ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ AIOΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Διδάσκων: Δρ. Κάραλης Γεώργιος Εγγυημένη ισχύς Αιολικής Ενέργειας (Capacity credit) & Περικοπές Αιολικής Ενέργειας
Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
Τεχνολογικό ζήτημα Αιολική Εγγυημένη ισχύς (capacity credit) [ μακροπρόθεσμος εθνικός ενεργειακός σχεδιασμός [ εκφράζει την ισοδύναμη συμβατική εγκατεστημένη ισχύ που μπορεί να αντικατασταθεί λόγω της ενσωμάτωσης αιολικής ισχύος στο σύστημα (με ίδιο βαθμό αξιοπιστίας συστήματος) Απορρόφηση Περικοπή αιολικής ισχύος [ Τεχνικοί περιορισμοί λειτουργίας συστήματος (ένταξη μονάδων, καταμερισμός φορτίου) [ με στόχο την κατά προτεραιότητα απορρόφηση αιολικής ισχύος και ταυτόχρονα διατήρηση της ασφάλειας του συστήματος [ Η περικοπή αιολικής ισχύος επηρεάζει: την οικονομική βιωσιμότητα των αιολικών πάρκων την επίτευξη των εθνικών στόχων
Εγγυημένη ισχύς Αιολικής Ενέργειας (Capacity credit)
Βασικές έννοιες Υπολογισμός εγγυημένης ισχύος Ø Η εγγυημένη ισχύς σχετίζεται με την ικανότητα μιας μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας να βελτιώσει την αξιοπιστία του ηλεκτρικού συστήματος Ø Η αξιοπιστία του συστήματος μετριέται μέσω της Πιθανότητας απώλειας φορτίου LOLP ή LOLE (Loss of load probability, Loss of Load expectation) ή του ενεργειακού ελλείμματος LOEE (Loss of Energy Expectation) : Ø Ποια είναι η συνεισφορά των Αιολικών στην αξιοπιστία ενός συστήματος; Ø Τρεις μεταβλητές ανεξάρτητες μεταξύ τους: Ζήτηση Διαθέσιμη συμβατική ισχύς Παραγόμενη Αιολική ισχύς
Capacity credit Παράδειγμα Κρήτη MW 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1 ζήτηση Διαθέσιμη συμβατική ισχύς ώρες με έλλειμμα ισχύος πριν την εγκατάσταση αιολικής ισχύος ώρες με έλλειμμα Ώρες με έλλειμμα ισχύος = 40
Capacity credit Παράδειγμα Κρήτη MW 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 ώρες με έλλειμμα 0 ζήτηση 1 αιολική ισχύς Διαθέσιμη ισχύς (αιολικής ισχύς περιλαμβάνεται) ώρες με έλλειμμα ισχύος μετά την εγκατάσταση αιολικής ισχύος +100MW αιολικά Ώρες με έλλειμμα ισχύος = 9
Capacity credit Παράδειγμα Κρήτη MW 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1 ζήτηση +40MW αιολική ισχύς Διαθέσιμη ισχύς (αιολικής ισχύς περιλαμβάνεται) ώρες με έλλειμμα ισχύος - με αιολική ισχύ και αυξημένη ζήτηση +100MW αιολικά, +44MW αυξημένη ζήτηση Ώρες με έλλειμμα ισχύος = 40 ώρες με έλλειμμα => CC=44%
Υπολογισμός εγγυημένης ισχύος Ορισμός Συντελεστή Εγγυημένης ισχύος (Capacity Credit) Η Εγγυημένη παροχή ισχύος ELCC (Effective Load Carrying Capability), είναι η εγγυημένη ισχύ που παρέχει στο δίκτυο μια μονάδα παραγωγής ενέργειας Ο Συντελεστής εγγυημένης ισχύος (Capacity Credit) ορίζεται ως το ποσοστό της εγγυημένης ισχύος που παρέχει μία μονάδα παραγωγής ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο προς την ονομαστική της ισχύ. CC = ELCC / Ονομαστική Ισχύς
Μεθοδολογία Υπολογισμός εγγυημένης ισχύος Ø Προσδιορισμός κατανομών πιθανοτήτων της Ζήτησης φορτίου της Διαθέσιμης συμβατικής ισχύος της Παραγόμενης Αιολικής ισχύος Ø Συνέλιξη των τριών κατανομών (πιθανότητα εμφάνισης κάθε κατάστασης λειτουργίας και ύπαρξη ή όχι ελλείμματος ισχύος) Ø Υπολογισμός πιθανότητας απώλειας φορτίου χωρίς τις νέες εγκαταστάσεις (π.χ. Αιολικά) Ø Υπολογισμός πιθανότητας απώλειας φορτίου με τις νέες εγκαταστάσεις Ø Υπολογισμός, μέσω επαναληπτικής διαδικασίας, της αύξησης της ζήτησης (ELCC) που μπορεί να εξυπηρετηθεί στο νέο σύστημα με διατήρηση της αξιοπιστίας του συστήματος στα ίδια επίπεδα με πριν Ø (Εγγυημένη Ισχύς) = (Αύξηση Ζήτησης)/(Ονομαστική Ισχύ)
Υπολογισμός εγγυημένης ισχύος Μεθοδολογία Η πιθανότητα απώλειας φορτίου LOLP χωρίς εγκατεστημένη αιολική ισχύ ορίζεται ως: LOLP = N i= 1 P(Ci < Li ) Όπου P η συνάρτηση πιθανότητας C i : Το διαθέσιμο φορτίο από συμβατικές μηχανές ώρα i L i : Η ζήτηση την ώρα i Η πιθανότητα απώλειας φορτίου LOLP W του συστήματος μετά την εγκατάσταση αιολικής ισχύς ορίζεται ως: N LOLP = P(C + W < L W i i i ) i= 1 Όπου W i : Η ισχύς των αιολικών την ώρα i Είναι φανερό ότι LOLP W <LOLP. Δηλαδή η εγκατάσταση αιολικής ισχύος βελτίωσε την αξιοπιστία του συστήματος. Στη συνέχεια, υπολογίζεται κατά πόσο μπορεί να αυξηθεί η ζήτηση και να διατηρηθεί η αξιοπιστία του συστήματος στα επίπεδα πριν την προσθήκη των αιολικών. Δηλαδή ζητάμε το ΕLCC, έτσι ώστε να ισχύει η σχέση: N i= 1 P( C i < L ) = i N i= 1 P( C + ELCC ) Όπου ΕLCC είναι η αύξηση της ζήτησης ισχύος που τελικά μπορεί να καλυφθεί από τα αιολικά και τελικά να παραμείνει η αξιοπιστία του συστήματος στα ίδια με πριν επίπεδα. Η εξίσωση δεν λύνεται αναλυτικά, αλλά με δοκιμές προκύπτει η λύση. i + W i < L i
Μεθοδολογία Απόρριψη αιολικής ισχύος Η ικανότητα του συστήματος να απορροφήσει αιολική ισχύ P Absorbed_i,j καθορίζεται σύμφωνα με: ð την ζήτηση P Li, ð τους τεχνικούς περιορισμούς: τεχνικά ελάχιστα των ενταγμένων συμβατικών μονάδων μέγιστη στιγμιαία επιτρεπόμενη διείσδυση των αιολικών (π.χ. δ=50%). ð σχετικά περιορισμένη απαιτούμενη θερμή εφεδρεία (π.χ. 20% της παραγόμενης αιολικής ισχύος υπό την προϋπόθεση επιχειρησιακής χρήσης μοντέλων πρόβλεψης ανέμου). Η απόρριψη αιολικής ισχύος προκύπτει από την σύγκριση της πραγματικά παραγόμενης αιολικής ισχύος με την ικανότητα του συστήματος να απορροφήσει αιολική ισχύ. Εάν υδροηλεκτρικές μονάδες είναι ενταγμένες, περιορίζουν την παραγωγή τους, ώστε να μην απορρίπτεται αιολική ισχύς.
Περικοπές Αιολικής Ενέργειας
Το ηλεκτρικό σύστημα της ηπειρωτικής Ελλάδας Ø Συνολική εγκατεστημένη ισχύς (συμβατική και μεγάλα υδροηλεκτρικά): 11234.3MW Ø Συμβατικές θερμικές μονάδες: 8175.8MW (7587,9MW μέγιστη καθαρή παραγωγή) 22 λιγνιτικές (5288MW) / 4 diesel (750MW) / 4 συνδυασμένου κύκλου (1630MW) / 3 φυσικού αερίου (507,8MW) / Μέση διαθεσιμότητα: 89% Ø Μεγάλα υδροηλεκτρικά: 3058,5MW ( καλό 5TWh και κακό 2TWh υδραυλικό έτος)
Ανεμολογικά δεδομένα Ø Απαιτείται ταυτόχρονη πληροφορία σε κάθε πιθανή περιοχή ενδιαφέροντος για ανάπτυξη αιολικού πάρκου: Μετρήσεις (οικονομοτεχνικά πολύ δύσκολο) Εφαρμογή ενός Αριθμητικού μετεωρολογικού μοντέλου πρόβλεψης Ø COAMPS (Naval Research Laboratory of USA) Ø Προσαρμογή των αριθμητικών παραμέτρων στον Ελληνικό χώρο Ø Συστηματική εφαρμογή σε ετήσια βάση Ø Συστηματική επεξεργασία των αποτελεσμάτων Ø Αναπαραγωγή ταυτόχρονων χρονοσειρών ανέμου σε μέσο-κλιματικό επίπεδο σε όλα τα σημεία ενδιαφέροντος
Τεχνικοί περιορισμοί σε Αυτόνομα νησιά Μέχρι πρόσφατα, η νομοθεσία όριζε τη μέγιστη επιτρεπόμενη διείσδυση των αιολικών στο 30% της αιχμής του προηγούμενου έτουςπαράλληλα, ο διαχειριστής του συστήματος είχε το δικαίωμα να απορρίπτει αιολική ισχύ κατά τις ώρες χαμηλής ζήτησης. (ΥΑ 8295/95) Από την Άνοιξη του 2003, η Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας (ΡΑΕ) έχει προτείνει μια μεθοδολογία υπολογισμού του ορίου διείσδυσης αιολικής ενέργειας σε αυτόνομα ηλεκτρικά δίκτυα με χρήση πιθανοτικής ανάλυσης και με βάση την εφαρμογή της, προκηρύσσει τα νέα περιθώρια αιολικής ισχύος προς εγκατάσταση σε αυτόνομα ελληνικά νησιά. Η μέγιστη επιτρεπόμενη διείσδυση ανά νησί ορίζεται έτσι ώστε: η αιολική ισχύς που απορροφάται από το δίκτυο να εξασφαλίζει πραγματικό συντελεστή εκμεταλλευσιμότητας 27.5% (θεωρητικά διασφαλίζει την οικονομική βιωσιμότητα της επένδυσης)
Μη διασυνδεδεμένα ελληνικά νησιά Ø Κατηγοριοποίηση νησιών ως προς το μέγεθος τους (αιχμή ζήτησης) Ø Υψηλό κόστος παραγόμενης kwh Ø Εξάρτηση από πετρέλαιο Ø Χαμηλός συντελεστής φορτίου Ø Πλούσιο αιολικό δυναμικό /kwh Κόστος Παραγόμενης Ενέργειας (2005) 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 Σέριφος 0.6 Κρήτη Λέσβος 0.4 0.2 0.0 10 100 1000 10000 100000 1000000 8 πολύ μικρά ετήσια αιχμή (kw) 11 μικρά 9 μεσαία 2 μεγάλα Συντελεστής Φόρτισης (%) Συμβολή του Κόστους Καυσίμου στο Κόστος Παραγόμενης Ενέργειας 60% 90% 50% 80% 70% 40% 30% 20% Σέριφος Λέσβος Κρήτη 60% 50% 40% 30% 20% Σέριφος Λέσβος Κρήτη 10% 10% 0% 10 100 1000 10000 100000 1000000 8 πολύ μικρά ετήσια αιχμή (kw) 11 μικρά 9 μεσαία 2 μεγάλα 0% 10 100 1000 10000 100000 1000000 8 πολύ μικρά ετήσια αιχμή (kw) 11 μικρά 9 μεσαία 2 μεγάλα
Ετήσια διακύμανση ζήτησης 3.0 60 Μέση ωριαία ζήτησης ισχύος (MW) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 Σέριφος Μέση ωριαία ζήτησης ισχύος (MW) 50 40 30 20 10 Λέσβος 0.0 Ώρες (8760) 0 Ώρες (8760) 600 Μέση ωριαία ζήτησης ισχύος (MW) 500 400 300 200 100 0 Κρήτη Ώρες (8760)
Προσδιορισμός αιολικής ενέργειας που περικόπτεται ØΠεριορισμοί απορρόφησης αιολικής ισχύος Στιγμιαία επιτρεπόμενη διείσδυση (π.χ. δ=30%) Τεχνικά ελάχιστα συμβατικών μονάδων Ø Ένταξη συμβατικών μονάδων με ικανότητα να καλύπτουν το 100% της ζήτησης Ø Ζητούμενο: Με την αύξηση της εγκατεστημένης αιολικής ισχύος, να προσδιοριστεί η απορροφούμενη αιολική ισχύς, η ενεργειακή συνεισφορά και η επίδραση στο κόστος του συστήματος. Ø Αδιαστατοποίηση εγκατεστημένης αιολικής ισχύος: Ως προς την αιχμή της ζήτησης Ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο
Εφαρμογή: Κρήτη Συντελεστής εκμεταλλευσιμότητας (%) 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0% 50% 100% 150% 200% αιολική εγκατεστημένη ισχύς (αδιάσταστη ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο του νησιού) Κρήτη 6.3 7.2 8.1 ΚΠΕ συμβατικών μονάδων ( /kwh) 0.220 0.215 0.210 0.205 0.200 0.195 0.190 0% 50% 100% 150% 200% αιολική εγκατεστημένη ισχύς (αδιάσταστη ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο του νησιού) Κρήτη 6.3 7.2 8.1 Αιολική Ενέργεια αποροφούμενη (%) 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0% 50% 100% 150% 200% αιολική εγκατεστημένη ισχύς (αδιάσταστη ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο του νησιού) Κρήτη 6.3 7.2 8.1 ΚΠΕ ηλεκτρικού συστήματος ( /kwh) 0.198 0.196 0.194 0.192 0.190 0.188 0.186 0.184 0.182 Κρήτη 0.180 0% 50% 100% 150% 200% αιολική εγκατεστημένη ισχύς (αδιάσταστη ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο του νησιού) 6.3 7.2 8.1 25% 0.14 % συνεισφορά αιολικής ενέργειας 20% 15% 10% 5% 6.3 7.2 8.1 ΚΠΕ αιολικών ( /kwh) 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 Κρήτη 6.3 7.2 0% 0.00 8.1 0% 50% 100% 150% 200% αιολική εγκατεστημένη ισχύς (αδιάσταστη ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο του νησιού) 0% 50% 100% 150% 200% αιολική εγκατεστημένη ισχύς (αδιάσταστη ως προς το μέσο ετήσιο φορτίο του νησιού)
Χρήση απλοποιημένου διαγράμματος Υπολογισμός της μέγιστης αιολικής εγκατεστημένης ισχύς Α. Υπολογίζω τη μέση ετήσια ζήτηση στο νησί ΜΕΖ=Συνολική κατανάλωση ενέργειας/8760 Β. Υπολογίζω την αδιάστατη εγκατεστημένη ισχύ των αιολικών = (Εγκατεστημένη ισχύς αιολικών) / MEZ -> διάφορες καμπύλες διαγράμματος Γ. Για δεδομένη μέση ταχύτητα ανέμου Δ. Από το διάγραμμα προκύπτει το ποσοστό απορρόφησης 110% % απορροφούμενη ενέργεια 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 6 7 8 9 10 11 Μέση ετήσια ταχύτητα ανέμου στα 40μ 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110%
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.