ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΣΗΕ) ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΥΨΗΛΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Ν. ΙΑΛΥΝΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. ΙΕΥΘΥΝΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΣΗΕ 1 1
Ανάπτυξη κατάλληλης και αποδοτικής µεθοδολογίας για την προσοµοίωση της λειτουργίας των Συστηµάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) θεωρώντας τη λειτουργία διαφόρων τύπων σταθµών παραγωγής: Μεγάλοι Υδροηλεκτρικοί Σταθµοί (ΥΗΣ). Μικροί Υδροηλεκτρικοί Σταθµοί (ΜΥΗΕ). Αιολικά Πάρκα. Εισαγωγή Συµβατικοί θερµικοί σταθµοί µε καύσιµο λιγνίτη, φυσικό αέριο και πετρέλαιο. Συµπαραγωγικοί σταθµοί µεγάλης και µικρής ισχύος (CP). Σταθµοί χρησιµοποιώντας διάφορες µορφές ανανεώσιµων πηγών ενέργειας όπως: Σταθµοί µε χρησιµοποίηση Βιοµάζας (ΒΙ). Υπολογισµός ενός κατάλληλου συνόλου δεικτών που ποσοτικοποιούν την αξιοπιστία λειτουργίας και τη λειτουργική απόδοση των ΣΗΕ. 2 2
Εισαγωγή (συνέχεια) Προσοµοίωση της λειτουργίας των ΣΗΕ για κάθε ώρα του ηµερολογιακού έτους (8760 ώρες). Θεώρηση της στοχαστικής (πιθανοτικής) συµπεριφοράς που αφορά: Λειτουργία µονάδων παραγωγής όλων των τύπων των σταθµών παραγωγής (βλάβες, επισκευές). Παραγόµενη ισχύς των αιολικών πάρκων (ταχύτητα ανέµου). Εισροές υδάτων (βροχοπτώσεις) στους ταµιευτήρες των ΥΗΣ και λειτουργία των ΜΥΗΕ. Αβεβαιότητα της πρόβλεψης ζήτησης φορτίου (ωριαία διακύµανση). Εφαρµογή κανόνων λειτουργίας της ανταγωνιστικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας (ένταξη µονάδων παραγωγής). Εφαρµογή Κριτηρίων Αξιοπιστίας Λειτουργίας Συστήµατος. 3 3
Επέκταση και προσαρµογή της µεθοδολογίας για την προσοµοίωση της λειτουργίας του Ελληνικού ιασυνδεδεµένου ΣΗΕ (Ηπειρωτική Χώρα) θεωρώντας µία υψηλή στάθµη αιολικής διείσδυσης (3.000 MW 5.500 MW). Συνεργασία µε ΡΑΕ και ΕΣΜΗΕ Α.Ε. Χρησιµοποίηση των δεδοµένων του Ελληνικού αιολικού δυναµικού από το ΚΑΠΕ. Εφαρµογή των κανόνων της Ελληνικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Συµπεράσµατα για την αξιοπιστία λειτουργίας, λειτουργική απόδοση του Ελληνικού ΣΗΕ και τη δυνατότητα απορρόφησης της παραγόµενης ισχύος από τα αιολικά πάρκα Προτάσεις. Εισαγωγή (συνέχεια) 4 4
Βασικά Χαρακτηριστικά Μοντελοποίησης Ελληνικού ΣΗΕ Έτος Ανάλυσης: 2012 Ζήτηση Φορτίου: Αιχµή 11560 MW, Ελάχιστη 3914 MW, Ενέργεια 64658 GWh Συνολική Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς Σταθµών Παραγωγής εκτός Αιολικών Πάρκων: 13200 MW 24 Θερµικοί Σταθµοί Παραγωγής (1 Σταθµός Συµπαραγωγής) - 64 Μονάδες Παραγωγής - Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 9950 MW 17 Μεγάλοι Υδροηλεκτρικοί Σταθµοί Παραγωγής (ΥΗΣ) - 45 Μονάδες Παραγωγής - Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 3042 MW - Θεώρηση τριών διαφορετικών τύπων υδρολογικού έτους (υγρό, µέσο, ξηρό) Παραγόµενη Ισχύς από ΑΠΕ εκτός Αιολικών Πάρκων (ΜΥΗΕ, CP, ΒΙ): 208 MW Πέντε Σενάρια Αιολικής ιείσδυσης (Εγκατεστηµένη Ισχύς 3000MW έως 5500MW) 5 5
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής Ατµοστρόβιλοι µε καύσιµο λιγνίτη ή άλλο στερεό καύσιµο (Κωδικός Α) Πολύ µικρό κόστος παραγωγής. Τροφοδοτούν φορτίο βάσης. Πολύ µικρός αριθµός σβέσεων λειτουργίας. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 50% Μέγιστης. Συνολική Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 4582 MW. Ατµοστρόβιλοι µε καύσιµο φυσικό αέριο ή πετρέλαιο (Κωδικός Β) Αυξηµένο κόστος παραγωγής. Μικρός αριθµός σβέσεων λειτουργίας - περιορισµένη περίοδος λειτουργίας απόσυρση. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 35% Μέγιστης. Συνολική Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 340 MW. 6 6
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής (συνέχεια) Σταθµοί παραγωγής συνδυασµένου κύκλου (Κωδικός Γ) Ταχεία µεταβολή παραγόµενης ισχύος. υνατότητα κατασκευής σταθµών µε ένα ατµοστρόβιλο (ST) και ένα ή περισσότερους αεριοστρόβιλους (GT). Σβέσεις λειτουργίας: Περιορισµένος αριθµός επιπτώσεις στη συντήρηση και διαθεσιµότητα. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 60% Μέγιστης (1GT + 1 ST) 35% Μέγιστης άλλες περιπτώσεις Συνολική Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 3948 MW. 7 7
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής (συνέχεια) Συµπαραγωγικοί σταθµοί παραγωγής συνδυασµένου κύκλου (Κωδικός ) Συνεχής λειτουργία µε πολύ µικρό αριθµό σβέσεων λειτουργίας. Τροφοδότηση θερµικού φορτίου Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς (60% Μέγιστης). Χρησιµοποίηση δύο ή περισσοτέρων αεριοστροβίλων. Συνολική Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 330 MW. 8 8
Μοντελοποίηση Θερµικών Σταθµών Παραγωγής (συνέχεια) Αεριοστρόβιλοι, µηχανές εσωτερικής καύσης (Κωδικός Ε) Ευέλικτες µονάδες παραγωγής. Πολύ µεγάλο κόστος παραγωγής. Τροφοδότηση αιχµών ζήτησης φορτίου και καταστάσεων κινδύνου συστήµατος. Μεγάλος αριθµός εκκινήσεων και σβέσεων λειτουργίας που επηρεάζουν τη συντήρηση και τη διαθεσιµότητά τους. Πιθανότητα αποτυχηµένης εκκίνησης λειτουργίας. Μικρός συνολικός ετήσιος χρόνος λειτουργίας. Ελάχιστη Παραγόµενη Ισχύς: 10% Μέγιστης. Συνολική Μέγιστη Παραγόµενη Ισχύς: 750 MW. Μονάδες Ρύθµισης: Συγκεκριµένοι σταθµοί παραγωγής συνδυασµένου κύκλου (Κωδικός Γ) µε ισοκατανοµή της απαιτούµενης ισχύος ρύθµισης. 9 9
Κριτήρια Αξιοπιστίας Λειτουργίας ΣΗΕ Κριτήριο Αξιοπιστίας 1 ιαθέσιµη στρεφόµενη εφεδρεία που καθορίζεται από την παραγόµενη ισχύ εξόδου της µονάδας παραγωγής µε τη µέγιστη τιµή (Κριτήριο Ν-1). Κριτήριο Αξιοπιστίας 2 ιαθέσιµη στρεφόµενη εφεδρεία που καθορίζεται από µία σταθερή τιµή ισχύος (π.χ. 400 MW). Κριτήριο Αξιοπιστίας 3 ιαθέσιµη στρεφόµενη εφεδρεία που αφορά τα γεγονότα ξαφνικής µείωσης της παραγόµενης ισχύος των αιολικών πάρκων - Καθορίζεται από µία σταθερή τιµή ισχύος (π.χ. 400 MW). Κριτήριο Αξιοπιστίας 4 Ισχύς κατάλληλων θερµικών σταθµών παραγωγής που είναι διαθέσιµη για µείωση σε γεγονότα ξαφνικής αύξησης της παραγόµενης ισχύος των αιολικών πάρκων (αρνητική στρεφόµενη εφεδρεία) Καθορίζεται από µία σταθερή τιµή ισχύος (π.χ. 250 ΜW). 10 10
Τεχνικά Αίτια που Προκαλούν Μη Απορρόφηση της Παραγόµενης Ισχύος από Αιολικά Πάρκα I: Αφορά τη συνολική παραγόµενη ισχύ των µονάδων παραγωγής του συστήµατος που πρέπει να λειτουργούν υποχρεωτικά (τεχνικά ελάχιστα, υποχρεωτική λειτουργία). II: Αφορά την επιπρόσθετη παραγόµενη ισχύ των µονάδων ρύθµισης σύµφωνα µε το σχετικό Κριτήριο Αξιοπιστίας 4 (αρνητική στρεφόµενη εφεδρεία). III: Αφορά τις απαιτήσεις της στρεφόµενης εφεδρείας του συστήµατος σύµφωνα µε τα Κριτήρια Αξιοπιστίας 1 ή 2 και 3. ΙV:Αφορά τις ξαφνικές µεταβολές της παραγόµενης ισχύος από αιολικά πάρκα (όρια µεταβολών). V: Αφορά την ασφάλεια λειτουργίας των ΣΗΕ µε την εφαρµογή ενός λειτουργικού ορίου της µέγιστης επιτρεπόµενης στάθµης αιολικής διείσδυσης ( εν εφαρµόζεται στο Ελληνικό ιασυνδεδεµένο ΣΗΕ µόνο στα νησιά). 11 11
Σενάρια Ανάλυσης Σενάριο 3000 MW 4000 MW 4500 MW 5000 MW 5500 MW ΕΓΚ. ΙΣΧΥΣ (MW) 2971,94 3971,69 4577,94 4945,79 5447,34 ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ 199 254 249 307 296 ΑΝΕΜΟΓΕΝ. 2956 3711 3687 4425 3986 ΣΕΝΑΡΙΟ 3000 MW: Βασικό σενάριο ΣΕΝΑΡΙΟ 4000 MW: Σενάριο 3000 MW + 999,75 MW (55 αιολικά πάρκα ) ΣΕΝΑΡΙΟ 4500 MW: Σενάριο 3000 MW + 1606 MW (50 αιολικά πάρκα) ΣΕΝΑΡΙΟ 5000 MW: Σενάριο 4000 MW + 974,1 MW (53 αιολικά πάρκα) ΣΕΝΑΡΙΟ 5500 MW: [Σενάριο 3000 MW - 683,4 MW (35 αιολικά πάρκα)] + (50 αιολικά πάρκα Σεναρίου 4500 MW) + 1552,8 MW (82 αιολικά πάρκα) 12 12
50 Μέση Ωριαία Παραγόµενη Ισχύς από Αιολικά Πάρκα (% εγκατεστηµένης ισχύος) Μήνες Έτους και Συνολικό Έτος Σενάριο 3000 MW Αρχικά δεδοµένα χρονοσειρών παραγόµενης ισχύος (ΚΑΠΕ) (%) ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ, 45 40 35 30 25 ΕΤΟΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ ΜΑΡΤΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ ΜΑΙΟΣ ΙΟΥΝΙΟΣ ΙΟΥΛΙΟΣ ΑΥΓΟΥΣΤΟΣ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ ΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ΩΡΑ 13 13
Σύγκριση Μέσης Ωριαίας Παραγόµενης Ισχύος από Αιολικά Πάρκα µε Μέση Ωριαία Ζήτηση Φορτίου του Ελληνικού Συστήµατος (Ιούλιος Σεπτέµβριος) Σενάριο 3000 MW 11000 3600 ΖΗΤΗΣΗ ΦΟΡΤΙΟΥ (MW) 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 ΠΑΡΚΩΝ (ΜW) ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ ΑΙΟΛΙΚΩΝ 0 400 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 ΩΡΑ ΙΟΥΝ.-ΦΟΡΤΙΟ ΙΟΥΛ.-ΦΟΡΤΙΟ ΑΥΓ.-ΦΟΡΤΙΟ ΣΕΠΤ.-ΦΟΡΤΙΟ ΙΟΥΝ.-ΑΙΟΛΙΚΑ (3000 MW) ΙΟΥΛ.-ΑΙΟΛΙΚΑ (3000 MW) ΑΥΓ.-ΑΙΟΛΙΚΑ (3000 MW) ΣΕΠΤ.-ΑΙΟΛΙΚΑ (3000 MW) 14 14
Σύγκριση Μέσης Ωριαίας Παραγόµενης Ισχύος από Αιολικά Πάρκα µε Μέση Ωριαία Ζήτηση Φορτίου για ένα Σύστηµα Ηλεκτρικής Ενέργειας στις ΗΠΑ 15 15
είκτης FRWPRT (γεγ./έτος) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Συχνότητα Γεγονότων Μη Απορρόφησης της Παραγόµενης Αιολικής Ισχύος 134 237 305 309 3000 MW 4000 MW 4500 MW 5000 MW 5500 MW ΣΕΝΑΡΙΟ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ 342 16 16
είκτης ADWRT (ώρες/έτος) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 280 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Ετήσια ιάρκεια Γεγονότων Μη Απορρόφησης της Παραγόµενης Αιολικής Ισχύος 558 977 910 1205 3000 MW 4000 MW 4500 MW 5000 MW 5500 MW ΣΕΝΑΡΙΟ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ 17 17
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Μέση Μη Απορροφούµενη Ισχύς των Αιολικών Πάρκων 600 είκτης PWPRT (MW) 500 400 300 200 100 251 307 428 409 493 0 3000 MW 4000 MW 4500 MW 5000 MW 5500 MW ΣΕΝΑΡΙΟ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ 18 18
Ετήσια Μη Απορροφούµενη Ενέργεια των Αιολικών Πάρκων για διαφορετικούς τύπους υδρολογικού έτους (% παραγόµενης ενέργειας) 5 ΥΓΡΟ ΜΕΣΟ ΞΗΡΟ 4,591% είκτης PRWPRT (%) 4 3 2 1 0 4,322% 3,554% 3,341% 3,808% 3,323% 3,036% 2,802% 2,586% 1,808% 1,662% 1,052% 1,296% 0,844% 0,540% 3000 MW 4000 MW 4500 MW 5000 MW 5500 MW ΣΕΝΑΡΙΟ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ 19 19
ΙΣΟ ΥΝΑΜΕΣ ΩΡΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ (ώρες/έτος) 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Ισοδύναµες Ώρες Λειτουργίας Λιγνιτικών Σταθµών (Κωδικός Α) και Σταθµών Συνδυασµένου Κύκλου (Κωδικός Γ) 6742 5905 6376 5149 ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ 6208 4904 5967 5962 0 MW 3000 MW 4000 MW 4500 MW 5000 MW 5500 MW 4676 ΣΕΝΑΡΙΟ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΙΕΙΣ ΥΣΗΣ 4749 DUREQ-A DUREQ-C 5780 4642 20 20
Ενεργός Φόρτιση Αιολικών Πάρκων (Capacity Credit) - είκτης ποσοτικοποίησης της ικανότητας να παρέχουν ισχύ όταν απαιτείται. - Αντικατάσταση από θερµικούς σταθµούς έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ίδια στάθµη αξιοπιστίας λειτουργίας του συστήµατος. - είκτης της Αναµενόµενης Μη Τροφοδοτούµενης Ενέργειας (LOEE). - Αντικατάσταση µε σταθµούς συνδυασµένου κύκλου για το Σενάριο 3000 MW. - Ενεργός φόρτιση περίπου ίση µε 20% για το Ελληνικό ΣΗΕ (γιαάλλασυστήµατα αναφέρεται 10% περίπου). - Βασική αιτία αυξηµένης τιµής η συσχέτιση των καµπυλών τηςαιολικήςπαραγωγήςκαιτηςζήτησηςφορτίουστις διαφορετικές ώρες της ηµέρας. 21 21
ΣΧΟΛΙΑ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο δείκτης ισοδύναµης φόρτισης των αιολικών πάρκων κυµαίνεται από 31,7% έως 27,5% και εξαρτάται από την εγκατεστηµένη ισχύ και τη γεωγραφική κατανοµή των θεωρούµενων αιολικών πάρκων σε κάθε σενάριο ανάλυσης. Η συνεισφορά της αιολικής παραγωγής στο ενεργειακό ισοζύγιο του συστήµατος κυµαίνεται από 12,6% έως 20,1%. Λαµβάνοντας υπόψη όλες τις ΑΠΕ η αντίστοιχη συνεισφορά κυµαίνεται από 20,8% έως 28,2%. Η ετήσια παραγόµενη ενέργεια των αιολικών πάρκων απορροφάται από το σύστηµα σχεδόνολοκληρωτικάσε κάθε σενάριο (µη απορροφούµενη ενέργεια µεταξύ 0,8% και 4,3% της συνολικής παραγόµενης ενέργειας). Ο τύπος του υδρολογικού έτους επηρεάζει τα αποτελέσµατα αλλά οι σχετικές επιπτώσεις µειώνονται µε την αύξηση της αιολικής διείσδυσης. 22 22
Σχόλια Συµπεράσµατα (συνέχεια) Η αντλησιοταµίευση αποτελεί µία εναλλακτική λύση (αποθήκευση ενέργειας) για την απορρόφηση της παραγόµενης ισχύος των αιολικών πάρκων η οποία δεν µπορεί να απορροφηθεί λόγω των περιορισµών της λειτουργίας του συστήµατος. Επιπρόσθετες νοµοθετικές ρυθµίσεις και κατάλληλα επενδυτικά σχέδια απαιτούνται για τη βέλτιστη χρησιµοποίησή της. Σηµαντική µείωση των ισοδύναµων ωρών λειτουργίας των λιγνιτικών σταθµών (από 6400 ώρες/έτος έως 5800 ώρες/έτος) και των σταθµών συνδυασµένου κύκλου (από 5200 ώρες/έτος έως 4600 ώρες/έτος). Ανάγκη χρησιµοποίησης σταθµών συνδυασµένου κύκλου µε δύο ή περισσότερους αεριοστρόβιλους Ρυθµιστικές επεµβάσεις. 23 23
Σχόλια Συµπεράσµατα (συνέχεια) Ανάγκη εκπόνησης πιο εµπεριστατωµένης µελέτης για τις επιπτώσεις της λειτουργίας των θερµικών σταθµών µε ευέλικτες µονάδες παραγωγής. Η λειτουργική πρακτική για τις µονάδες ρύθµισης µειώνει την εµφάνιση των γεγονότων µη ικανοποίησης των απαιτήσεων του Κριτηρίου Αξιοπιστίας 4. Όµως, το κόστος παραγωγής του συστήµατος αυξάνεται. Το κριτήριο της αρνητικής στρεφόµενης εφεδρείας ισχύος από τις µονάδες ρύθµισης του συστήµατος δεν ικανοποιείται και απαιτείται επιπρόσθετη εφεδρεία ισχύος (80 MW έως 120 MW). Υπάρχει ένας ικανοποιητικός αριθµός σβέσεων των σταθµών συνδυασµένου κύκλου (µικρότερος από µία φορά την εβδοµάδα). 24 24
Σχόλια Συµπεράσµατα (συνέχεια) Πολύ µικρές τιµές συχνότητας και ετήσιας διάρκειας για τα γεγονότα κατά τα οποία η αιολική διείσδυση υπερβαίνει το 40% - 50% της αντίστοιχης ζήτησης φορτίου του συστήµατος - Εφαρµογή λειτουργικού ορίου για ασφάλεια λειτουργίας. Ηταυτόχρονηαιολικήδιείσδυση2460 MW επαρκεί για εξαγωγή ασφαλών συµπερασµάτων που αφορούν την ασφάλεια λειτουργίας του δικτύου µεταφοράς µέχρι το σενάριο αιολικής διείσδυσης 5500 MW περίπου (µεγαλύτερη από 45% εγκατεστηµένης ισχύος) -Βασική επιφύλαξη που αφορά τη χωροταξική διασπορά των αιολικών πάρκων που θα εγκατασταθούν στην Ελληνική Επικράτεια. 25 25