ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΚΑΙ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

ΒΕΛΤΙΣΤΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΚΑΙ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Δ. Ιψάκης 1,2, Γ. Βεζυράκης 3, Κ. Κωνσταντίνου 3, Γ. Γιαννακούδης 3, Α. Ι. Παπαδόπουλος 1, Χ. Ζιώγου 1, Σ. Βουτετάκης 1, Π. Σεφερλής 3 1 Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών (Ι.Τ.ΧΗ.Δ), Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Τ.Α.), Τ.Θ. 60361, 57001 Θέρμη, Θεσσαλονίκη. 2 Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τ.Θ. 1517, 54124, Θεσσαλονίκη 3 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τ.Θ. 484, 54124, Θεσσαλονίκη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας εργασίας αποτελεί ο βέλτιστος σχεδιασμός και η λειτουργία ενός συνδυασμένου συστήματος παραγωγής ενέργειας που βασίζεται στην εκμετάλλευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Α.Π.Ε.). Το προτεινόμενο σύστημα αποτελείται από φωτοβολταϊκά στοιχεία και ανεμογεννήτριες για την κάλυψη ενός σταθερού φορτίου. Λόγω όμως της μεγάλης διακύμανσης που παρουσιάζουν οι τιμές της ηλιοφάνειας και κυρίως της ταχύτητας του ανέμου, απαιτείται η παρουσία ενός συσσωρευτή για την αντιστάθμιση των συνεχών αυτών διακυμάνσεων. Επίσης, προτείνεται η ύπαρξη ενός φορέα αποθήκευσης ενέργειας όπου θα χρησιμεύει για την κάλυψη μακροπρόθεσμων αναγκών του συστήματος. Αυτός ο φορέας ενέργειας είναι το υδρογόνου που παράγεται από την περίσσεια ενέργειας μέσω της ηλεκτρόλυσης του νερού, αποθηκεύεται σε δοχεία πίεσης και χρησιμοποιείται σε κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ενέργειας σε περίπτωση ελλείμματος ενέργειας. Στην συγκεκριμένη εργασία, θα παρουσιασθούν δύο βασικές στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας (ΣΔΕ) που έχουν εφαρμοσθεί σε ήδη υπάρχουσα μονάδα. Οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων των ΣΔΕ υπολογίζονται ώστε να επιτευχθεί το ελάχιστο κόστος λειτουργίας του συστήματος με ταυτόχρονη προστασία των επιμέρους συσκευών από ανεπιθύμητες συνθήκες λειτουργίας. Το πρόβλημα σχεδιασμού περιλαμβάνει συνεχείς και διακριτές σχεδιαστικές μεταβλητές και επιλύεται με τεχνικές προσομοιωμένης ανόπτησης (simulated annealing). 1. ΕΙΣΑΓΩΓΉ Το υδρογόνο αποτελεί τον ενεργειακό φορέα του μέλλοντος. Η μη ύπαρξη του αυτούσιου στην φύση, απαιτεί την παραγωγή του από άλλες πηγές όπως είναι το νερό. Η ηλεκτρόλυση όμως του νερού, απαιτεί μεγάλα ποσά ενέργειας που μόνο συστήματα εκμετάλλευσης Α.Π.Ε. μπορούν να παρέχουν με τρόπο οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον [1, 2]. Για τη δημιουργία ενός αυτόνομου συστήματος παραγωγής ενέργειας, προτείνεται η παρουσία υποσυστημάτων εκμετάλευσης Α.Π.Ε., όπως φωτοβολταϊκά στοιχεία και ανεμογεννήτριες, η παρουσία ενός υποσυστήματος για την κάλυψη βραχυπρόθεσμων αναγκών, όπως οι συσσωρευτές, καθώς και η παρουσία ενός υποσυστήματος για μακροπρόθεσμες ανάγκες βασισμένο στην παραγωγή υδρογόνου. Τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την λειτουργία των υποσυστημάτων έχουν παρουσιασθεί σε [1-3], όπου είναι δυνατή η προσομοίωση της λειτουργίας των υποσυστημάτων ξεχωριστά. Για την σύνδεση όμως των υποσυστημάτων, απαιτείται η ύπαρξη αλγορίθμων διαχείρισης ενέργειας που βασίζονται στην παρακολούθηση της κατάστασης φόρτισης (State-of-Charge, SOC) του συσσωρευτή [1, 2, 4, 5] και κύριος στόχος αποτελεί η

προστασία των υποσυστημάτων από υπερβολική χρήση καθώς και η παρακολούθηση του αποθηκευμένου υδρογόνου. Στρατηγικές βελτιστοποίησης, μπορούν να βρεθούν σε [6, 7], όπου απώτερος σκοπός αποτελεί η διατήρηση της διάρκειας ζωής όλης της μονάδας σε υψηλά επίπεδα καθώς και η μείωση του κόστους λειτουργίας. Στην παρούσα εργασία, θα παρουσιασθεί μία συνολική εφαρμογή βέλτιστης λειτουργίας και σχεδιασμού ολοκληρωμένων μονάδων παραγωγής ενέργειας από Α.Π.Ε. και υδρογόνο. Αρχικά, θα παρουσιασθούν δύο βασικοί αλγόριθμοι λειτουργίας που βασίζονται στην παρακολούθηση του SOC του συσσωρευτή. Το κάτω όριο, SOC min, υπαγορεύει την λειτουργία της κυψέλης καυσίμου σε περίπτωση ελλείμματος ενέργειας, ενώ το άνω όριο, SOC max, την λειτουργία της συσκευής ηλεκτρόλυσης σε περίπτωση περίσσειας ενέργειας. Μία ζώνη υστέρησης εφαρμόζεται σε αυτά τα όρια με στόχο την προστασία των συσκευών από υπερβολική χρήση. Ο χρόνος προσομοίωσης αφορά περίοδο λειτουργίας 4 μηνών [1, 2]. Παράλληλα, ο βέλτιστος σχεδιασμός θα καθορισθεί από τον προσδιορισμό των μεγεθών των επιμέρους βασικών υποσυστημάτων με στόχο την ελαχιστοποίηση της αναπτυσσόμενης συνάρτησης κόστους [8]. Η συνάρτηση κόστους περιλαμβάνει τα κόστη αγοράς, αντικατάστασης και λειτουργίας του ολοκληρωμένου συστήματος αναγώμενα σε ετήσια βάση χρησιμοποιώντας τα μετεωρολογικά δεδομένα για χρονική περίοδο ενός έτους, σε συνδυασμό με λειτουργικές παραμέτρους (ώρες λειτουργίας, κύκλοι φόρτισης/εκφόρτισης κ.ο.κ.) που προσδιορίζονται από τις ΣΔΕ [8]. Όπως τονίσθηκε, η τεχνική προσομοιωμένης ανόπτησης (simulated annealing) θα εφαρμοσθεί για την επίλυση του πολύπλοκου προβλήματος βελτιστοποίησης. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΑΡΧΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ Μέρος της παραγόμενης ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία και τις ανεμογεννήτριες οδηγείται για την κάλυψη των αναγκών του σταθερού φορτίου, ενώ η περίσσεια ενέργειας οδηγείται σε συσκευή ηλεκτρόλυσης για την παραγωγή υδρογόνου (Σχήμα 1). Το υδρογόνο αποθηκεύεται σε κυλίνδρους υπό πίεση, από όπου τροφοδοτείται σε κυψέλη καυσίμου τύπου ΡΕΜ (polymer electrolyte membrane) για την παραγωγή ενέργειας σε περίπτωση ελλείμματος. H 2O ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗ ΣΥΣΤΟΙΧΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ I Φ/Σ ΛΕΩΦΟΡΟΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (DC-BUSBAR) I Α I ΣΥΣ I HΛΕΚ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗΣ Pb-H 2SO4 I ΚΚ ΣΥΣΚΕΥΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ H 2 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ H 2 ΚΥΨΕΛH ΚΑΥΣΙΜΟΥ O 2 ΑΕΡΑΣ I Φ ΦΟΡΤΙΟ H 2 O Σχήμα 1: Διάγραμμα του ολοκληρωμένου συστήματος παραγωγής ενέργειας με ταυτόχρονη αποθήκευση υδρογόνου Λόγω των καιρικών συνθηκών και των μεταβολών τους κατά την διάρκεια της ημέρας, η όλη μονάδα συνοδεύεται από συσσωρευτή μολύβδου-οξέος, του οποίου η λειτουργία έγκειται στην κάλυψη αναγκών που δεν μπορούν να καλυφθούν από τα υποσυστήματα εκμετάλλευσης των Α.Π.Ε.. Η φόρτιση του πραγματοποιείται από τις Α.Π.Ε. ή την κυψέλη καυσίμου ανάλογα με την διαθεσιμότητα της ηλιακής και αιολικής ενέργειας. 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Ο κύριος στόχος μίας στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα εκμετάλλευσης Α.Π.Ε., αφορά την κάλυψη του φορτίου χρησιμοποιώντας κατάλληλα τα διάφορα υποσυστήματα. Η κύρια μεταβλητή λειτουργίας της ολοκληρωμένης μονάδας, είναι η κατάσταση φόρτισης του συσσωρευτή, SOC. Περίσσεια ενέργειας (SOC max ) χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου, ενώ έλλειμμα ενέργειας (SOC min ) καλύπτεται από την κυψέλη καυσίμου με χρήση του αποθηκευμένου υδρογόνου. Οι κύκλοι λειτουργίας του συσσωρευτή καθώς και το βάθος εκφόρτισης όμως, επηρεάζουν την διάρκεια ζωής του και επομένως τα λειτουργικά κόστη της μονάδας. Για το λόγο αυτό, οι εφαρμοζόμενες ΣΔΕ πρέπει να ικανοποιούν τις ηλεκτρικές ανάγκες της μονάδας κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα λειτουργικά κόστη της μονάδας να μείνουν σε λογικά πλαίσια. Για το ολοκληρωμένο σύστημα που έχει αναπτυχθεί, ισχύουν οι εξής τιμές (εκτός και αν αναφέρεται διαφορετικά) για την προσομοίωση λειτουργίας [1,2]: SOC min : 84%, SOC max : 91%, Ισχύς φορτίου: 1kW, Ισχύς κυψέλης καυσίμου: 1kW, αρχική χωρητικότητα συσσωρευτή: 2700Αh (SOC=90%), ελάχιστη ισχύς συσκευής ηλεκτρόλυσης (P min,elec ): 1.05kW, μέγιστη ισχύς συσκευής ηλεκτρόλυσης (P max,elec ): 4.2kW, αρχική χωρητικότητα αποθηκευτικού χώρου για το υδρογόνο: 60.5 Nm 3 (55% της μέγιστης χωρητικότητας (περίπου 110kWh). 3.1 Στρατηγική Διαχείρισης Ενέργειας 1, ΣΔΕ1 Το διάγραμμα εφαρμογής της ΣΔΕ1 παρουσιάζεται στο Σχήμα 2. Συγκεκριμένα, εάν υπάρχει έλλειμμα ισχύος (P 0), για τις μέσες τιμές ισχύος ανά ώρα, η απαραίτητη ισχύς δίδεται από τον συσσωρευτή ή την κυψέλη καυσίμου. Εάν SOC SOC min, τότε η κυψέλη καυσίμου αποδίδει την απαραίτητη ισχύ για την κάλυψη του ελλείμματος. Σε περίπτωση που η ισχύς της κυψέλης είναι μεγαλύτερη από το έλλειμμα, τότε παράλληλα φορτίζεται ο συσσωρευτής. Εάν SOC min < SOC < SOC fc και στο προηγούμενο χρονικό σημείο λειτουργούσε η κυψέλη καυσίμου και υπάρχει ακόμα έλλειμμα (P 0), τότε η κυψέλη καυσίμου λειτουργεί μέχρι το SOC αγγίξει την τιμή SOC fc ή μέχρι οι Α.Π.Ε. να καλύψουν τις ηλεκτρικές ανάγκες. Για SOC fc SOC SOC max ο συσσωρευτής φορτίζει ή εκφορτίζει για P>0 και P 0 αντίστοιχα. Σχήμα 2: Παρουσίαση λειτουργίας της μονάδας με βάση την ΣΔΕ1 [2] Εάν SOC max < SOC < SOC max_charge και P<P min,elec τότε η ισχύς P χρησιμοποιείται για φόρτιση του συσσωρευτή μέχρι το όριο SOC max_charge και άνω αυτού του ορίου ο συσσωρευτής δεν μπορεί να φορτισθεί και η επιπλέον ενέργεια χρησιμοποιείται από βοηθητικά στοιχεία (π.χ. συμπιεστής). Ομοίως, για P>P max,elec η συσκευή ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιεί την μέγιστη δυνατή ισχύς για την λειτουργία της και η επιπλέον ποσότητα P-P max,elec φορτίζει τον συσσωρευτή ως το SOC max_charge. Τονίζεται ότι, για SOC>SOC max και P min,elec P P max,elec οι Α.Π.Ε. καλύπτουν πλήρως την λειτουργία της συσκευής ηλεκτρόλυσης. 3.2 Στρατηγική Διαχείρισης Ενέργειας 1, ΣΔΕ2

Το διάγραμμα εφαρμογής της ΣΔΕ1 παρουσιάζεται στο Σχήμα 2. Η κυριότερη διαφορά μεταξύ ΣΔΕ1 και ΣΔΕ2 αφορά την χρήση του συσσωρευτή για να καλύπτει μέρος της λειτουργίας της συσκευής ηλεκτρόλυσης, και επομένως ο συσσωρευτής υπόκειται σε μεγαλύτερη χρήση. Για Ρ 0, η ΣΔΕ2 είναι όμοια με ΣΔΕ1. Στην ζώνη λειτουργίας SOC fc SOC SOC elec ο συσσωρευτής φορτίζει (P>0) ή εκφορτίζει (P<0) ανάλογα των Α.Π.Ε.. Για SOC max < SOC < SOC max_charge και 0 P P min,elec τότε ο συσσωρευτής εκφορτίζει για να καλύψει την λειτουργία της ηλεκτρόλυσης με ισχύ ίση με P min,elec. Για P P max,elec η συσκευή ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιεί ισχύς ίση με P max,elec και η επιπλέον ποσότητα P-P max,elec φορτίζει τον συσσωρευτή ως το SOC max_charge. Για SOC > SOC max_charge, μόνο η συσκευή ηλεκτρόλυσης (εφόσον P min,elec P) και τα βοηθητικά στοιχεία χρησιμοποιούν τυχόν περίσσεια ενέργειας. Για SOC elec SOC SOC max και στο προηγούμενο χρονικό σημείο λειτουργούσε η συσκευή ηλεκτρόλυσης και υπάρχει ακόμα περίσσεια (P>0), τότε η ηλεκτρόλυση πραγματοποιείται μέχρι το όριο SOC elec. Περισσότερες λεπτομέρειες μπορούν να βρεθούν στις εργασίες [1, 2] καθώς και εμβάθυνση στα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Σχήμα 3: Παρουσίαση λειτουργίας της μονάδας με βάση την ΣΔΕ2 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Τα σενάρια κατά την προσομοίωση αφορούν τις εξής περιπτώσεις: SOC max_charge =SOC max + α% SOC nom SOC fc =SOC min + α% SOC nom SOC elec =SOC max -α% SOC nom (μόνο σε ΣΔΕ2) Όπου α=2 για ΣΔΕ1a και ΣΔΕ2a, α=1 για ΣΔΕ1b και ΣΔΕ2b και α=0 για ΣΔΕ1c και ΣΔΕ2c (Χωρίς ζώνη υστέρησης). Ο πίνακας 1 παραθέτει τις ονομαστικές τιμές των διαφόρων υποσυστημάτων που απαρτίζουν τη μονάδα για την οποία μελετήθηκαν οι ΣΔΕ1 και ΣΔΕ2: Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά υποσυστημάτων [1, 2] Φ/Β Α/Γ Συσσωρευτής Συσκευή Ηλεκτρόλυσης Κυψέλη Καυσίμου Αποθήκευση Υδρογόνου 5kW p 3kW p 144kWh 4.2kW p 4kW p 6m 3 /190kWh Όπως παρατηρείται και στον πίνακα 2, η παρουσία της ζώνης υστέρησης στους αλγόριθμους λειτουργίας (a και b) συντελεί στην μείωση του χρόνου λειτουργίας του συσσωρευτή καθώς και στην μείωση των κύκλων (%). Κύκλοι λειτουργίας ονομάζονται ο συνολικός αριθμός φορτίσεων που ακολουθούν εκφορτίσεις. Το πηλίκο αυτής της τιμής με τον αριθμό των ονομαστικών κύκλων, δίνει το % ποσοστό του πίνακα 2 [2]. Πίνακας 2: Αποτελέσματα προσομοίωσης για λειτουργικές παραμέτρους [2]

4 %T συσ. %T ηλεκ. %T FC Μέσο Αποθ. Κύκλοι, H % 2, m 3 E Loss, kwh ΣΔΕ1a 92.99 7.08 5.83 3.56 45.74 0 ΣΔΕ1b 91.67 6.88 5.96 3.56 42.73 20.20 ΣΔΕ1c 92.99 7.08 5.96 3.70 45.84 0 ΣΔΕ2a 93.46 10.70 9.08 3.56 29.59 0 ΣΔΕ2b 93.46 10.70 9.08 3.56 29.59 0 ΣΔΕ2c 93.66 10.40 8.43 4.08 32.21 0 Οι χρόνοι λειτουργίας της συσκευής ηλεκτρόλυσης και της κυψέλης καυσίμου δεν επηρεάζονται σημαντικά εκτός από μία μικρή αύξηση στην ΣΔΕ2. Αυτό που αξίζει να σημειωθεί είναι η μείωση του μέσου αποθηκευμένου υδρογόνου σε όλες τις περιπτώσεις, καθώς και η παρουσία ενέργειας προς απόρριψη στην ΣΔΕ1b (SOC>SOC max_charge ). Η μείωση του υδρογόνου είναι λογική καθώς περιορίζεται η χρονική διάρκεια της συσκευής ηλεκτρόλυσης στην ΣΔΕ1 ενώ στην ΣΔΕ2 η κυψέλη καυσίμου καταναλώνει περισσότερο υδρογόνο.. Σημεία λειτουργίας κυψέλης καυσίμου ΣΔΕ1b ΣΔΕ1a ΣΔΕ1c 2832 2834 2836 2838 2840 2842 Χρόνος, hr Σχήμα 4. Απεικόνιση λειτουργικής συμπεριφοράς της κυψέλης καυσίμου σε ένα τμήμα της χρονικής διάρκειας της προσομοίωσης για την ΣΔΕ1 Στο σχήμα 4, παρουσιάζονται τα σημεία λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου για την ΣΔΕ1. Όπως παρατηρείται, η παρουσία της ζώνης υστέρησης στον βασικό αλγόριθμο, εξαλείφει τις συνεχείς παύσεις/ενάρξεις κατά την λειτουργία της κυψέλης καυσίμου σε ένα αντιπροσωπευτικό δείγμα κατά την χρονική διάρκεια της προσομοίωσης 5. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ Στην συγκεκριμένη ενότητα θα παρουσιασθούν τα βασικά βήματα για το βέλτιστο σχεδιασμό του ολοκληρωμένου συστήματος για μια συγκεκριμένη περιοχή [8]. Συνοψίζοντας, απαιτείται η βελτιστοποίηση στις δυναμικότητες των εξής υποσυστημάτων: α) φωτοβολταϊκά στοιχεία, β) ανεμογεννήτριες, γ) συσσωρευτής, δ) συσκευή ηλεκτρόλυσης, ε) δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου και στ) κυψέλη καυσίμου. Άμεσος σκοπός είναι η ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους της μονάδας [8]. Για το βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος έχει καταστρωθεί μια αντικειμενική συνάρτηση που περιλαμβάνει τα κόστη των συσκευών (αρχικό κόστος, κόστος λειτουργίας, κόστος συντήρησης, κόστος αντικατάστασης, κόστος εγκατάστασης) καθώς και κόστη που μπορεί να προκύψουν από τη λειτουργία του συστήματος (έλλειμμα υδρογόνου) σε συνδυασμό με λειτουργικές παραμέτρους που προκύπτουν από την ΣΔΕ2c [8]. Η μέθοδος της τεχνικής ανόπτησης αποτελεί ένα σχήμα ελεγχόμενης τυχαίας αναζήτησης. Όπως προκύπτει και από το όνομα, η σύλληψη της ιδέας της μεθόδου προέρχεται από την ανόπτηση της μεταλλουργίας [8, 9]. Σε κάθε βήμα της μεθόδου αντικαθίσταται η αρχική

λύση, που είναι η λύση του προηγούμενου βήματος κάθε φορά, με μια τυχαία λύση. Συνεπώς είναι απαραίτητη μία αρχική λύση για να ξεκινήσει η βελτιστοποίηση (πίνακας 2). Η τυχαία λύση επιλέγεται με πιθανότητα, η οποία εξαρτάται από τις τιμές της αντίστοιχης συνάρτησης και από μία γενικευμένη παράμετρο, την θερμοκρασία Τ. Η πιθανότητα αυτή είναι ίση με : E2 E1 = k T E E e 2 P (1) 1 όπου, Ε1 είναι η ενέργεια της προηγούμενης λύσης, Ε2 η ενέργεια της νέας λύσης, k είναι η σταθερά Boltzman και Τ η θερμοκρασία του συστήματος. Ο όρος PE1 E2 εκφράζει την πιθανότητα επιλογής μίας από τις νέες λύσεις, η οποία αντιστοιχεί σε ενέργεια Ε2. Όσο η θερμοκρασία τείνει προς το μηδέν, οπότε και οι πιθανές λύσεις έχουν μειωθεί, η επόμενη λύση επιλέγεται με βάση την προηγούμενη καλύτερη λύση. Σκοπός της μεθόδου αυτής είναι περισσότερο η εύρεση μίας καλής και αποδεκτής λύσης σε σύντομο χρονικό διάστημα παρά η εύρεση της καλύτερης αποδεκτής λύσης [8, 9]. 6. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΙ ΤΗΝ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΜΟΝΑΔΑΣ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ Α.Π.Ε. Κατά την προσομοίωση (δεδομένα Πίνακας 2) προκύπτει πως το έλλειμμα σε υδρογόνο ανέρχεται σε 1.924 Νm³ (5000 kwh) [8]. Ο λόγος αυτού του ελλείμματος έγκειται στην κακή κατανομή των συσκευών ως προς την παραγωγή της ηλεκτρικής ισχύος. Δηλαδή, αυτό το έλλειμμα θα μπορούσε να ήταν μικρότερο αν επιλέγονταν συσκευές διαφορετικής ονομαστικής ισχύος, άρα και διαφορετικής τιμής αγοράς. Το πρόβλημα συγκεκριμένα, εντοπίζεται στις ώρες λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου και στις ώρες λειτουργίας της δεξαμενής ηλεκτρόλυσης. Η δεξαμενή ηλεκτρόλυσης, όπως προκύπτει, λειτουργεί μόλις 190 ώρες το χρόνο τη στιγμή που η κυψέλη καυσίμου λειτουργεί 3000 ώρες το χρόνο [8]. Βέβαια ο λόγος που η δεξαμενή ηλεκτρόλυσης λειτουργεί τόσο λίγες ώρες συγκριτικά με την κυψέλη καυσίμου βρίσκεται στις μονάδες εκμετάλλευσης Α.Π.Ε. και συγκεκριμένα στις ανεμογεννήτριες. Η ταχύτητα του ανέμου είναι πολύ μικρή στην περιοχή εγκατάστασης του συστήματος και η ονομαστική ισχύς των ανεμογεννητριών πολύ μεγάλη. Έτσι, η παραγόμενη ισχύς από τις ανεμογεννήτριες είναι πολύ μικρή ενώ και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία από μόνα τους αδυνατούν να καλύπτουν συνεχώς το φορτίο. Αποτέλεσμα αυτού είναι να χρειάζεται να λειτουργήσει περισσότερο η κυψέλη καυσίμου και να καταναλώσει υδρογόνο. Ο βέλτιστος σχεδιασμός καλείται να συμβιβάσει το έλλειμμα ισχύος ή και να το μηδενίσει. Ο συνδυασμός που θα προκύψει θα είναι και η βέλτιστη λύση της αντικειμενικής συνάρτησης. Η μέθοδος αυτή δεν επιδιώκει την εύρεση της βέλτιστης λύσης, αλλά την εύρεση μίας λύσης σε σύντομο χρονικό διάστημα η οποία θα ικανοποιεί τους περιορισμούς, θα ανήκει στη περιοχή των βέλτιστων λύσεων αλλά δεν θα είναι η βέλτιστη χωρίς φυσικά να αποκλείεται και αυτή η περίπτωση. Η όλη διαδικασία θα επικεντρωθεί στην εξέταση 2 σεναρίων [8]: 1 ο Σενάριο Εύρεση βέλτιστης λύσης για ελαχιστοποίηση κόστους 2 ο Σενάριο Εύρεση βέλτιστης λύσης για πλήρη αυτονομία συστήματος (χωρίς έλλειμμα) Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή της τεχνικής ανόπτησης δίνουν, στην αντικειμενική συνάρτηση μία τιμή κόστους της τάξης των 18.924 για το πρώτο σενάριο και 25.847 ανά έτος για το δεύτερο σενάριο. Οι μεταβλητές απόφασης των προτεινόμενων λύσεων παρουσιάζονται στον πίνακα 3 σε σύγκριση με τις αρχικές μεταβλητές [8]. Πίνακας 3. Μεταβλητές απόφασης υπολογιζόμενης βέλτιστης λύσης σε σύγκριση με την

αρχική [8] ΜΕΤΑΒΛΗΤΕΣ ΑΡΧΙΚΗ ΛΥΣΗ 1 ο ΣΕΝΑΡΙΟ 2 ο ΣΕΝΑΡΙΟ Αριθμός αν/ών 3 2 2 Αριθμός ΦΒ 72 102 168 Αριθμός συσ/ών 4 7 5 Όγκος Δεξαμενών 4600 4500 4600 Μέγιστη ισχύς elec. 4.2 4 4.8 Ελάχιστη ισχύς elec. 2 1.5 1.5 F, 22.221 18.924 25.847 Δεδομένου ότι το έλλειμμα υδρογόνου πρέπει να είναι μηδενικό το κόστος αυξάνεται στο 2 ο σενάριο. Σε αυτήν την περίπτωση, προκειμένου να εξασφαλισθεί η πλήρης αυτονομία του συστήματος, επιλέγεται μονάδα παραγωγής υδρογόνου με μεγαλύτερη ονομαστική ισχύ. Αυτός είναι και ο λόγος που το κόστος αυξάνεται κατά ένα ποσοστό της τάξης του 14% από την αρχική λύση και κατά 26% από την λύση του πρώτου σεναρίου. 7. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία παρουσιάσθηκε μία συνδυασμένη μελέτη σχεδιασμού και βελτιστοποίησης μονάδων εκμετάλλευσης Α.Π.Ε. Όπως διαπιστώθηκε, οι ΣΔΕ είναι απαραίτητες για την επιτυχή σύνδεση των υποσυστημάτων και την λειτουργία τους. Η ΣΔΕ2 παρότι εμφανίζει χαμηλότερες τιμές αποθηκευμένου υδρογόνου προτείνεται σε αντίστοιχα συστήματα καθώς η παρουσία του συσσωρευτή για την κάλυψη μέρους της λειτουργίας του συσσωρευτή θα λειτουργήσει ευεργετικά σε περιπτώσεις χαμηλής παραγωγής από Α.Π.Ε. Παράλληλα, η εφαρμογή της μεθόδου της τεχνικής ανόπτησης εμφάνισε σημαντικά αποτελέσματα καθώς διαπιστώθηκε η ανάγκη για αύξηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων ώστε να μειωθεί το έλλειμμα υδρογόνου και φυσικά το κόστος της αντικειμενικής συνάρτησης. Επόμενο βήμα θα αποτελέσει η βελτιστοποίηση λειτουργικών παραμέτρων, όπως τα όρια του SOC και της ζώνης υστέρησης σε συνδυασμό με τα μεγέθη των συσκευών. Παράλληλα, θα γίνει και μία σύγκριση όλων των ΣΔΕ σε συνδυασμό με την τεχνική ανόπτησης. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] Ipsakis, D., Voutetakis, S., Seferlis, P., Stergiopoulos, F., Elmasides, C., Power Management Strategies on a Stand-Alone Power System Using Renewable Energy Sources and Hydrogen Storage, International Journal of Hydrogen Energy, In Press, Corrected Proof, Available Online September 4 2008 [2] Ipsakis, D., Voutetakis, S., Seferlis, P., Stergiopoulos, F., Papadopoulou, S., Elmasides, C., The Effect of the Hysteresis Band on Power Management Strategies in a Stand-Alone Power System, Energy 33, pp. 1537-1550, 2008 [3] Ulleberg, Ø., Stand-Alone Power Systems for the Future: Optimal Design, Operation & Control of Solar-Hydrogen Energy Systems, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, 1998 [4] Dufo-López, R., Bernal-Agustín, J.L., Contreras, J., Optimization of control strategies for stand-alone renewable energy systems with hydrogen storage. Renewable Energy 32, pp. 1102-1126, 2007 [5] Ghosh, P.C., Cost optimization of a self-sufficient hydrogen based energy supply system PhD thesis, Forschungszentrum Julich in der Helmhotltz-Gemeinschaft, Institut fur

Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik Institut 3:Energieverfahrenstechnik, (Diss. Aachen, RTWH, 2003) [6] Vosen, S.R., Keller, J.O., Hybrid energy storage systems for stand-alone electric power systems: optimization of system performance and cost through control strategies, International Journal of Hydrogen Energy 24, pp.1139 1156, 1999 [7] Santrelli, M., Cali, M., Macagno, S., Design and analysis of stand-alone hydrogen energy systems with different renewable sources, International Journal of Hydrogen Energy 29, pp. 1571 1586, 2004 [8] Βεζυράκης, Γ., Κωνσταντίνου, Κ., Διπλωματική εργασία με τίτλο: Ανάπτυξη αλγορίθμου διαχείρισης λειτουργίας ολοκληρωμένου συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με ταυτόχρονη παραγωγή, αποθήκευση και χρήση υδρογόνου, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ., 2008 (Υπεύθυνος Διπλωματικής: Σεφερλής Παναγιώτης) [9] Papadopoulos, Α.Ι., Linke P., On the synthesis and optimization of liquid liquid extraction processes using stochastic search methods, Computers & Chemical Engineering 28, pp. 2391-2406, 2004