ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝ. ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ (Τ.Ε.Ι. Α.Μ.Θ.) ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ. DESIGN AND ANALYSIS OF AUTONOMOUS ENERGY SYSTEMS WITH DIFFERENT RENEWABLE SOURCES AND HYDROGEN. Εισηγήτρια: Καραγιάννη Αναστασία ΑΜ. 4607 Επιβλέπων Καθηγητής: Καρακουλίδης Κωνσταντίνος Καβάλα, Οκτώβριος 2014
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΑΝ. ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ & ΘΡΑΚΗΣ (Τ.Ε.Ι. Α.Μ.Θ.) ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ. DESIGN AND ANALYSIS OF AUTONOMOUS ENERGY SYSTEMS WITH DIFFERENT RENEWABLE SOURCES AND HYDROGEN. Εισηγήτρια: Καραγιάννη Αναστασία ΑΜ. 4607 Επιβλέπων Καθηγητής: Καρακουλίδης Κωνσταντίνος Καβάλα, Οκτώβριος 2014
Περίληψη Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη ενός αυτόνομου συστήματος ηλεκτροπαραγωγής που στηρίζεται στην εκμετάλλευση της ηλιακής και αιολικής ενέργειας. Το εν λόγω σύστημα χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως φορέα για τη μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας και κυψέλη καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όποτε απαιτηθεί. Χρησιμοποιείται το ηλεκτρικό φορτίο μιας υποθετικής μονοκατοικίας που βρίσκεται στη Νάξο. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας θα επιχειρηθεί να δοθεί απάντηση σε ερωτήματα που αφορούν α) στην τεχνική εφικτότητα του προτεινόμενου συστήματος β) στην απόδοση του υποσυστήματος παραγωγής και χρήσης του υδρογόνου και τέλος γ) στην οικονομική βιωσιμότητα του εν λόγω συστήματος. Η εύρεση της βέλτιστης σύνθεσης του προτεινόμενου συστήματος, ο έλεγχος, η προσομοίωση και η οικονομική αποτίμηση του προτεινόμενου συστήματος έγινε με τη χρήση του προγράμματος HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). Η ενέργεια που προέρχεται από τις Α.Π.Ε τροφοδοτεί το φορτίο. Προτείνεται μια μορφή ελέγχου του συστήματος ώστε η όποια περίσσεια ενέργειας από τις Α.Π.Ε χρησιμοποιείται για την φόρτιση των συσσωρευτών / παραγωγή υδρογόνου. Αν οι συσσωρευτές φορτιστούν πλήρως ή η δεξαμενή αποθήκευσης του υδρογόνου γεμίσει η περίσσεια ενέργειας δεν διατίθεται για χρήση (dumped). Η ενέργεια που πλεονάζει και δεν χρησιμοποιείται από το σύστημα μπορεί να τροφοδοτήσει τα φορτία απόρριψης (dump load) για τη θέρμανση του χώρου ή ακόμα σε μεγαλύτερο επίπεδο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφαλάτωση του νερού. Η κυψέλη καυσίμου ή η γεννήτρια πετρελαίου χρησιμοποιούνται όταν οι Α.Π.Ε δεν επαρκούν για την τροφοδότηση του φορτίου και οι συσσωρευτές έχουν εκφορτιστεί. Τα αναγκαία τεχνικά στοιχεία αντλήθηκαν από φυλλάδια κατασκευαστών και τη διεθνή βιβλιογραφία. Λέξεις Κλειδιά : Ανανεώσιμες Πηγές, Αυτόνομα υβριδικά ενεργειακά συστήματα, Οικονομική σκοπιμότητα, Καθαρό παρόν κόστος, Ενεργειακή αποθήκευση, Συσσωρευτές, Κυψέλη καυσίμου, Υδρογόνο, Βελτιστοποίηση.
Summary The scope of this thesis is the study of an autonomous power system based on the use of solar and wind energy. This system uses hydrogen as a carrier for long-term energy storage and fuel cell to generate electricity when needed. The analysis utilizes the power load data from a hypothetical detached house which is isolated from the conventional grid. The house is located in Naxos. In the context of this paper will attempt to answer questions regarding to a) the technical feasibility of the proposed system b) the performance of the hydrogen production and use subsystem and finally c) the economic viability of that system. The modeling, control, optimization and simulation of the proposed system were performed using HOMER software developed by National Renewable Energy Laboratory (NREL). The energy derived from the RES supplies the load. When there is PV/wind power in excess of the electricity demands of the house, that excess power is used to charge batteries or to run an electrolyzer. If the batteries are fully charged or the hydrogen storage tank is full the excess energy is not available for use (dumped). The energy in excess and not used by the system can supply dump load, can be used for space heating or even a larger level can be used to desalinate water. When PV/wind power falls below the power demands diesel generator, batteries or fuel cells are brought online to meet the load. The necessary technical data are obtained from manufacturers' brochures and literature. Keywords : Renewable energy, Stand alone hybrid energy systems, economic feasibility, net present cost (NPC),energy storage, batteries, Fuel cells, hydrogen storage, optimization
Ευχαριστίες Θα ήθελα καταρχήν να ευχαριστήσω όλους όσους συνέβαλαν, με οποιονδήποτε τρόπο, στην επιτυχή εκπόνηση αυτής της διπλωματικής εργασίας. Θα πρέπει να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή κ. Καρακουλίδη Κωνσταντίνο για την επίβλεψη αυτής της διπλωματικής εργασίας. Ήταν πάντα διαθέσιμος να μου προσφέρει τις γνώσεις και την εμπειρία του. Στη συνέχεια, ευχαριστώ ιδιαίτερα τον πρόεδρο του τμήματος της Ηλεκτρολογίας Δρ. κ. Παντελή Αντωνιάδη για την εξαιρετική συνεργασία που είχαμε, και ελπίζω να συνεχίσουμε να έχουμε στο μέλλον. Μέσα στον τελευταίο χρόνο ήταν πάντα διαθέσιμος να ασχοληθεί με κάθε απορία μου σχετική με ακαδημαϊκά ζητήματα, εντός και εκτός των πλαισίων της παρούσας εργασίας και με κάθε δισταγμό μου, όσο ασήμαντος και να ήταν, για τα επόμενα βήματα των σπουδών μου. Θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους καθηγητές και το τεχνικό προσωπικό του τμήματος Ηλεκτρολογίας του ΤΕΙ ΑΜΘ που με καθοδήγησαν στα χρόνια των σπουδών μου στο πολύ ενδιαφέρον και ευρύ αντικείμενο του ηλεκτρολόγου μηχανικού Σε αυτό το σημείο θέλω να αναφερθώ σε ανθρώπους, εκτός του στενού ακαδημαϊκού περιβάλλοντος, που αποτέλεσαν και αποτελούν σημαντικούς πόλους στη ζωή μου, προσδίδοντας την απαιτούμενη ισορροπία. Το μεγαλύτερο ευχαριστώ το οφείλω στον άντρα μου Μαυρίδη Κωνσταντίνο και στους γονείς μου, των οποίων η πίστη στις δυνατότητες μου αποτέλεσε αρωγός σε όλους τους στόχους και τα όνειρά μου, και οι οποίοι με ανέθρεψαν σε ένα ειδυλλιακό περιβάλλον χωρίς καμία στέρηση. Την παρούσα εργασία την αφιερώνω στο μωρό που κυοφορώ και στον άντρα μου
Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1.1 Γενικά 1 1.1.1 Η κατάσταση των Α.Π.Ε στην Ελλάδα. 2 1.1.2 Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας 5 1.1.3 Ανασκόπηση τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας (Πηγή: (Haisheng, 2009)) 9 1.1.4 Οικονομία του υδρογόνου 11 1.1.5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΓΙΑ ΤΑ ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΑΥΤΟΝΟΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ Α.Π.Ε ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 22 2.1 Γενικά 22 2.2 Παράγοντες που επηρεάζουν ένα SAPS 23 2.3 Αιολική ενέργεια 25 2.3.1 Χαρακτηριστικά Ανεμογεννήτρια 25 2.4 Γεννήτριες 26 2.4.1 Αιολικά χαρακτηριστικά 28 2.4.2 Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των Α/Γ 29 2.4.3 Ανάπτυξη και στόχοι του τομέα αιολικής ενέργειας 32 2.5 Ηλιακή Ενέργεια Φωτοβολταϊκά Συστήματα 36 2.5.1 Βασικές Αρχές 36 2.5.2 Υπάρχουσες τεχνολογίες 38 2.5.3 Λειτουργία και ισοδύναμο κύκλωμα 41 2.5.4 Εγκατάσταση φωτοβολταϊκών πλαισίων σε κτίριο 46 2.5.5 Προοπτικές εξέλιξης 47 2.6 Υδρογόνο 48 2.6.1 Προβληματισμοί 49 2.6.2 Παραγωγή Υδρογόνου 51 2.6.3 Τα Βασικά της Ηλεκτρόλυσης 53 2.6.4 Αλκαλικοί Ηλεκτρολύτες 54 2.6.5 Ηλεκτροχημικές Αντιδράσεις 56 2.7 PEM Ηλεκτρολύτες 57 2.7.1 Κατασκευαστικά Στοιχεία 57 2.7.2 Ηλεκτροχημικές Αντιδράσεις 58 2.7.3 Σύγκριση Τεχνολογιών 58 2.7.4 Μονάδα Αποθήκευσης Υδρογόνου και Βοηθητικά Συστήματα 60 2.7.5 Κυψέλες Καυσίμου 61 2.7.6 Τύποι κυψελών καυσίμου 63 1
2.7.7 Υποσυστήματα Αυτόνομου Σταθμού Ηλεκτροπαραγωγής. 65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Η ΕΦΑΡΜΟΓΗ HYBRID OPTIMIZATION MODEL FOR ELECTRIC RENEWABLES (HOMER) 66 3.1 Εισαγωγή 66 3.2 Συνιστώσες του υπό εξέταση συστήματος 69 3.2.1 Φωτοβολταϊκά στοιχεία 69 3.2.2 Ανεμογεννήτρια 70 3.2.3 Γεννήτριες καυσίμου 70 3.2.4 Συσσωρευτές 72 3.2.5 Μετατροπείς 75 3.2.6 Μονάδα ηλεκτρόλυσης 75 3.2.7 Δεξαμενή αποθήκευσης υδρογόνου 76 3.2.8 Φορτίο 76 3.3 Πηγές 77 3.3.1 Ηλιακή 77 3.3.2 Αιολική 77 3.3.3 Καύσιμα 78 3.4 Οικονομικά μοντέλα του HOMER 78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 81 4.1 Γενικά 81 4.2 Ενεργειακές ανάγκες της μονοκατοικίας φορτία 82 4.3 Μετεωρολογικά δεδομένα 86 4.4 Έλεγχος, εφεδρεία και τεχνικοί περιορισμοί του συστήματος 89 4.5 Εύρεση της βέλτιστης υλοποίησης με τη χρήση του HOMER-Οικονομική Ανάλυση 90 4.5.1 Οικονομικά δεδομένα 90 4.6 Φωτοβολταϊκή συστοιχία. 91 4.7 Ανεμογεννήτρια 92 4.7.1 Κυψέλη Καυσίμου 94 4.7.2 Μονάδα Ηλεκτρόλυσης 95 4.7.3 Δεξαμενή αποθήκευσης Υδρογόνου 96 4.7.4 Μετατροπείς 97 4.7.5 Γεννήτριες Πετρελαίου 97 4.7.6 Συσσωρευτές 97 4.7.7 Αποτελέσματα 98 2
4.7.8 Σύστημα Φωτοβολταϊκών-Κυψέλης Καυσίμου 109 4.7.9 Σύστημα Ανεμογεννήτριας-Κυψέλης Καυσίμου 111 4.8 Ανάλυση Ευαισθησίας 113 4.8.1 Ανάλυση με βάση τις μελλοντικές τιμές των υποσυστημάτων παραγωγής χρήσης υδρογόνου και Α.Π.Ε 113 4.8.2 Συμβατικό Σύστημα με γεννήτρια diesel 117 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 120 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΕΙΣ 123 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 125 3
Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΉ 1.1 Γενικά Η ενέργεια απετέλεσε και αποτελεί τον κινητήριο μοχλό κάθε ανθρώπινης δραστηριότητας. Ο άνθρωπος χρησιμοποίησε την ενέργεια από τη καύση του κάρβουνου και του πετρελαίου και βρήκε τρόπο να τη μετατρέπει σε ηλεκτρική. Ταυτόχρονα, άρχισαν να επιβεβαιώνονται, οι προβλέψεις για τις σημαντικές συνέπειες της συμπεριφοράς του ανθρώπου στο οικοσύστημα εξαιτίας κυρίως της αλόγιστης χρήσης των συμβατικών καυσίμων και πολλών φαινομενικά αθώων τεχνολογικών προϊόντων. Η διάσκεψη του Ρίο, το καλοκαίρι του 1992, προσδιόρισε το πρόβλημα στις διαστάσεις του, προδιαγράφοντας άμεσες ενέργειες και επεμβάσεις. Στην επόμενη όμοια διάσκεψη, στο Κιότο το 1997 καταβλήθηκε προσπάθεια για μια νέα συμφωνία βασισμένη σε πιο δραστικά μέτρα χωρίς να υπάρξει ομοφωνία. Το ενεργειακό μίγμα της Ελληνικής ηλεκτροπαραγωγής διαφοροποιείται σημαντικά από το μέσο όρο τα Ε.Ε, με κύρια διαφοροποιά στοιχεία την κυριαρχία του λιγνίτη στην Ελλάδα και τα πυρηνικής ενέργειας στην Ε.Ε. Στην Ελλάδα ένας τυπικός βαθμός απόδοσης των λιγνιτικών μονάδων είναι περί το 36%. Η εξαιρετικά χαμηλή θερμογόνος δύναμη του Ελληνικού λιγνίτη συνεπάγεται αφενός πολύ χαμηλούς βαθμούς απόδοσης και αφετέρου υψηλές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (Ψωμάς Στ., 2006). Αξίζει να αναφερθεί ότι η καύση του άνθρακα είναι αυτή που ευθύνεται για την έκλυση 10 δισεκατομμυρίων τόνων CO 2 ετησίως περίπου, δηλαδή για το 40% των συνολικών ανθρωπογενών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Η διείσδυση του φυσικού αερίου μετά το 1998, συνιστά θετική διαφοροποίηση, ενώ οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε) αντιπροσωπεύουν ακόμη ένα μικρό ποσοστό στο σύνολο της ηλεκτροπαραγωγής (8,4% το 2002, συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων υδροηλεκτρικών) (ΕΚΠΑΑ (επιμέλεια Ψωμάς Στ.), 2003). Η Ελλάδα την «μετά Κιότο» περίοδο, αύξησε την ετήσια παραγωγή του λιγνίτη κατά 20%, σήμερα δε ανέρχεται στους 70 εκατομμύρια τόνους ετησίως. Με αυτά τα δεδομένα, για την κατάσταση των συμβατικών καυσίμων και την ρύπανση του περιβάλλοντος, είναι επιτακτική ανάγκη για εύρεση και αξιοποίηση μορφών ενέργειας όπως αυτών των Α.Π.Ε. 1
Οι Α.Π.Ε πηγές είναι πρακτικά ανεξάντλητες, ενώ όμως αποδεικνύονται τεχνικά ικανές να αντικαταστήσουν σε μεγάλο βαθμό τις συμβατικές πηγές ενέργειας εμφανίζονται, σε γενικές γραμμές, ακριβότερες προς το παρόν και λόγω της υποκοστολόγησης της τιμής της ενέργειας που παράγεται με συμβατικό τρόπο καθώς σε αυτή δεν εμπεριέχεται το περιβαλλοντικό και το γενικότερο εξωτερικό κόστος. Μεταξύ των δυο κύριων τρόπων παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας, αιολικής και φωτοβολταϊκής, η αιολική εμφανίζεται σήμερα οικονομικότερη και άρα περισσότερο προσιτή. Η διαφορά κόστους παραγωγής της ηλεκτρικής κιλοβατώρας από πετρέλαιο και από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μειώνεται σταδιακά, ώστε σύντομα, μέσα στην επόμενη δεκαετία, να μπορεί να προβλεφθεί μια απευθείας σύγκριση κόστους ενέργειας. Ήδη το κόστος εγκατάστασης τους εμφανίζεται ανταγωνιστικό απέναντι στη συμβατική παραγωγή ενέργειας σε περιπτώσεις μη συνδεδεμένων με το δίκτυο περιοχών (απομονωμένοι οικισμοί, νησιά κ.α.). Η χώρα μας διαθέτει σημαντικό δυναμικό ανανεώσιμων πηγών στο οποίο συμπεριλαμβάνονται : Ισχυροί άνεμοι στο Αιγαίο σε όλη τη διάρκεια του χρόνου. Ηλιοφάνεια από τις υψηλότερες στην Ευρώπη. Αξιοσημείωτο δυναμικό για μικρά υδροηλεκτρικά στη βόρεια Ελλάδα. Γεωθερμική ενέργεια (χαμηλής, μεσαίας και υψηλής ενθαλπίας) στα νησιά του Αιγαίου, τη Θράκη και τη Μακεδονία. 1.1.1 Η κατάσταση των Α.Π.Ε στην Ελλάδα. Η συνεισφορά των Α.Π.Ε στο εθνικό ενεργειακό ισοζύγιο είναι τα τάξης του 5,6%, σε επίπεδο συνολικής ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης, και της τάξης του 17,7% σε επίπεδο εγχώριας παραγωγής πρωτογενούς ενέργειας. Η παραγωγή πρωτογενούς ενέργειας από Α.Π.Ε το 2008 ήταν 1,8 Μtoe, ενώ στις αρχές της δεκαετίας του 90 ήταν 1,2 Μtoe. Εξ αυτών 600 ktoe οφείλονται στη χρήση βιομάζας στα νοικοκυριά, 264 ktoe στη χρήση βιομάζας στη βιομηχανία για ίδιες ανάγκες, από την παραγωγή βιοκαυσίμων 63 ktoe, 357 ktoe από την παραγωγή των υδροηλεκτρικών σταθμών, 193 ktoe από τν παραγωγή των αιολικών, 174 ktoe από την παραγωγή των θερμικών ηλιακών συστημάτων, 35 ktoe από το βιοαέριο, κυρίως για τν παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, και 17 ktoe από την παραγωγή 2
γεωθερμικών συστημάτων (Πίνακας 1.1, Διάγραμμα 1.1). Πίνακας 1.1 Πρωτογενής Παραγωγή από Α.Π.Ε (ktoe) (Πηγή: Κ.Α.Π.Ε, Ετήσια Έκθεση 2009). Η συνεισφορά των Α.Π.Ε στην ακαθάριστη εγχώρια κατανάλωση ενέργειας είναι σταθερή και κυμαίνεται σε ποσοστό της τάξεως του 5,5-6,5%. Η συνολική συνεισφορά των Α.Π.Ε, αν αφαιρέσει κανείς τη βιομάζα στον οικιακό τομέα και τα μεγάλα υδροηλεκτρικά, παρουσιάζει μια σταθερά ανοδική πορεία λόγω των μέτρων οικονομικής υποστήριξης (Διάγραμμα 1.1). 3
Διάγραμμα 1.1 Πρωτογενής Παραγωγή από Α.Π.Ε (Πηγή: Κ.Α.Π.Ε, Ετήσια Έκθεση 2009). Η ηλεκτροπαραγωγή από «συμβατικές» Α.Π.Ε στην Ελλάδα (μη συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων υδροηλεκτρικών και των αντλητικών) παρουσιάζει σημαντική αύξηση τα τελευταία χρόνια και αντιστοιχεί στο 4,3% τα ακαθάριστης εγχώριας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αφορά κυρίως σε αιολικά και μικρά υδροηλεκτρικά, σε μικρό βαθμό τη βιομάζα ενώ ήδη γίνεται πολύ αισθητή και η συνεισφορά των φωτοβολταϊκών. Η παραγωγή θερμικής ενέργειας από Α.Π.Ε προέρχεται κυρίως από τις θερμικές χρήσεις της βιομάζας, τα ενεργητικά ηλιακά, και τις γεωθερμικές αντλίες θερμότητας. Η μεγάλη ανάπτυξη τα βιομηχανίας ηλιακών συλλεκτών κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχει οδηγήσει την Ελλάδα στη δεύτερη θέση σε εγκατεστημένη επιφάνεια συλλεκτών σε ευρωπαϊκό επίπεδο. Ένα προνομιακό πεδίο για τα θερμική διείσδυση των Α.Π.Ε φαίνεται να είναι ο κτιριακός τομέας, σε συνδυασμό πάντοτε με την αναθεώρηση της εθνικής νομοθεσίας για τα «κτίρια αυξημένης ενεργειακής αποδοτικότητας». Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε το 2008 έφθασε τις 6,6 TWh περίπου και προήλθε, κατά 63% από υδροηλεκτρικούς σταθμούς (4149 GWh), κατά 34% από αιολικά πάρκα (2242 GWh), 191 GWh παρήχθησαν από βιοαέριο, ενώ υπήρχε και μια μικρή παραγωγή από φωτοβολταϊκούς σταθμούς. Ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας την ίδια χρονιά ήταν 63,7 TWh. Εξέλιξη της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε φαίνεται στο Διάγραμμα 1.2. 4
Διάγραμμα 1.2 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε χωρίς μεγάλα υδροηλεκτρικά (Πηγή: Κ.Α.Π.Ε, Ετήσια Έκθεση 2009). 1.1.2 Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Αυτόνομο ενεργειακό σύστημα (Stand-Alone Power System, SAPS) ορίζεται αυτό που παράγει ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να είναι συνδεδεμένο στο κεντρικό δίκτυο. Αυτόνομα συστήματα που βασίζονται στο συνδυασμό ανανεώσιμων και συμβατικών πηγών ενέργειας (κυρίως αιολικών συστημάτων με γεννήτριες diesel) αποτελούν μια αξιόπιστη λύση για την ενεργειακή τροφοδοσία απομακρυσμένων ή περιβαλλοντικά ευαίσθητων περιοχών. Παρόλα αυτά δεν αποτελούν την «ιδανική» λύση καθώς η χρήση των συμβατικών πηγών αποτελεί πηγή εκπομπής αερίων θερμοκηπίου αλλά και θορύβου, παράγοντες που πρέπει να μειωθούν δραστικά όταν ψάχνουμε για περιβαλλοντικά φιλικές λύσεις Η αιολική και ηλιακή ενέργεια είναι μορφές που εξαρτώνται από τα μετεωρολογικά δεδομένα και συχνά η μέγιστη ζήτηση από τους καταναλωτές δεν συμπίπτει με τη μέγιστη παραγωγή συνεπώς είναι αναγκαία η χρήση αποθηκευτικών μέσων ή η χρήση βοηθητικής πηγής ενέργειας. Τα καθιερωμένα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας περιλαμβάνουν τους σφόνδυλους, τα συστήματα παραγωγής, αποθήκευσης και χρήσης του υδρογόνου σε κυψέλες καυσίμου, τους υπερπυκνωτές, την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας σε μαγνητικό πεδίο και τους ηλεκτρικούς συσσωρευτές. 5
Δυο λύσεις έχουν επικρατήσει στην κατασκευή αυτόνομων συστημάτων α) η χρήση ηλεκτρικών συσσωρευτών μεγάλης χωρητικότητας για να ανταποκρίνονται στη ζήτηση σε διάστημα 3-7 ημερών και β) η χρήση γεννήτριας diesel. Ο τελευταίος συνδυασμός ορίζεται ως υβριδικό Σύστημα και είναι αυτός που έχει επικρατήσει για μεγάλα συστήματα εξαιτίας του μεγάλου κόστους των συσσωρευτών και της μείωσης του κόστους των γεννητριών diesel. Τα υβριδικά συστήματα γενικά ορίζονται ως εκείνα τα συστήματα παραγωγής ενέργειας όπου υπάρχουν περισσότερες από μία ηλεκτρικές γεννήτριες διαφορετικής τεχνολογίας ως προς το εν χρήσει καύσιμο (S.M. Shaahid, 2008) Στα αυτόνομα υβριδικά συστήματα με συμμετοχή του υδρογόνου χρησιμοποιούνται κυψέλες καυσίμου. Η παραγόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το χρήστη αυξάνοντας την απόδοση του συστήματος. Στο Σχήμα 1.1 απεικονίζεται ένα τυπικό υβριδικό σύστημα με κυψέλη καυσίμου. Σχήμα 1.1 Υβριδικό σύστημα με χρήση Υδρογόνου (Πηγή: (Nelson, 2006)) 6
Τα υβριδικά πάρκα συμβάλουν θετικά για μια εκτεταμένη χρήση των Α.Π.Ε καθώς συνδυάζουν αιολική, ηλιακή και υδροηλεκτρική ενέργεια με συμβατικές μονάδες παραγωγής ρεύματος (ορυκτά καύσιμα ή πετρέλαιο) ώστε οι Α.Π.Ε και οι παραδοσιακές να αλληλοσυμπληρώνονται, όταν τα στοιχεία της φύσης δε βοηθούν. Έτσι, τα υβριδικά έργα δίνουν τη δυνατότητα μεγαλύτερης αξιοποίησης των Α.Π.Ε. σε δίκτυα µε περιορισμένη δυνατότητα απορρόφησης ενέργειας από Α.Π.Ε. όπως τα µη διασυνδεδεμένα νησιά. Τα υβριδικά συστήματα εκμεταλλεύονται τα καλύτερα χαρακτηριστικά της κάθε τεχνολογίας και παρέχουν ενέργεια τέτοιας ποιότητος όπως του δικτύου. Έτσι μπορούν να αναπτυχθούν σαν αυτόνομα καινούρια και ανεξάρτητα συστήματα μέσα σε μικρά συστήματα διανομής ενέργειας (mini grids) ή να ενταχθούν σε υπάρχουσες θερμικές μονάδες βασιζόμενες στο πετρέλαιο μετά από τις απαραίτητες επεμβάσεις στο υπάρχον σύστημα. Τα υβριδικά συστήματα βρίσκουν εφαρμογή σε περιοχές όπου η σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο αλλά και η μεταφορά του καύσιμου θεωρούνται αντιοικονομικές επιλογές. Παρέχουν όμως την δυνατότητα μελλοντικής σύνδεσης με το δίκτυο στις περιοχές που γίνεται η εγκατάσταση τους. Επιπλέον λόγω της υψηλής αποδοτικότητας και της αξιοπιστίας τους, τέτοιου τύπου συστήματα μπορούν να φανούν χρήσιμα σαν μία αποτελεσματική λύση παροχής ισχύος σε περιπτώσεις διακοπών παροχής ή ακόμη και σε εξειδικευμένους καταναλωτές, όπως οι τηλεπικοινωνιακοί σταθμοί και οι νοσοκομειακές μονάδες. Τα υβριδικά συστήματα που περιέχουν τεχνολογία με καύσιμο λειτουργούν με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση, επειδή προβλέπεται παραγωγή ενέργειας από αυτό μόνο σε περιόδους υψηλής ζήτησης φορτίου ή χαμηλού ανανεώσιμου δυναμικού. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει τη μειωμένη κατανάλωση καυσίμου σε σχέση με μία αυτόνομη μονάδα συμβατικής τεχνολογίας. Σχετικά με τους παράγοντες που καθορίζουν το κόστος ηλεκτροδότησης μιας περιοχής είναι: η εγκατάσταση γραμμών μεταφοράς ενέργειας υψηλής και μέσης τάσης, η δημιουργία υποσταθμών, η δημιουργία δικτύου διανομής, το μέγεθος του φορτίου που πρέπει να καλυφθεί, η απόσταση του φορτίου από την υπάρχουσα γραμμή μεταφοράς και το είδος του εδάφους που πρέπει να διασχιστεί. Τα υβριδικά συστήματα συνήθως εφαρμόζονται σε αγροτικές περιοχές αποκομμένες από το δίκτυο. Επειδή οι περιοχές αυτές δεν παρουσιάζουν μεγάλο φορτίο και συνήθως βρίσκονται μακριά από το υπάρχον δίκτυο καθίσταται 7
αντιοικονομική η δημιουργία δικτύου για την ηλεκτροδότηση τέτοιων κοινοτήτων ή ακόμη και κατοικιών. Έτσι η παροχή ενέργειας από υβριδικά συστήματα, βασιζόμενα σε Α.Π.Ε είναι πιο οικονομική σε αυτές τις περιπτώσεις και πιο φιλική προς το περιβάλλον. Η αύξηση της αξιοπιστίας αυτών των συστημάτων, οι ασήμαντες απώλειες μεταφοράς και η χρήση αειφόρων πηγών ενέργειας παίζουν σημαντικό ρόλο για να αποτελέσουν τα υβριδικά συστήματα την καλύτερη αποκεντρωμένη λύση. Στο νησί Κύθνος, ένα νησί με υψηλού κόστους παραγωγή ενέργειας από ντηζελογεννήτριες και ικανοποιητικό αιολικό δυναμικό, δημιουργήθηκε ένα από τα πρώτα υβριδικά μοντέλα στην Ελλάδα. Πρόκειται για ένα σύστημα με συνολική εγκατεστημένη ισχύ 1.7 MW, το οποίο αποτελείται από συνδυασμό ανεμογεννητριών, μπαταριών και γεννητριών πετρελαίου. Οι ντηζελογεννήτριες ποικίλουν από 100 550 kw. Υπάρχουν 5 Α/Γ από 20 kw (σύνολο 100 kw). Τα επίπεδα των συσσωρευτών κυμαίνονται από 600 2.400 kwh. Τα αποτελέσματα της εξοικονόμησης καυσίμου φαίνονται στο Σχήμα 1.2. Μετά τις 1.800 kwh υπάρχει μία ασήμαντη βελτίωση ενώ μέχρι τις 1.200 kwh είναι περίπου γραμμική (Lipman, 1994). Στην Ελλάδα χρησιμοποιούνται κυρίως τα Αυτόνομα Υβριδικά Συστήματα Ηλεκτροπαραγωγής (Α.Υ.Σ.Η). Σημαντικές εφαρμογές Α.Υ.Σ.Η συναντώνται κυρίως στις μονές του Αγίου Όρους όπου η απομονωμένη θέση της χερσονήσου καθιστά ασύμφορη τη σύνδεση των μονών με το δίκτυο. Ορισμένες από τις μονές αυτές έχουν επαρκή τροφοδοσία και έχουν εγκατασταθεί μικροί υδροηλεκτρικοί σταθμοί. Ιδιαίτερης σημασίας είναι το Α.Υ.Σ.Η της Ιεράς Μονής Σίμωνος Πέτρας, όπου έχει εγκατασταθεί Α.Υ.Σ.Η αποτελούμενο από μικρό υδροηλεκτρικό σταθμό, φωτοβολταϊκά και ντηζελογεννήτρια πετρελαίου. Πριν την εγκατάσταση του φωτοβολταϊκού σταθμού η ντηζελογεννήτρια πετρελαίου κάλυπτε περίπου το 40% των ετήσιων αναγκών της μονής σε ενέργεια και το 71% των αντίστοιχων αναγκών κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού ενώ με την εγκατάσταση του φωτοβολταϊκού σταθμού τα αντίστοιχα ποσοστά έπεσαν στο 5.5% και 9% αντίστοιχα0 (Μάλτας., 2007). 8
Σχήμα 1.2 Διάγραμμα εξοικονόμησης καυσίμου συναρτήσει της χωρητικότητας των μπαταριών (Πηγή: (Lipman, 1994)). Τα τελευταία χρόνια εγκαταστάθηκαν περίπου 160 αυτόνομα υβριδικά συστήματα φωτοβολταϊκών σε απομονωμένους σταθμούς βάσης εταιριών κινητής τηλεφωνίας με συνολική ισχύ φωτοβολταϊκών 1.2 ΜW, ενώ απομένουν προς εγκατάσταση 80 παρόμοια συστήματα με ισχύ περίπου 1 MW. Οι σταθμοί λειτουργούν με γεννήτριες και βρίσκονται σε απομακρυσμένες επαρχιακές και αγροτικές περιοχές της χώρας. Βασικός στόχος της συγκεκριμένης ενέργειας ήταν η αξιοσημείωτη μείωση του χρόνου λειτουργίας της γεννήτριας, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση καυσίμου (με αντίστοιχο περιβαλλοντικό όφελος), δεδομένου ότι αντικαθίσταται η καύση ντήζελ από φωτοβολταϊκή ενέργεια. Παράλληλα, υπάρχει μεγαλύτερη ευελιξία και αξιοπιστία στην παροχή ενέργειας στους τηλεπικοινωνιακούς σταθμούς με αυξημένη αυτονομία λόγω της μεγάλης μείωσης στην κατανάλωση καυσίμου (ΚΑΠΕ, 2005) 1.1.3 Ανασκόπηση τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας (Πηγή: (Haisheng, 2009)) Η ανάγκη αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάζεται με διάφορους τρόπους και οι αποθηκευτικές διατάξεις βρίσκουν διάφορες εφαρμογές. Προφανείς και πολυχρησιμοποιημένες οι αποθηκευτικές διατάξεις (μπαταρίες) στα κινητά τηλέφωνα ή στους φορητούς υπολογιστές. Εκτός από τις συσκευές καθημερινής χρήσης, αποθηκευτικές διατάξεις χρειάζονται και σε πλήθος άλλων εφαρμογών, π.χ. ηλεκτρικό αυτοκίνητο, 9
συστήματα με φωτοβολταϊκά και γενικά με ανανεώσιμες πηγές. Για κάθε εφαρμογή θα πρέπει να επιλεγεί και το μέσο αποθήκευσης με τις κατάλληλες ιδιότητες. Το ιδανικό μέσο αποθήκευσης θα πρέπει να μπορεί να αποθηκεύει μεγάλη ποσότητα ενέργειας σε μικρό χώρο και να είναι σε θέση να διοχετεύει αυτή την ενέργεια αργά ή ταχύτατα ανάλογα με τις απαιτήσεις και πάντα πλήρως ελεγχόμενα. Για το σκοπό αυτό θα πρέπει να μπορεί να λειτουργεί με έναν κύκλο φόρτισης εκφόρτισης με μεγάλη διάρκεια ζωής και με βαθιά εκφόρτιση χωρίς να καταστρέφεται. Θα πρέπει όμως να είναι ασφαλές, σχετικά οικονομικό και να μην απαιτεί ιδιαίτερη συντήρηση. Φυσικά δεν υπάρχει αποθηκευτική διάταξη που να συνδυάζει όλους τους παράγοντες. Παρακάτω γίνεται μία σύντομη αναφορά στις διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας και στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Οι διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση δύο κριτήρια: τη λειτουργία τη μορφή αποθήκευσης. Με βάση το πρώτο κριτήριο, οι τεχνολογίες διακρίνονται σε αυτές που αποσκοπούν πρωταρχικά στην ποιότητα και την αξιοπιστία της παρεχόμενης ισχύος και χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές ονομαστικής ισχύος αλλά από σχετικά μικρό ενεργειακό περιεχόμενο, και σε αυτές που σχεδιάζονται για εφαρμογές διαχείρισης ενέργειας. Όπως φαίνεται από τον Πίνακα 1.2, οι τεχνολογίες PHS, CAES, TES, solar fuel, οι μπαταρίες μεγάλης κλίμακας, οι μπαταρίες ροής και οι κυψέλες καυσίμου κατατάσσονται στην κατηγορία διαχείρισης ενέργειας, ενώ οι πυκνωτές / υπερπυκνωτές, η τεχνολογία SMES, οι σφόνδυλοι και οι μπαταρίες μικρής κλίμακας εντάσσονται στην κατηγορία ποιότητας ισχύος και αξιοπιστίας. Με βάση τη μορφή με την οποία αποθηκεύεται η ηλεκτρική ενέργεια οι τεχνολογίες αποθήκευσης διακρίνονται σε: 1. Ηλεκτρική αποθήκευση: Ηλεκτροστατική αποθήκευση με τη χρήση πυκνωτών και υπερπυκνωτών, καθώς και μαγνητική αποθήκευση με τη χρήση τεχνολογίας SMES. 2. Μηχανική αποθήκευση: Σε μορφή κινητικής ενέργειας (σφόνδυλοι) ή σε μορφή δυναμικής ενέργειας (PHS και CAES). 10
Πίνακας 1.2 Κατηγοριοποίηση τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας με κριτήριο τη λειτουργία. Ποιότητα ισχύος και αξιοπιστία Πυκνωτής Υπερπυκνωτής Υπεραγώγιμη μαγνητική αποθήκευση (SMES) Σφόνδυλος (Flywheel) Μπαταρία Διαχείριση Ενέργειας Αντλησιοταμίευση (PHS) Αποθήκευση με συμπίεση αέρα (CAES) Κυψέλη Καυσίμου (Fuel Cell) Solar Fuel Θερμική Αποθήκευση (TES) Μπαταρία Μεγάλης Κλίμακας 3. Χημική αποθήκευση: Με τη μορφή ηλεκτροχημικής ενέργειας (συμβατικές μπαταρίες, μπαταρίες ροής) ή με τη μορφή χημικής ενέργειας (κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες μετάλλου αέρα) ή με τη μορφή θερμοχημικής ενέργειας (τεχνολογία solar fuel). 4. Θερμική αποθήκευση: Αποθήκευση ενέργειας σε συστήματα χαμηλής ή υψηλής θερμοκρασίας. 1.1.4 Οικονομία του υδρογόνου Το υδρογόνο μελετάται ως ένας ενεργειακός φορέας που μακροπρόθεσμα θα επιτρέψει αφενός την απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και αφετέρου θα συμβάλει στην προστασία του περιβάλλοντος. Όσον αφορά την διαθεσιμότητα του υδρογόνου, αυτό δεν υπάρχει ελεύθερο στην φύση αλλά μπορεί να προέλθει από ενώσεις που αφθονούν στην φύση όπως το νερό και οι υδρογονάνθρακες. Για να «σπάσουν» οι δεσμοί αυτών των ενώσεων και να παραχθεί υδρογόνο χρειάζεται να καταναλωθεί ενέργεια. Αυτή η ενέργεια μπορεί να προέλθει από πλήθος πηγών όπως τα ορυκτά καύσιμα, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Α.Π.Ε), η πυρηνική ενέργεια κ.α.. Σε περίπτωση που το υδρογόνο προέλθει από ορυκτά καύσιμα, όπως κατεξοχήν συμβαίνει σήμερα στα διυλιστήρια, εκλύεται διοξείδιο του άνθρακα, ενώ η πυρηνική ενέργεια έχει να αντιμετωπίσει πλήθος θεμάτων που αφορούν την ασφάλεια και τη διαχείριση των αποβλήτων. Η παραγωγή υδρογόνου από Α.Π.Ε έχει μηδενικές εκπομπές και είναι συνεπώς περιβαλλοντικά συμφέρουσα, ενώ δίνει την δυνατότητα για την παραγωγή υδρογόνου σε 11
οποιαδήποτε χώρα, ακόμα και σε τοπικό επίπεδο, και όχι μόνο σε χώρες με πλούσιο υπέδαφος ή υψηλή τεχνογνωσία. Εφόσον η παραγωγή υδρογόνου και κατόπιν η χρήση του σε κινητήρες ή κυψέλες καυσίμου έχει μεγάλο ενεργειακό κόστος (συνολικός βαθμός απόδοσης για παραγωγή, αποθήκευση και χρήση περίπου 30%) είναι προφανές ότι η παραγόμενη από Α.Π.Ε ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την κάλυψη της ζήτησης. Στις χρονικές στιγμές που υπάρχει περίσσεια ενέργειας αυτή θα χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης του νερού, στη συνέχεια το παραγόμενο υδρογόνο αποθηκεύεται για μελλοντική χρήση. Όταν υπάρχει έλλειψη ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές τα φορτία εξυπηρετούνται από κυψέλες καυσίμου που καταναλώνουν το αποθηκευμένο υδρογόνο. Τα παραπάνω απεικονίζονται στο Σχήμα 1.3. Τέτοιες λύσεις μπορούν να εφαρμοστούν μεσοπρόθεσμα σε μη-διασυνδεδεμένα ηλεκτρικά δίκτυα όπως αυτά των νησιών, ενώ μακροπρόθεσμα προβλέπεται να υλοποιούνται εγκαταστάσεις Α.Π.Ε με κύριο σκοπό την παραγωγή υδρογόνου (Λυμπερόπουλος, 2005) Σχήμα 1.3 Το υδρογόνο σαν μηχανισμός αποθήκευσης και παραγωγής ενέργειας. 1.1.5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΓΙΑ ΤΑ ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Σύμφωνα με τους Hodder, N.D. 2002, Yannas, 1994, Heidari, 2002 στις βιομηχανικές χώρες, το 50% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα προέρχεται από τον κτιριακό τομέα. Η ηλιακή ενέργεια είναι σήμερα μόνο το 13% της κατανάλωσης ενέργειας 12
στα κτίρια, αλλά προτείνεται να αυξηθεί σε 50% και, ενδεχομένως, σε ορισμένες περιοχές σε 57% έως το 2010 (Kavalari, F., 2001). Οι Paravanits, J. A. και Markis, T. ((Markis, T., Paravantis, J.A., 2007)) εξήγησαν ότι τα ενεργειακά αποδοτικά κτίρια θα μπορούσαν να μειώσουν την εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα κατά 60% ή και περισσότερο κάτι που αντιστοιχεί σε 1.35 δισεκατομμύρια τόνους CO 2, που είναι το ποσό της αποταμίευσης που προτάθηκε στις Περιβαλλοντικές Διασκέψεις του Ρίο και Βερολίνου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με μικρότερη χρήση των ορυκτών καυσίμων και αντικατάστασή τους με εναλλακτικές πηγές ενέργειας (Dincer, 2008). Στο πλαίσιο αυτό, έχουν αναληφθεί, διάφορες θεσμικές πρωτοβουλίες. Το 2002 το Ευρωπαϊκό κοινοβούλιο δημοσίευσε την οδηγία 2002/91/CE με σκοπό την προώθηση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων. Τον Απρίλιο του 2009, η επιτροπή βιομηχανίας του Ευρωπαϊκού κοινοβουλίου ανέπτυξε μια έκθεση για την μεταρρύθμιση της οδηγίας του 2009 (Proposal, April 2009). Η έκθεση προτείνει, το αργότερο μέχρι τις 31 Δεκεμβρίου του 2018, τα κράτη μέλη να εξασφαλίζουν ότι όλα τα νεόκτιστα κτίρια πρέπει να είναι μηδενικής ενεργειακής κατανάλωσης (Zero Energy Buildings (ZEB)). Στην πρόταση ως ΖΕΒ ορίζεται ένα κτίριο όπου η συνολική κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας είναι ίση ή μικρότερη από την επί τόπου (on site) παραγωγή ενέργειας από Α.Π.Ε (Πρόταση Ευρωπαϊκής Οδηγίας, 2009). Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας που μπορεί δυνητικά να χρησιμοποιηθούν σε αυτές τις προηγμένες εφαρμογές ΖΕΒ. Ενώ οι μπαταρίες και οι υπερπυκνωτές είναι κατάλληλες επιλογές για βραχυπρόθεσμη αποθήκευση (Protogeropoulos C., 2006) η αποθήκευση του υδρογόνου μπορεί να είναι μια πιο κατάλληλη λύση για την μακροπρόθεσμη αποθήκευση, κάτι που οφείλεται στην υψηλή ενεργειακή του πυκνότητα (Schucan, 1999), (Zoulias, 2006)). Συστήματα που ενσωματώνουν το Υδρογόνου σε συνδυασμό με ανεμογεννήτριες ή φωτοβολταϊκά συστήματα είναι εξελισσόμενη τεχνολογία. Ο παραδοσιακός τρόπος παραγωγής υδρογόνου από ανεμογεννήτριες ή φωτοβολταϊκά είναι με τη χρήση μονάδας ηλεκτρόλυσης (electrolyzers) για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από την ανανεώσιμη πηγή σε υδρογόνο. Οι μονάδες αυτές έχουν σχεδιαστεί να λειτουργούν με σταθερή ισχύ εισόδου, γι αυτό η απόδοση τους με μεταβλητή ισχύ σαν επακόλουθο της τροφοδοσίας τους από τις ανανεώσιμες πηγές είναι αντικείμενο έρευνας. 13