Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ: ΑΡΧΙΜΗ ΗΣ ΙΙΙ "Ενίσχυση Ερευνητικών Οµάδων ΤΕΙ" Φορέας Υλοποίησης: ΤΕΙ Πειραιά Υποέργο 12 «ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Υ ΡΟΓΟΝΟΥ - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΑΥΤΟΝΟΜΩΝ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗΣ ΒΑΣΗΣ» ΠΑΚΕΤΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 3 ΠΑΡΑ ΟΤΕΟ: TΕΧΝΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ Α ΕΚ ΟΣΗ Μοντελοποίηση λειτουργίας υβριδικών σταθµών ανανεώσιµης βάσης µε τη συµµετοχή συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας Επιστηµονικός Υπεύθυνος: Ι. Κ. ΚΑΛ ΕΛΛΗΣ ιευθ/νση: Τ.Θ. 4146 Τ.Κ. 1221 - ΑΙΓΑΛΕΩ Τηλέφωνο: 21 5381467 E-mail: jkald@teipir.gr Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ.
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. Εισαγωγή... 2 2. Υβριδικοί Σταθµοί Ανανεώσιµης Βάσης... 3 2.1 Αυτόνοµα Συστήµατα Αιολικής Βάσης... 3 2.2 Αυτόνοµα Συστήµατα Φ/Β Βάσης... 4 2.3 Καταστάσεις Λειτουργίας Αυτόνοµων Συστηµάτων... 4 3. Παρουσίαση Πλαισίου Μοντελοποίησης Υβριδικών Σταθµών... 5 4. Παρουσίαση Αποτελεσµάτων Εφαρµογής... 7 4.1 Μελέτη Περίπτωσης Ι Υβριδικό Σύστηµα Αιολικών & CAES... 8 4.2 Μελέτη Περίπτωσης ΙΙ Υβριδικό Σύστηµα Φ/Β & Αντλησιοταµίευσης... 1 4.3 Μελέτη Περίπτωσης ΙΙΙ Υβριδικό Σύστηµα Αιολικών-Φ/Β & Υδρογόνου... 11 4.4 Μελέτη Περίπτωσης ΙV Υβριδικό Σύστηµα Αιολικών-Φ/Β & Συσσωρευτών... 12 5. Συµπεράσµατα... 12 Βιβλιογραφικές Αναφορές... 13 Σχήµατα... 14 Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 1
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εξαιτίας της ανάγκης για ικανοποίηση ικανής διείσδυσης των ανανεώσιµων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στον τοµέα της ηλεκτροπαραγωγής, την τελευταία δεκαετία η έρευνα και ανάπτυξη στο πεδίο των υβριδικών συστηµάτων είναι αδιάκοπη [1]. Ο όρος υβριδικό σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας χρησιµοποιείται για να περιγράψει οποιοδήποτε σύστηµα περιλαµβάνει περισσότερες από µια µεθόδους ηλεκτροπαραγωγής, µε το µέγεθος παρόµοιων εφαρµογών να ποικίλει από µερικές εκατοντάδες MW µέχρι τα µικρότερα συστήµατα της τάξης των kw που χρησιµοποιούνται σε κατοικίες. Παρότι τα υβριδικά συστήµατα ξεκίνησαν ως συνδυαστικές λύσεις συµβατικών µονάδων ηλεκτροπαραγωγής και ΑΠΕ, έντονη είναι η προσπάθεια που συντελείται τελευταία για την ανάπτυξη υβριδικών σταθµών ανανεώσιµης καθαρά βάσης, λαµβάνοντας υπόψη και τις ραγδαίες εξελίξεις στον τοµέα της αποθήκευσης ενέργειας [2]. Τα υβριδικά συστήµατα µπορούν να λειτουργήσουν είτε σε σύνδεση µε το υπόλοιπο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, είτε αυτόνοµα [3], καθώς µεγάλος αριθµός αποµονωµένων περιοχών, µικρών νησιών και χωριών σε αγροτικές περιοχές, δε διαθέτουν οικονοµική δυνατότητα σύνδεσης µε κεντρικά ηλςκτεικά δίκτυα, ενώ παράλληλα η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τις συµβατικές µονάδες πετρελαίου παρουσιάζει σηµαντικά µειονεκτήµατα [4], κυρίως λόγω του υψηλού κόστους καυσίµου, και των ιδιαίτερα υψηλών εξόδων µεταφοράς του. Έτσι, η διαθεσιµότητα των ΑΠΕ συµβάλλει στη µετατροπή των συστηµάτων µε µικρούς αυτόνοµους σταθµούς παραγωγής, σε αυτόνοµα υβριδικά συστήµατα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τα µεγαλύτερα συστήµατα (>1kW ονοµαστικής ισχύος) βασίζονται σε εναλλασσόµενο ρεύµα σταθερής συχνότητας. Τα συστήµατα αυτά µπορούν να περιλαµβάνουν: τις συµβατικές µονάδες, συνήθως µε καύσιµο πετρέλαιο το δίκτυο διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας τα διανεµηµένα φορτία τις µονάδες ΑΠΕ και τα συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας Τα συστήµατα µεσαίου µεγέθους (>1kW) µπορεί επίσης να βασίζονται σε εναλλασσόµενο ρεύµα, όπως και τα µεγαλύτερα, είναι ωστόσο δυνατό να περιλαµβάνουν και συνιστώσες συνεχούς ρεύµατος όπως οι ακόλουθες: Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 2
DC γεννήτριες diesel DC ανανεώσιµες πηγές συστήµατα αποθήκευσης ενέργειας Τα µικρά υβριδικά συστήµατα βασίζονται κυρίως στο συνεχές ρεύµα. Σε περίπτωση όπου χρησιµοποιούνται περισσότερες της µιας γεννήτριες απαιτείται ένας ελεγκτής, ο οποίος θα λαµβάνει αποφάσεις για τον τρόπο λειτουργίας τους. Βασιζόµενοι σε παραµέτρους όπως η ζήτηση του φορτίου, η κατάσταση των γεννητριών και η στάθµη φόρτισης των µπαταριών, οι ελεγκτές πρέπει να εξασφαλίζουν τη συνεχή τροφοδότηση του φορτίου και να προστατεύουν τον εξοπλισµό. 2. ΥΒΡΙ ΙΚΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΗΣ ΒΑΣΗΣ Στην παρούσα παράγραφο πραγµατοποιείται περιγραφή των δύο κύριων τύπων υβριδικών συστηµάτων ανανεώσιµης βάσης [5]. Πιο συγκεκριµένα, παρέχεται συνοπτική περιγραφή τυπικών αυτόνοµων διατάξεων αιολικής και φωτοβολταϊκής (Φ/Β) βάσης µε ταυτόχρονη παρουσία κατάλληλων συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας, ανάλογα µε τις ανάγκες της εφαρµογής που εξυπηρετείται κάθε φορά. Σηµειώνεται στο σηµείο αυτό πως οι δύο αυτές κύριες κατηγορίες µπορούν να συνδυαστούν τόσο µεταξύ τους [6] όσο και µε συµβατικές µορφές ενέργειας [7], µε σκοπό τη βέλτιστη αξιοποίηση του εµφανιζόµενου δυναµικού ΑΠΕ και την ελαχιστοποίηση των διαστάσεων της εξεταζόµενης κάθε φορά ενεργειακής λύσης και ιδιαίτερα του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας. 2.1 Αυτόνοµα Σύστηµατα Αιολικής Βάσης Ένα τυπικό αυτόνοµο σύστηµα αιολικής βάσης αποτελείται από τα ακόλουθα υποσυστήµατα: i. Ανεµογεννήτρια ονοµαστικής ισχύος "N o " και χαρακτηριστικής καµπύλη ισχύος (N WT = N WT (V)) για κανονικές συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας (Σχήµα 1) ή αιολικό πάρκο αποτελούµενο από συγκεκριµένο αριθµό ανεµογεννητριών "k", συνολικής εγκατεστηµένης ισχύος "N W " και στιγµιαίας ισχύος εξόδου "N W-out " ii. Κατάλληλο σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας µε αποθηκευτική ικανότητα (χωρητικότητα) "Ε ss ", µέγιστο βάθος εκφόρτισης "DOD L ", βαθµούς απόδοσης φόρτισης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 3
iii. "η ch " και εκφόρτισης "η dis " και ισχύ συστήµατος φόρτισης "Ν ch " και εκφόρτισης "Ν dis " αντίστοιχα. Τον απαιτούµενο ηλεκτρονικό εξοπλισµό για τη µετατροπή της ενέργειας στα διάφορα στάδια λειτουργίας του συστήµατος (inverters, rectifiers) και τον έλεγχο των διαφόρων υποσυστηµάτων (control unit, charge controller) που συµµετέχουν σε αυτό. Οι προς καθορισµό διαστάσεις παρόµοιων συστηµάτων είναι η ονοµαστική αιολική ισχύς και η αποθηκευτική ικανότητα, ενώ οι µέγιστες τιµές της ισχύος εισόδου και εξόδου του συστήµατος αποθήκευσης εξαρτώνται άµεσα από τη µέγιστη εµφανιζόµενη περίσσεια αιολικής ενέργειας και το φορτίο αιχµής στην πλευρά της κατανάλωσης αντίστοιχα. 2.2.Αυτόνοµα Συστήµατα Φ/Β Βάσης Όµοια, ένα τυπικό αυτόνοµο σύστηµα Φ/Β βάσης αποτελείται από τα ακόλουθα υποσυστήµατα: i. Σύστηµα φωτοβολταϊκών αποτελούµενο από "z" αριθµό πλαισίων (µε "Ν + " µέγιστη ισχύ για κάθε πλαίσιο και N PV =z N + ), κατάλληλα συνδεδεµένα ("z 1 " σε σειρά και "z 2 " εν παραλλήλω) για την τροφοδότηση της κατανάλωσης, µε στιγµιαία ισχύ εξόδου "N PV-out " ii. Κατάλληλο σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας µε αποθηκευτική ικανότητα (χωρητικότητα) "Ε ss ", µέγιστο βάθος εκφόρτισης "DOD L ", βαθµούς απόδοσης φόρτισης "η ch " και εκφόρτισης "η dis " και ισχύ συστήµατος φόρτισης "Ν ch " και εκφόρτισης "Ν dis " αντίστοιχα. iii. Τον απαιτούµενο ηλεκτρονικό εξοπλισµό για τη µετατροπή της ενέργειας στα διάφορα στάδια λειτουργίας του συστήµατος (inverters) και τον έλεγχο των διαφόρων υποσυστηµάτων (control unit, charge controller) που συµµετέχουν σε αυτό. Όπως και προηγούµενα, οι προς καθορισµό διαστάσεις παρόµοιων συστηµάτων είναι η ονοµαστική Φ/Β ισχύς και η αποθηκευτική ικανότητα, ενώ οι µέγιστες τιµές της ισχύος εισόδου και εξόδου του συστήµατος αποθήκευσης εξαρτώνται άµεσα από τη µέγιστη εµφανιζόµενη περίσσεια ηλιακής ενέργειας και το φορτίο αιχµής στην πλευρά της κατανάλωσης αντίστοιχα. 2.3 Καταστάσεις Λειτουργίας Αυτόνοµων Συστηµάτων Κατά τη διάρκεια της µακροχρόνιας περιόδου λειτουργίας αντίστοιχων ενεργειακών λύσεων (2-3 χρόνια αποτελούν µια ρεαλιστική προσέγγιση), είναι πιθανόν να εµφανισθούν οι ακόλουθες καταστάσεις λειτουργίας. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 4
A. Το φορτίο ζήτησης "N D " να είναι µικρότερο της ισχύος εξόδου του σταθµού ΑΠΕ "N RES " (όπου N RES =N W-out ή N RES =N PV-out ή N RES =N W-out + N PV-out σε περίπτωση συνδυασµένης λύσης), ήτοι Ν RES >N D. Στην περίπτωση αυτή η περίσσεια ενέργειας ( N=Ν RES -N D ) αποθηκεύεται στο σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας. Εάν το τελευταίο είναι πλήρως φορτισµένο, το υπόλοιπο της ενέργειας προωθείται σε χαµηλής προτεραιότητας φορτία ή απορρίπτεται. B. Το φορτίο ζήτησης είναι υψηλότερο από την παραγόµενη ισχύ στην έξοδο της µονάδας ΑΠΕ, (Ν RES <N D ), χωρίς η τελευταία να είναι µηδενική, ήτοι Ν RES. Σε παρόµοιες περιπτώσεις, το εµφανιζόµενο έλλειµµα ενέργειας ( N=N D -Ν RES ) καλύπτεται µέσω του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας, εφόσον το τελευταίο είναι σε θέση να διαθέσει τα απαραίτητα ποσά ενέργειας, λαµβάνοντας υπόψη και τις απώλειες µετατροπής. C. εν υπάρχει καθόλου ενεργειακή παραγωγή από τη µονάδα ΑΠΕ (π.χ. χαµηλές ταχύτητες ανέµου, µηδενική ηλιακή ακτινοβολία ή και µη διαθεσιµότητα του συστήµατος), ήτοι Ν RES =. Στην περίπτωση αυτή η ενεργειακή ζήτηση καλύπτεται πλήρως από το σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας, υπό την προϋπόθεση µη παραβίασης του µέγιστου κάθε φορά βάθους εκφόρτισης. Στις περιπτώσεις Β και C, όταν υπερβούµε το µέγιστο βάθος εκφόρτισης του συστήµατος αποθήκευσης, εάν δεν εφαρµοσθεί κάποιο σχέδιο ενεργειακής διαχείρισης οδηγούµαστε σε απόρριψη φορτίων. Για το σκοπό αυτό, η υιοθέτηση ενός συστήµατος παρακολούθησης µπορεί να βελτιώσει κατά πολύ την απόδοση αντίστοιχων αυτόνοµων εγκαταστάσεων. Για πρακτικούς τέλος λόγους και για να διασφαλισθεί η αυτονοµία παρόµοιων συστηµάτων ηλεκτροπαραγωγής, είναι επίσης αναγκαία η ύπαρξη ενός έκτακτου σχεδίου διαχείρισης της ενεργειακής κατανάλωσης έτσι ώστε το σύστηµα να είναι σε θέση να αντιµετωπίσει την εµφάνιση προβληµάτων σε ακραίες καταστάσεις λειτουργίας. 3. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΥΒΡΙ ΙΚΩΝ ΣΤΑΘΜΩΝ Λαµβάνοντας υπόψη πως σκοπός της µοντελοποίησης υβριδικών συστηµάτων ανανεώσιµης βάσης είναι η διαστασιολόγηση των τελευταίων για την επίτευξη µέγιστων επιπέδων ενεργειακής αυτονοµίας για δεδοµένων αναγκών καταναλώσεις, παρουσιάζεται στη συνέχεια γενικό Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 5
υπολογιστικό πλαίσιο διαστασιολόγησης. Για το σκοπό αυτό, τα απαραίτητα δεδοµένα εισόδου περιλαµβάνουν τα ακόλουθα: Λεπτοµερή µετεωρολογικά δεδοµένα τα οποία συµπεριλαµβάνουν µετρήσεις ταχύτητας ανέµου "V" ή/και µετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας "G", για ορισµένο χρονικό διάστηµα (ένα χρόνο κατ ελάχιστο) Μετρήσεις θερµοκρασίας περιβάλλοντος "θ" και ατµοσφαιρικής πίεσης "p" για την υπό εξέταση περίοδο Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανεµογεννήτριας (δηλ. καµπύλη ισχύος, N WT =N WT (V) για κανονικές συνθήκες) ή/και φωτοβολταϊκών (ρεύµα, τάση), δηλ. Ι=Ι(U,G) (Σχήµα 2) και "N + " Λειτουργικά χαρακτηριστικά όλων των υποσυστηµάτων της µονάδας αποθήκευσης ενέργειας. ιανοµή της ηλεκτρικής κατανάλωσης για την υπό εξέταση περίοδο σε ωριαία βάση Ακολούθως, για την εκτίµηση των κατάλληλων διαστάσεων ενός αιολικού ή/και ηλιακού αυτόνοµου συστήµατος ικανού να εγγυηθεί την ενεργειακή αυτονοµία κατανάλωσης δεδοµένων αναγκών, παρουσιάζονται ευέλικτοι και αξιόπιστοι αριθµητικοί αλγόριθµοι, ικανοί να αναλύσουν σε βάθος και για ορισµένη χρονική περίοδο την ενεργειακή συµπεριφορά παρόµοιων εγκαταστάσεων. Τα κύρια βήµατα των αλγορίθµων, που εν προκειµένω διαφοροποιούνται όχι µόνο ως προς την πρωτογενή παραγωγική πηγή αλλά και ως προς την τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας (CAES, αντλησιοταµίευση, υδρογόνο και συσσωρευτές Σχήµατα 3-6) περιγράφονται στη συνέχεια: A. Για κάθε υπό εξέταση περιοχή/κατανάλωση, επιλέγεται εύρος τιµών για τη µελέτη των βασικών παραµέτρων (Ν W, N PV και Ε ss ) B. Για κάθε χρονικό σηµείο δεδοµένης χρονικής περιόδου (µε συγκεκριµένο χρονικό βήµα) εκτιµάται η αποδιδόµενη ισχύς από τον σταθµό ΑΠΕ, λαµβάνοντας υπόψη τις µετεωρολογικές παραµέτρους (δηλ. ταχύτητα ανέµου ή/και ένταση ηλιακής ακτινοβολίας, θερµοκρασία περιβάλλοντος και ατµοσφαιρική πίεση) καθώς και τη χαρακτηριστικές καµπύλες ισχύος. C. Συγκρίνεται η αποδιδόµενη ισχύς από ΑΠΕ "N RES " µε το αντίστοιχο φορτίο ζήτησης του καταναλωτή "N D ". Σε περίπτωση εµφάνισης περίσσειας ενέργειας (N RES >N D ), η περίσσεια αυτή αποθηκεύεται στο σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας και ακολουθεί η εξέταση νέου χρονικού σηµείου (δηλ. συνέχεια σύµφωνα µε το βήµα Β). ιαφορετικά, συνέχίζουµε σύµφωνα µε το βήµα D. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 6
D. Εφόσον το σύστηµα αποθήκευσης δεν βρίσκεται κοντά στο ελάχιστο αποδεκτό όριο φόρτισης, το έλλειµµα ενέργειας (N D -N RES ) καλύπτεται από το σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας. Ακολουθεί η διαδικασία του βήµατος Β. Σε περίπτωση που το σύστηµα αποθήκευσης είναι πρακτικά αφόρτιστο, υπάρχει απόρριψη φορτίου για χρονική περίοδο µιας ώρας και η ανάλυση επαναλαµβάνεται εκκινώντας και πάλι από το βήµα Α, µέχρι να ικανοποιηθεί η συνθήκη για µηδενική απόρριψη φορτίου για τη συνολική χρονική περίοδο υπό εξέταση. Εφόσον επιτευχθεί η επιδιωκόµενη ενεργειακή αυτονοµία, ορίζεται η ελάχιστη αποδεκτή αποθηκευτική ικανότητα. E. Ακολούθως, η ονοµαστική ισχύς του αιολικού πάρκου / ανεµογεννήτριας και ο αριθµός των φωτοβολταϊκών πλαισίων αυξάνουν και οι υπολογισµοί επαναλαµβάνονται. Έτσι, µετά την ολοκλήρωση της ανάλυσης παράγεται πλήθος συνδυασµών ισχύος ΑΠΕ και αποθηκευτικής ικανότητας οι οποίοι εγγυώνται διαφορετικά επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για την υπό µελέτη χρονική περίοδο. 4. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Με βάση τα ανωτέρω, στην παρούσα παράγραφο παρατίθενται ενδεικτικά αποτελέσµατα εφαρµογής για διαφορετικούς υβριδικούς συνδυασµούς ΑΠΕ και τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας, αντικατοπτρίζοντας µε τον τρόπο αυτό το ευρύ πεδίο εφαρµογής των εν λόγω ενεργειακών λύσεων καθώς και τις δυνατότητες αντιµετώπισης διαφορετικών περιπτώσεων µε τη χρήση των υπλογιστικών αλγορίθµων διαστασιολόγησης υβριδικών συστηµάτων (Σχήµατα 3-6). Πιο συγκεκριµένα, παρατίθενται τα αποτελέσµατα εφαρµογής υβριδικών λύσεων τόσο µεγάλης κλίµακας, σε επίπεδο νησιωτικού ηλεκτρικού δικτύου, όσο και σε επίπεδο αποµονωµένου καταναλωτή. Αναφορικά µε την πρώτη κατηγορία εξετάζονται οι λύσεις των συστηµάτων αποθήκευσης µε συµπιεσµένο αέρα [8-1] (Compressed Air Energy Storage-CAES) και της τεχνολογίας της αντλησιοταµίευσης [11-13] (βλέπε και Παραδοτέο 1.1 «Ολοκληρωµένη µελέτη των καθιερωµένων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας και των δυνατοτήτων άριστης συνεργασίας τους µε συστήµατα ΑΠΕ, µε έµφαση στις τεχνολογίες αξιοποίησης υδρογόνου σε συνεργασία µε συστήµατα κυψελών καυσίµου») σε συνδυασµό µε αξιοποίηση αιολικής και ηλιακής ενέργειας αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, και για να υπογραµµισθεί η σηµασία της συνδυασµένης αξιοποίησης αιολικού και ηλιακού δυναµικού µε σκοπό τον υποβιβασµό της απαιτούµενης αποθηκευτικής ικανότητας, µελετάται υβριδική λύση αιολικών, Φ/Β και ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου [14] µε σκοπό την αυτονόµηση µικρού νησιωτικού δικτύου. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 7
Κλείνοντας, διερευνάται η χρήση αυτόνοµου υβριδικού συστήµατος αποτελούµενο από ανεµογεννήτρια, µικρή Φ/Β µονάδα και συσσωρευτές για την εξυπηρέτηση της ηλεκτρικής κατανάλωσης αποµονωµένων καταναλωτών [6,15], ως εναλλακτική για την αποφυγή λειτουργίας γεννήτριας πετρελαίου. 4.1 Μελέτη Περίπτωσης Ι Υβριδικό Σύστηµα Αιολικών & CAES Η πρώτη µελέτη περίπτωσης που εξετάζεται αφορά σε συνδυασµένο σύστηµα αιολικού πάρκου και CAES (βλέπε Σχήµα 7 και Πίνακα 1 για τα χαρακτηριστικά του συστήµατος) µε σκοπό την αυτονόµηση µεσαίας κλίµακας νησιωτικού δικτύου. Στα πλαίσια της αξιολόγησης της προτεινόµενης λύσης µελετάται επίσης η επίδραση του τοπικού αιολικού δυναµικού. Πιο συγκεκριµένα, το αντιπροσωπευτικό, µεσαίας κλίµακας νησιωτικό δίκτυο χαρακτηρίζεται από ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση της τάξης των 3GWh, µε µέγιστη εµφανιζόµενη αιχµή της τάξης των 6MW και ελάχιστο εµφανιζόµενο φορτίο της τάξης του 1MW (Σχήµα 8). Ταυτόχρονα, τα τρία διαφορετικής ποιότητας αιολικά δυναµικά που χρησιµοποιούνται χαρακτηρίζονται από µέση ετήσια ταχύτητα 8.2m/sec (υψηλό), 6.8m/s (µέσο) και 4.8m/s (χαµηλό) (Σχήµα 9). Εφαρµόζοντας στα πλαίσια αυτά τον υπολογιστικό κώδικα Wind-CAES (Σχήµα 3) για τη συγκεκριµένη περίπτωση εφαρµογής, το προτεινόµενο σύστηµα προσοµοιώνεται σε ωριαία βάση (Σχήµα 1). Τα απολογιστικά αποτελέσµατα ενεργειακής κάλυψης δίνονται στη σειρά γραφηµάτων που ακολουθεί (Σχήµατα 11-13). Πιο συγκεκριµένα, στο Σχήµα 11 απεικονίζονται οι ώρες απόρριψης του τοπικού ηλεκτρικού φορτίου σε ετήσια βάση, για διαφορετικούς συνδυασµούς αιολικής ισχύος και αποθηκευτικής ικανότητας του αεροφυλακίου υψηλής πίεσης της µονάδας αποθήκευσης. Όπως αναµένεται, η αύξηση της αποθηκευτικής ικανότητας συνεπάγεται µείωση των ωρών απόρριψης φορτίου, που ταυτόχρονα εξαρτάται από την εγκατεστηµένη ισχύ του αιολικού πάρκου. Στα πλαίσια αυτά, οι ανάγκες αιολικής ισχύος και αποθηκευτικής ικανότητας µεγιστοποιούνται στην περίπτωση του χαµηλού αιολικού δυναµικού, µε την απαιτούµενη αιολική ισχύ να πλησιάζει τα 6MW, δεκαπλάσια της µέγιστης εµφανιζόµενης αιχµής του τοπικού δικτύου, και µε την αντίστοιχη αποθηκευτική ικανότητα του συστήµατος CAES να ανέρχεται σε 1.m 3. Σε αντίθεση, µε τη βελτίωση του αιολικού δυναµικού οι διαστάσεις του συστήµατος για επίτευξη ενεργειακής αυτονοµίας µειώνονται δραµατικά. Πιο συγκεριµένα, στην περίπτωση του υψηλού αιολικού δυναµικού, η απαιτούµενη εγκατεστηµένη αιολική ισχύς µειώνεται στα επίπεδα των 15MW, ενώ η αντίστοιχη αποθηκευτική ικανότητα στα επίπεδα των 7.-8.m 3. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 8
Στη συνέχεια, στο Σχήµα 12 καταγράφονται οι αντίστοιχες απαιτήσεις σε κατανάλωση καυσίµου για καθέναν από τους υπό εξέταση συνδυασµούς, λαµβάνοντας υπόψη πως το CAES δεν είναι απαλλαγµένο από χρήση καυσίµου για τη λειτουργία του, παρότι η τελευταία είναι σαφώς µικρότερη της αντίστοιχης για τη λειτουργία του συµβατικού κύκλου αεριοστροβίλου. Ακολούθως, στο Σχήµα 13 παρατίθεται η απαιτούµενη συµπληρωµατική κατανάλωση καυσίµου από το συµβατικό κύκλο αεριοστροβίλου, στην περίπτωση που το συνδυασµένο σύστηµα αιολικό πάρκο CAES δεν επιτυγχάνει 1% ενεργειακή αυτονοµία (βλέπε και Σχήµα 11). Παράλληλα, στο σχήµα συµπεριλαµβάνεται επίσης η περίπτωση µηδενικής συµµετοχής της προτεινόµενης λύσης CAES και της πλήρους ανάληψης του φορτίου από συµβατικό κύκλο αεριοστροβίλου σε συνδυασµό µε τη λειτουργία αιολικού πάρκου. Προκύπτει µε τον τρόπο αυτό η σηµαντική εξοικονόµηση καυσίµου λόγω χρήσης της προτεινόµενης λύσης αντί συµβατικής µονάδας. Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά µονάδας CAES Παράµετρος Τιµή Ισεντροπική απόδοση συµπιεστή "g isc " 85% Ισεντροπική απόδοση αεριοστροβίλου "g ist " 88% Μηχανική απόδοση συµπιεστή "g mc " 98% Μηχανική απόδοση αεριοστροβίλου "g mt " 98% Απόδοση κινητήρα "g m ".98 98% Απόδοση ηλεκτρογεννήτριας "g gen " 98% Θερµοκρασία αποθήκευσης "T cav " (K) 3 Λόγος πίεσης συµπιεστή "r c " 75 Λόγος πίεσης αεριοστροβίλου "r t " 3 3 Ειδική θερµοχωρητικότητα αέρα "C pa " (J/kg/K) 14,5 Ειδική θερµοχωρητικότητα καυσαερίων "C pr " (J/kg/K) 115 Λόγος αέρα - καυσίµου "λ a " 4 Στοιχειοµετρικός αέρας καύσης "m a " (kg/kgng) 15 Μέγιστη θερµοκρασία θαλάµου καύσης "T cc " (K) 12 Σταθερά αερίων "R g " (J/kg/K) 287 Θερµογόνος δύναµη φυσικού αερίου "H u " (MJ/kg) 47 Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 9
4.2 Μελέτη Περίπτωσης ΙΙ Υβριδικό Σύστηµα Φ/Β & Αντλησιοταµίευσης Η δεύτερη µελέτη περίπτωσης που εξετάζεται αφορά σε συνδυασµένο σύστηµα Φ/Β πάρκου και µονάδας αντλησιοταµίευσης (βλέπε Σχήµα 14 και Πίνακα 2 για τα χαρακτηριστικά του συστήµατος) µε σκοπό την αυτονόµηση µικρής κλίµακας νησιωτικού δικτύου που απολαµβάνει υψηλής ποιότητας ηλιακό δυναµικό της τάξης των 176kWh/m 2.a (Σχήµα 15). Πιο συγκεκριµένα, το αντιπροσωπευτικό, µικρής κλίµακας νησιωτικό δίκτυο χαρακτηρίζεται από ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση της τάξης των 3,2GWh, µε µέγιστη εµφανιζόµενη αιχµή της τάξης των 9kW (Σχήµα 16). Εφαρµόζοντας στα πλαίσια αυτά τον υπολογιστικό κώδικα PV-PHS (Σχήµα 4) για τη συγκεκριµένη περίπτωση εφαρµογής, το προτεινόµενο σύστηµα προσοµοιώνεται σε ωριαία βάση (Σχήµα 17). Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά µονάδας αντλησιοταµίευσης Παράµετρος Τιµή ιαθέσιµο γεωδετικό ύψος "H" (m) 1 Μέγιστη ταχύτητα ρευστού στους αγωγούς "U w-max " (m/sec) 2 Απόδοση αντλητικού συγκροτήµατος "η pump " 8% Απόδος µονάδας υδροστροβίλων "η hydro " 85% Μέγιστο βάθος εκφόρτισης "DOD PHS " 95% Πυκνότητα νερού "ρ w " (kg/m 3 ) 1 Τραχύτητα αγωγών "ε" (mm).1 Τα απολογιστικά αποτελέσµατα ενεργειακής κάλυψης δίνονται στο Σχήµα 18, όπου και παρουσιάζονται οι ώρες απόρριψης φορτίου ετησίως σε σχέση µε τη µεταβολή της εγκατεστηµένης ισχύος Φ/Β και του όγκου του άνω ταµιευτήρα της µονάδας αντλησιοταµίευσης. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, για την αυτονόµηση του ηλεκτρικού συστήµατος του νησιού είναι απαραίτητη εγκατεστηµένη Φ/Β ισχύς της τάξης των 3MW και άνω, µε τον απαιτούµενο όγκο ταµιευτήρα να µειώνεται ακόµα και σε 4.m 3 για Φ/Β ισχύ της τάξης των 3,5MW. Επιπρόσθετα, στο Σχήµα 19 παρατίθενται αποτελέσµατα αναφορικά µε την επίδραση της γωνίας κλίσης των πλαισίων που όπως προκύπτει, η τελευταία αποκτά ιδιαίτερη σηµασία καθώς η εγκατεστηµένη ισχύς των Φ/Β πλαισίων µειώνεται. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 1
4.3 Μελέτη Περίπτωσης ΙΙΙ Υβριδικό Σύστηµα Αιολικών-Φ/Β & Υδρογόνου Η εξέταση εφαρµογών σε επίπεδο δικτύου ολοκληρώνεται µε την παρουσίαση αποτελεσµάτων από µελέτη περίπτωσης που αφορά σε συνδυασµένο σύστηµα αιολικού πάρκου, Φ/Β µονάδας και ολοκληρωµένου συστήµατος υδρογόνου (βλέπε Σχήµα 2 για τα χαρακτηριστικά του συστήµατος) µε σκοπό την αυτονόµηση µικρής-µεσαίας κλίµακας νησιωτικού δικτύου. Στα πλαίσια της αξιολόγησης της προτεινόµενης λύσης µελετάται επίσης η επίδραση της ποιότητας του τοπικού δυναµικού ΑΠΕ (Σχήµατα 9 και 21). Πιο συγκεκριµένα, το αντιπροσωπευτικό, µικρής-µεσαίας κλίµακας νησιωτικό δίκτυο χαρακτηρίζεται από ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση της τάξης των 7.5GWh, µε µέγιστη εµφανιζόµενη αιχµή της τάξης των 2MW (Σχήµα 22). Ταυτόχρονα, τα τρία διαφορετικής ποιότητας αιολικά δυναµικά (Σχήµα 9) που χρησιµοποιούνται χαρακτηρίζονται από µέση ετήσια ταχύτητα 8.2m/s (υψηλό), 6.8m/s (µέσο) και 4.8m/s (χαµηλό), ενώ τα αντίστοιχα ηλιακά (Σχήµα 21) αφορούν σε περιοχές µε 1423, 161 και 178kWh/m 2.a. Εφαρµόζοντας στα πλαίσια αυτά τον υπολογιστικό κώδικα Wind-PV-H2 (Σχήµα 5) για τη συγκεκριµένη περίπτωση εφαρµογής, το προτεινόµενο σύστηµα προσοµοιώνεται σε ωριαία βάση (Σχήµα 23). Τα απολογιστικά αποτελέσµατα ενεργειακής κάλυψης δίνονται στη συνέχεια στο Σχήµα 24, όπου εκτός των ετήσιων ωρών απόρριψης του φορτίου παρατίθενται και η περίσσεια ενέργειας η οποία δεν αξιοποιείται από το υβριδικό σύστηµα για σκοπούς ηλεκτροπαραγωγής, αλλά δύναται να µετατραπεί σε υδρογόνο για την κάλυψη πρόσθετων ενεργειακών αναγκών, όπως στον τοµέα των µεταφορών. Μελετώντας την περίπτωση του µέσης ποιότητας δυναµικού ΑΠΕ, στο Σχήµα 24 εξετάζεται η ενεργειακή συµπεριφορά συστηµάτων τόσο αιολικής όσο και Φ/Β βάσης. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα, η ελάχιστη απαιτούµενη αιολική ισχύς για την επίτευξη ενεργειακής αυτονόµησης της τάξης του 1% ανέρχεται σε περίπου 1MW, ενώ η αντίστοιχη Φ/Β ξεπερνά τα 17MW. Στον αντίποδα, η µελέτη συνδυασµένης λύσης αιολικών-φ/β και ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου (Σχήµα 25) εγγυάται την επίτευξη ενεργειακής αυτονοµίας µε σαφώς χαµηλότερη αιολική ισχύ (~4,5MW) λαµβάνοντας επίσης υπόψη συµβολή Φ/Β ισχύος της τάξης των 3MW, αναδεικνύοντας κατά τον τρόπο αυτό το πλεονέκτηµα, από άποψη διαστάσεων τουλάχιστον, που επιφέρει η συνεργασία διαφορετικών τεχνολογιών ΑΠΕ. Σηµειώνεται στο σηµείο αυτό πως το αποτέλεσµα αυτής της συνεργασίας εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη συµπληρωµατικότητα που εµφανίζεται µεταξύ των δύο προφίλ δυναµικού. Η επίδραση του δυναµικού ΑΠΕ µελετάται περαιτέρω και στο Σχήµα 26, όπου εξετάζεται η ενεργειακή συµπεριφορά δύο οµάδων συνδυασµών, για αποθηκευτική ικανότητα 1MWh και 3MWh αντίστοιχα. Ιδιαίτερη σηµασία έχει στο σηµείο αυτό η διάκριση του βαθµού επίδρασης µεταξύ της ποιότητας του αιολικού Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 11
δυναµικού και της ποιότητας του ηλιακού δυναµικού που σε συνδυασµό µε την αύξηση της αποθηκευτικής ικανότητας ελαχιστοποιεί την επίδραση που έχει η δεύτερη στη διαστασιολόγηση του συστήµατος. 4.4 Μελέτη Περίπτωσης ΙV Υβριδικό Σύστηµα Αιολικών-Φ/Β & Συσσωρευτών Κλείνοντας, εξετάζεται επίσης η περίπτωση αποµακρυσµένου καταναλωτή µε ετήσια κατανάλωση ενέργειας της τάξης των 4,7MWh και εµφανιζόµενο φορτίο αιχµής στα επίπεδα των 3,5kW (Σχήµα 27). Όµοια µε την προηγούµενη µελέτη περίπτωσης, εξετάζεται επίσης η επίδραση του τοπικού δυναµικού ΑΠΕ (Σχήµατα 9 και 21), ενώ το προτεινόµενο σύστηµα περιλαµβάνει µικρής κλίµακας σύστηµα αποθήκευσης ενέργειας που αποτελείται από συσσωρευτές τεχνολογίες οξέος-µολύβδου. Τα αποτελέσµατα της διαστασιολόγησης παρουσιάζονται στα Σχήµατα 28-3, όπου συγκεντρώνονται τόσο οι υβριδικές λύσεις όσο και σχήµατα αµιγώς αιολικής ή Φ/Β βάσης ως αποτέλεσµα εφαρµογής του υπολογιστικού κώδικα WIND-PV-Bat (Σχήµα 6). Στα πλαίσια αυτά, αναδεικνύεται και πάλι η σηµασία της ποιότητας του τοπικού δυναµικού ΑΠΕ, καθώς και η δυνατότητα αξιοποίησης του από συνδυασµένες λύσεις ΑΠΕ που κατορθώνουν να επιτύχουν ελαχιστοποίηση των διαστάσεων του υβριδικού συστήµατος και κυρίως του συστήµατος αποθήκευσης ενέργειας. 5. Συµπεράσµατα Σύµφωνα µε την παρουσίαση των αποτελεσµάτων από τις διαφορετικές µελέτες περίπτωσης που εξετάσθηκαν, αναδεικνύεται η δυνατότητα τόσο των υβριδικών σχηµάτων ανανεώσιµης βάσης να εξυπηρετήσουν διαφορετικών απαιτήσεων εφαρµογές όσο και των υπολογιστικών εργαλείων που έχουν αναπτυχθεί να προσοµοιώσουν επαρκώς τη λειτουργία τους και να παρέχουν πλήθος λύσεων. Για την επιλογή δε της βέλτιστης κάθε φορά λύσης, αξιοποιούνται στη συνέχεια διαφορετικές µέθοδοι και κριτήρια βελτιστοποίησης που θα επιτρέψουν τον καθορισµό της πλέον κατάλληλης κάθε φορά ενεργειακής λύσης, στοχεύοντας χο µόνο σε ελαχιστοποίηση του κόστους αλλά και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε επίπεδο κύκλου ζωής. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 12
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1. Mohammed, Y.S., Mustafa, M.W., Bashir, N., 214. Hybrid renewable energy systems for offgrid electric power: Review of substantial issues. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 35, 527-539. 2. Zafirakis, D., 21. Overview of energy storage technologies for renewable energy systems. Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems, 2, 29-8. 3. Kaldellis, J.K., Kavadias, K.A., 21. Optimal wind-hydro solution for Aegean Sea islands' electricity-demand fulfilment. Applied Energy, 7, 333-354. 4. Kaldellis, J.K., Zafirakis, D., 27. Present situation and future prospects of electricity generation in Aegean Archipelago islands. Energy Policy, 35, 4623-4639. 5. Kaldellis, J.K., Kavadias, K.A., Koronakis, P.S., 27. Comparing wind and photovoltaic standalone power systems used for the electrification of remote consumers. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11, 57-77. 6. Kaldellis, J.K., Zafirakis, D., 212. Optimum sizing of stand-alone wind-photovoltaic hybrid systems for representative wind and solar potential cases of the Greek territory. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 17/18, 169-178. 7. Kaldellis, J., Zafirakis, D., Kavadias, K., Kondili, E., 212. Optimum PV-diesel hybrid systems for remote consumers of the Greek territory. Applied Energy, 97, 61-67. 8. Zafirakis, D., Kaldellis J.K., 21. Autonomous dual-mode CAES systems for maximum wind energy contribution in remote island networks. Energy Conversion and Management, 51, 215-2161. 9. Zafirakis, D., Kavadias, K., Kondili, E.M., Kaldellis, J.K., 214. Optimum Sizing of PV-CAES Configurations for the Electrification of Remote Consumers. Computer Aided Chemical Engineering, 33, 1135-114. 1. Zafirakis, D., Chalvatzis, K.J., 214. Wind energy and natural gas-based energy storage to promote energy security and lower emissions in island regions. Fuel, 115, 23-219. 11. Kapsali, M., Anagnostopoulos, J.S., Kaldellis, J.K., 212. Wind powered pumped-hydro storage systems for remote islands: A complete sensitivity analysis based on economic perspectives. Applied Energy, 99, 43-444. 12. Kapsali, M., Kaldellis, J.K., 21. Combining hydro and variable wind power generation by means of pumped-storage under economically viable terms. Applied Energy, 87, 3475-3485. 13. Kaldellis, J.K., Kapsali, M., Kavadias, K.A., 21. Energy balance analysis of wind-based pumped hydro storage systems in remote island electrical networks. Applied Energy, 87, Issue 8, 2427-2437. 14. Kavadias, K., Zafirakis, D., Kaldellis, J.K., 214. The role of hydrogen-based energy storage in the support of large-scale renewable energy sources integration in island grids. Fresenius Environmental Bulletin, In Press. 15. Kaldellis, J.K., Zafirakis, D., Kavadias, K., 212. Minimum cost solution of wind photovoltaic based stand-alone power systems for remote consumers. Energy Policy, 42, 15-117. Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 13
ΣΧΗΜΑΤΑ Tυπική Αδιάστατη Χαρακτηριστική Αιολικής Μηχανής 1,2 1, Αδιάστατη Ισχύς,8,6,4,2, 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Ταχύτητα Ανέµου (m/sec) Σχήµα 1: Aδιάστατη χαρακτηριστική λειτουργίας αιολικής µηχανής Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 14
Ένταση (Amp) 3,5 3, 2,5 2, 1,5 Καµπύλες Έντασης Ρεύµατος & Τάσης για Τυπικό Φ/Β Πλαίσιο (51W p ) 1W/m^2 8W/m^2 6W/m^2 4W/m^2 2W/m^2 1,,5, 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Τάση (Volts) Σχήµα 2: Καµπύλες λειτουργίας τυπικού φωτοβολταϊκού πλαισίου Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 15
Σχήµα 3: Aλγόριθµος υπολογιστικού κώδικα διαστασιολόγησης WIND-CAES Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 16
Σχήµα 4: Aλγόριθµος υπολογιστικού κώδικα διαστασιολόγησης PV-PHS Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 17
Σχήµα 5: Aλγόριθµος υπολογιστικού κώδικα διαστασιολόγησης WIND-PV-H2 Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 18
Σχήµα 6: Aλγόριθµος υπολογιστικού κώδικα διαστασιολόγησης WIND-PV-Bat Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 19
Σχήµα 7: Τυπική διάταξη Wind-CAES Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 2
7 Ωριαία ιακύµανση Φορτίου Ηλεκτρικής Ζήτησης σε Ετήσια Βάση (Μεσαίας Κλίµακας Νησί) 6 Φορτίο Ζήτησης (MW) 5 4 3 2 1 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 64 68 72 76 8 84 88 Ώρα του Έτους Σχήµα 8: Προφίλ ηλεκτρικής ζήτησης σε µεσαίας κλίµακας νησιωτικό δίκτυο Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 21
3 25 Ανεµολογικά εδοµένα από Αντιπροσωπευτικές Νησιωτικές Περιοχές του Αιγαίου (Υψηλό, Μέσο και Χαµηλό υναµικό) Υψηλό υναµικό Μέσο υναµικό Χαµηλό υναµικό Ταχύτητα Ανέµου (m/s) 2 15 1 5 1 569 1137 175 2273 2841 349 3977 4545 5113 5681 6249 6817 7385 7953 8521 Ώρα του Έτους Σχήµα 9: Μετρήσεις ταχύτητας ανέµου για τρεις περιοχές διαφορετικής ποιότητας αιολικού δυναµικού Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 22
24 Ενεργειακό Ισοζύγιο Υβριδικού Σταθµού Wind-CAES (V ss =2,m 3 @ DoD=5%, N W =9MW) Στάθµη Αεροφυλακίου Αιολική Παραγωγή Ζήτηση 9, 2 16 12 8 4 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 32 Στάθµη Αεροφυλακίου (m 3 ) 34 7,5 6, 4,5 3, 1,5 Αιολ. Παραγ.& Ζήτηση (MW), Ώρα του ιαστήµατος Μελέτης Σχήµα 1: Ισοζύγιο ενέργειας συστήµατος Wind-CAES Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 23
Ώρες Απόρριψης Φορτίου 7 6 5 4 3 2 1 Ενεργειακή Αυτονοµία για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Χαµηλής Ποιότητας Αιολ. υναµικό) V=1,m3 V=3,m3 V=5,m3 V=7,m3 V=9,m3 V=2,m3 V=4,m3 V=6,m3 V=8,m3 V=1,m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) Ώρες Απόρριψης Φορτίου 7 6 5 4 3 2 1 Ενεργειακή Αυτονοµία για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Μέσης Ποιότητας Αιολ. υναµικό) V=1,m3 V=3,m3 V=5,m3 V=7,m3 V=9,m3 V=2,m3 V=4,m3 V=6,m3 V=8,m3 V=1,m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) Ώρες Απόρριψης Φορτίου 7 6 5 4 3 2 1 Ενεργειακή Αυτονοµία για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Υψηλής Ποιότητας Αιολ. υναµικό) V=1,m3 V=3,m3 V=5,m3 V=7,m3 V=9,m3 V=2,m3 V=4,m3 V=6,m3 V=8,m3 V=1,m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) Σχήµα 11: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς Wind-CAES και για διαφορετικής ποιότητας αιολικά δυναµικά Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 24
18 Κατανάλωση Καυσίµου για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής Ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Χαµηλής Ποιότητας Αιολ. υναµικό) Κατανάλωση Καυσίµου (t NG ) 16 14 12 1 8 6 V=1,m3 V=2,m3 V=3,m3 V=4,m3 4 V=5,m3 V=6,m3 2 V=7,m3 V=8,m3 V=9,m3 V=1,m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) 18 Κατανάλωση Καυσίµου για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής Ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Μέσης Ποιότητας Αιολ. υναµικό) Κατανάλωση Καυσίµου (t NG ) 16 14 12 1 8 6 V=1,m3 V=2,m3 V=3,m3 V=4,m3 4 V=5,m3 V=6,m3 2 V=7,m3 V=8,m3 V=9,m3 V=1,m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) 18 Κατανάλωση Καυσίµου για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής Ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Υψηλής Ποιότητας Αιολ. υναµικό) Κατανάλωση Καυσίµου (t NG ) 16 14 12 1 8 6 V=1,m3 V=2,m3 V=3,m3 V=4,m3 4 V=5,m3 V=6,m3 2 V=7,m3 V=8,m3 V=9,m3 V=1,m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) Σχήµα 12: Επίπεδα κατανάλωσης καυσίµου κύκλου CAES για διαφορετικούς συνδυασµούς Wind- CAES και για διαφορετικής ποιότητας αιολικά δυναµικά Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 25
Συµπληρωµατική Κατανάλωση (t NG ) 55 5 45 4 35 Συµπληρωµατική Κατανάλωση για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής Ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Χαµηλής Ποιότητας Αιολ. υναµικό) 3 25 V=1,m3 V=2,m3 2 V=3,m3 V=4,m3 15 V=5,m3 V=6,m3 V=7,m3 1 V=8,m3 V=9,m3 5 V=1,m3 V=m3 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) Συµπληρωµατική Κατανάλωση (t NG ) 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Συµπληρωµατική Κατανάλωση για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής Ισχύος & Όγκου Αεροφυλακίου (Μέσης Ποιότητας Αιολ. υναµικό) 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) V=1,m3 V=2,m3 V=3,m3 V=4,m3 V=5,m3 V=6,m3 V=7,m3 V=8,m3 V=9,m3 V=1,m3 V=m3 Συµπληρωµατική Κατανάλωση (t NG ) 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Συµπληρωµατική Κατανάλωση για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Αιολικής Ισχύος και Όγκου Αεροφυλακίου (Υψηλής Ποιότητας Αιολ. υναµικό) 4 8 12 16 2 24 28 32 36 4 44 48 52 56 6 Αιολική Ισχύς (MW) V=1,m3 V=2,m3 V=3,m3 V=4,m3 V=5,m3 V=6,m3 V=7,m3 V=8,m3 V=9,m3 V=1,m3 V=m3 Σχήµα 13: Επίπεδα συµπληρωµατικής κατανάλωσης καυσίµου για διαφορετικούς συνδυασµούς Wind-CAES και για διαφορετικής ποιότητας αιολικά δυναµικά Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 26
Σχήµα 14: Τυπική διάταξη Φ/Β και µονάδας αντλησιοταµίευσης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 27
1, Ωριαία ιακύµανση Ηλιακού υναµικού σε Οριζόντιο Επίπεδο (1758kWh/m 2.a) Ένταση Ακτινοβολίας (kwh/m 2 ),9,8,7,6,5,4,3,2,1, 8 16 24 32 4 48 56 64 72 8 88 Ώρα του Έτους Σχήµα 15: Μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας για περιοχή υψηλού ηλιακού δυναµικού Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 28
1, Ωριαία ιακύµανση Φορτίου Ηλεκτρικής Ζήτησης σε Ετήσια Βάση (Μικρής Κλίµακας Νησί) Ζήτηση Φορτίου (MW),9,8,7,6,5,4,3,2,1, 8 16 24 32 4 48 56 64 72 8 88 Ώρα του Έτους Σχήµα 16: Προφίλ ηλεκτρικής ζήτησης σε µικρής κλίµακας νησιωτικό δίκτυο Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 29
2,5 Ωριαία Λειτουργία Υβριδικού Συστήµατος (Φ/Β 3.1MW; Άνω Ταµιευτήρας 1,m 3 και Χωρητικότητα Συσσωρευτών 5kWh) Παραγωγή Φ/Β Ζήτηση Ηλ. Ενέργειας Περίσσεια Ενέργειας Στάθµη Μπαταρίας Στάθµη Ταµιευτήρα 11 Παραγωγή, Ζήτηση, Περίσσεια, Στάθµη Συσσωρευτών (MWh) 2, 1,5 1,,5 1 9 8 7 Στάθµη Άνω Ταµιευτήρα (m 3 ), 6 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 15113121129137145153161169 Ώρα του Έτους Σχήµα 17: Ισοζύγιο ενέργειας συστήµατος Φ/Β αντλησιοταµίευσης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 3
Ώρες Απόρριψης Φορτίου Ετησίως 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 ΩΡΕΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΕΤΗΣΙΩΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΙΣΧΥΟΣ Φ/Β ΚΑΙ ΙΑΘΕΣΙΜΟΥ ΟΓΚΟΥ ΑΠΟΤΑΜΙΕΥΣΗΣ Ισχύς Φ/Β=2.MW Ισχύς Φ/Β=2.5MW Ισχύς Φ/Β=3.MW Ισχύς Φ/Β=3.5MW Ισχύς Φ/Β=4.MW 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Όγκος Ταµιευτήρα (m 3 x1 3 ) Σχήµα 18: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς Φ/Βαντλησιοταµίευσης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 31
Ποσοστό µη Κάλυψης Ετησίως 4,% 3,5% 3,% 2,5% 2,% 1,5% 1,%,5%,% ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΓΩΝΙΑΣ ΠΟΥ ΕΓΓΥΑΤΑΙ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣΗ ΜΕ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥTΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ Npv=2.55MW Npv=5.1MW Npv=6.12MW Npv=7.14MW 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 Γωνία Κλίσης "β" (µοίρες) Σχήµα 19: Επίδραση της γωνίας κλίσης των Φ/Β πλαισίων στα επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 32
Σχήµα 2: Τυπική διάταξη αιολικών-φ/β και ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 33
Ηλ. Ακτινοβολία (kwh/m 2 ) 1,,9,8,7,6,5,4,3,2,1, εδοµένα Ηλιακής Ενέργειας από Αντιπροσωπευτικές Νησιωτικές Περιοχές του Αιγαίου (Χαµηλό, Μέσο και Υψηλό υναµικό) Υψηλό υναµικό Μέσο υναµικό Χαµηλό υναµικό 1 569 1137 175 2273 2841 349 3977 4545 5113 5681 6249 6817 7385 7953 8521 Ώρα του Έτους Σχήµα 21: Μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας για τρεις περιοχές διαφορετικής ποιότητας ηλιακού δυναµικού Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 34
2, Ωριαία ιακύµανση Φορτίου Ηλεκτρικής Ζήτησης σε Ετήσια Βάση (Μικρής Κλίµακας Νησί) 1,8 Ηλεκτρική Ζήτηση (MW) 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2 1 81 161 241 321 41 481 561 641 721 81 Ώρα του Έτους Σχήµα 22: Προφίλ ηλεκτρικής ζήτησης σε µικρής-µεσαίας κλίµακας νησιωτικό δίκτυο Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 35
Παραγωγή - Ζήτηση (MWh) 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5 Ισοζύγιο Ενέργειας για τον Υβριδικό Σταθµό ΑΠΕ-Υδρογόνο (N W =3MW; N PV =5MW, E ss =1MWh) Ζήτηση Φ/Β Παραγωγή Αιολική Παραγωγή Περίσσεια Η2 Στάθµη εξαµενής H2 12 15 9 75 6 45 3 15 Εν. Περιεχόµενο εξαµενής (MWh), 12 24 36 48 6 72 84 96 18 12 132 144 156 168 Σχήµα 23: Ισοζύγιο ενέργειας συστήµατος αιολικών-φ/β και ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 36
Επίπεδα Ενεργειακής Αυτονοµίας και Περίσσεια Η 2 για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Wind-H 2 (N PV =MW) Ώρες Απόρριψης Φορτίου 3 25 2 15 1 5 Αυτονοµία-Ess=1MWh Αυτονοµία-Ess=2MWh Αυτονοµία-Ess=3MWh Αυτονοµία-Ess=4MWh Περίσσεια-Ess=1MWh Περίσσεια-Ess=2MWh Περίσσεια-Ess=3MWh Περίσσεια-Ess=4MWh 3 25 2 15 1 5 Περίσσεια Η2 (MWh) 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Αιολική Ισχύς (MW) Επίπεδα Ενεργειακής Αυτονοµίας και Περίσσεια Η 2 για ιαφορετικούς Συνδυασµούς PV-H 2 (N w =MW) Ώρες Απόρριψης Φορτίου 3 25 2 15 1 5 Αυτονοµία-Ess=1MWh Αυτονοµία-Ess=2MWh Αυτονοµία-Ess=3MWh Περίσσεια-Ess=4MWh Περίσσεια-Ess=1MWh Περίσσεια-Ess=2MWh Περίσσεια-Ess=3MWh Περίσσεια-Ess=4MWh 6 5 4 3 2 1 Περίσσεια Η2 (MWh) 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 Φ/Β Ισχύς (MW) Σχήµα 24: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας και πλεονάσµατος ενέργειας για διαφορετικούς συνδυασµούς ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου αιολικής και Φ/Β βάσης Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 37
Ώρες Απόρριψης Φορτίου 3 25 2 15 1 5 Επίπεδα Ενεργειακής Αυτονοµίας και Περίσσεια Η 2 για ιαφορετικούς Συνδυασµούς Wind-PV-H 2 Npv=MW & Ess=1MWh Npv=MW & Ess=4MWh Npv=1MW & Ess=1MWh Npv=1MW & Ess=4MWh Npv=3MW & Ess=1MWh Npv=3MW & Ess=4MWh 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Αιολική Ισχύς (MW) Σχήµα 25: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου µε ταυτόχρονη συνεργασία µε αιολικά και Φ/Β Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 38
Ώρες Απόρριψης Φορτίου 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Επίδραση υναµικού ΑΠΕ στα Επίπεδα Αυτονοµίας ιαφορετικών Συνδυασµών Wind-PV-H 2 (N PV =3MW) Ess=1MWh-Χαµηλό Αιολικό & Μέσο Ηλιακό Ess=1MWh-Μέσο Αιολικό & Μέσο Ηλιακό Ess=1MWh-Υψηλό Αιολικό & Μέσο Ηλιακό Ess=3MWh-Μέσο Αιολικό & Χαµηλό Ηλιακό Ess=3MWh-Μέσο Αιολικό & Μέσο Ηλιακό Ess=3MWh-Μέσο Αιολικό & Υψηλό Ηλιακό 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 Αιολική Ισχύς (MW) Σχήµα 26: Η επίδραση του δυναµικού ΑΠΕ στα επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς ολοκληρωµένης µονάδας υδρογόνου µε ταυτόχρονη συνεργασία µε αιολικά και Φ/Β Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 39
Σχήµα 27: Προφίλ ηλεκτρικής ζήτησης τυπικού αποµονωµένου καταναλωτή Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 4
Αυτόνοµοι Υβριδικοί Συνδυασµοί: Χαµηλό Ηλιακό (1423kWh/m2.a) & Χαµηλό Αιολικό (4.8m/sec) υναµικό Χωρητ. Συσσωρευτών (Ah) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Wind-Only PV-Only 15 3 45 6 75 9 15 12 135 15 Αοιλική ή Φ/Β Ισχύς (Watts) Χωρητ. Συσσωρευτών (Ah) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Αυτόνοµοι Υβριδικοί Συνδυασµοί: Χαµηλό Ηλιακό (1423kWh/m2.a) & Χαµηλό Αιολικό (4.8m/sec) υναµικό Wind-Only 1 panels 2 panels 5 panels 75 panels 1 panels 3 panels PV-Only 15 3 45 6 75 9 15 12 135 15 Αιολική ή Φ/Β Ισχύς (Watts) Σχήµα 28: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς ανεµογεννήτριας- Φ/Β-συσσωρευτών (χαµηλό δυναµικό ΑΠΕ) Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 41
Χωρητ. Συσσωρευτών (Ah) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 Αυτόνοµοι Υβριδικοί Συνδυασµοί: Μέσο Ηλιακό (161kWh/m2.a) & Μέσο Αιολικό (6.8m/sec) υναµικό Wind-Only PV-Only 2 15 3 45 6 75 9 15 12 135 15 Αιολική ή Φ/Β Ισχύς (Watts) Χωρητ. Συσσωρευτών (Ah) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 Αυτόνοµοι Υβριδικοί Συνδυασµοί: Μέσο Ηλιακό (161kWh/m2.a) & Μέσο Αιολικό (6.8m/sec) υναµικό Wind-Only 1 panels 2 panels 5 panels 75 panels 1 panels 3 panels PV-Only 2 15 3 45 6 75 9 15 12 135 15 Αιολική ή Φ/Β Ισχύς (Watts) Σχήµα 29: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς ανεµογεννήτριας- Φ/Β-συσσωρευτών (µέσο δυναµικό ΑΠΕ) Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 42
Χωρητ. Συσσωρευτών (Ah) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Αυτόνοµοι Υβριδικοί Συνδυασµοί: Υψηλό Ηλιακό (178kWh/m2.a) & Υψηλό Αιολικό (8.2m/sec) υναµικό 15 3 45 6 75 9 15 12 135 15 Αοιλική ή Φ/Β Ισχύς (Watts) Wind-Only PV-Only Χωρητικ. Συσσωρευτών (Ah) 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Αυτόνοµοι Υβριδικοί Συνδυασµοί: Υψηλό Ηλιακό (178kWh/m 2.a) & Υψηλό Αιολικό (8.2m/sec) υναµικό 15 3 45 6 75 9 15 12 135 15 Αιολική ή Φ/Β Ισχύς (Watts) Wind-Only 1 panels 2 panels 5 panels 75 panels 1 panels 3 panels PV-Only Σχήµα 3: Επίπεδα ενεργειακής αυτονοµίας για διαφορετικούς συνδυασµούς ανεµογεννήτριας- Φ/Β-συσσωρευτών (υψηλό δυναµικό ΑΠΕ) Εργαστήριο Η.Μ.Ε. & ΠΡΟ.ΠΕ. 43