5. Load Interface 6. Smart Client 1. Gateway 2. Control Logic

24 Λειτουργικότητα Ανάδραση Λήψη συγκεντρωτικής ανάδρασης συστήματος Συγκέντρωση ανάδρασης και επεξεργασία στοιχείων Τρέχουσα κατάσταση, πρόβλεψη μελλοντικής κατανάλωσης Λήψη και συγκέντρωση μετρήσεων, προγραμματισμός φορτίων Μετρήσεις Τρέχουσα κατάσταση, πρόβλεψη μελλοντικής κατανάλωσης Λήψη και συγκέντρωση μετρήσεων, προγραμματισμός φορτίων Μετρήσεις

25 Λειτουργικότητα DR γεγονότα Δημιουργία DR γεγονότος Στόχοι DR γεγονότος Αλγόριθμοι φιλτραρίσματος και επιλογής πελατών βάσει ιστορικού και ανάδρασης Απαιτήσεις προς πελάτες Απαιτήσεις προς πελάτες Επιλογή και προγραμματισμός φορτίων Εντολές προς φορτία Επιλογή και προγραμματισμός φορτίων Εντολές προς φορτία

26 Διεπαφές φορτίων Αποτελούν το μέσο διασύνδεσης των φορτίων και της πύλης φορτίων (load gateway) που αποτελεί οντότητα του Συγκεντρωτή φορτίων. Διασυνδέεται απευθείας στα φορτία (π.χ. ρελέ σε ηλεκτρικό πίνακα) ή μέσω δικτύου πεδίου (Zigbee, LonWorks, κλπ.) Λαμβάνει μηνύματα ελέγχου από το load gateway στην κατάλληλη μορφή (IPbased, SMS, κλπ.) και τις μετασχηματίζει σε πραγματικές εντολές για τα φυσικά φορτία Λαμβάνει τιμές από τα σημεία εισόδου (π.χ. θερμοκρασίες, κλπ.) και τις αποστέλλει στο load gateway Programmable Communication Thermostat (PCT) IP-based Input/Output control module SMS/GPRS-based Input/Output control module IP-to-Zibgee module

27 Ευφυής πύλη-πελάτης (smart client) Αποτελεί τον τύπο πελάτη, ο οποίος: Εγκαθίσταται στο χώρο μεγάλων πελατών Λαμβάνει μηνύματα που σηματοδοτούν γεγονότα απόκρισης ζήτησης βάσει του OpenADR Λαμβάνει αποφάσεις για το είδος των ελέγχων που θα εφαρμόσει στα φορτία που ελέγχει Μεταδίδει μηνύματα ανάδρασης που αφορούν Κατάσταση λειτουργίας φορτίου Κατανάλωση ενέργειας Τιμές μετρούμενων μεταβλητών ανά φορτίο (π.χ. θερμοκρασία χώρου, νερού θερμοσίφωνα, κλπ.)