Λεωνίδας Ντζιαχρήστος ΜΕΛΕΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΑΣ ΥΒΡΙ ΙΚΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Α/Γ & ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΣΤΟ ΜΗ ΙΑΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΟ ΝΗΣΙΩΤΙΚΟ ΙΚΤΥΟ Ζήσης Σαµαράς Κων/νος Πάττας TEE/ΤΚ Θ Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής Τµήµα Μηχ/γων Μηχ/κών,, ΑΠΘ Λάρισα, 2007-12-1
1. Εισαγωγή: Το πρόβληµα και η προτεινόµενη αντιµετώπιση 2. Περιγραφή του υβριδικού συστήµατος 3. Προσοµοίωση λειτουργίας Περιεχόµενα παρουσίασης 4. Αποτελέσµατα (ενεργειακή, οικονοµική αποτίµηση) 5. Συµπεράσµατα
1 Εισαγωγή: Το πρόβληµα και η προτεινόµενη αντιµετώπιση TEE/ΤΚ Θ Λάρισα, 2007-12-1
Οδηγία 2001/77/ΕΚ: Στόχος για το 2010 η συνεισφορά των ΑΠΕ στο 20,1% της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. To 2002 η συνολική κατανάλωση ήταν 52,6 TWh από τις οποίες: 6,8% παρήχθη από µεγάλους ΥΗΣ 1,6% παρήχθη από άλλες ΑΠΕ Στόχοι & Επικρατούσα Κατάσταση Στα ωδεκάνησα (µη διασυνδεδεµένο δίκτυο), οι ΑΠΕ παρήγαγαν µόνο 2,7% συνολικής κατανάλωσης. Το εύλογο όριο «30% µέγιστη διείσδυση» και η ανάγκη εφεδρείας ΘΗΣ είναι οι σηµαντικότεροι περιοριστικοί παράγοντες. Υπάρχει ανάγκη µεγαλύτερης «ενεργειακής διείσδυσης».
Παράδειγµα: Κάλυψη φορτίου στη διάρκεια του έτους από ΑΠΕ και ΘΗΣ Πρόβληµα και αντιµετώπιση Η µέγιστη διείσδυση στα ελληνικά νησιά καθορίζεται από την κβαντισµένη κατανοµή ισχύος εφεδρείας των σταθµών βάσης, ανεξάρτητα από το αιολικό δυναµικό Στόχος η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας ΑΠΕ υπό σταθεροποιηµένη ισχύ µε εγκατάσταση υβριδικών Α/Γ
2 Περιγραφή Υβριδικού Συστήµατος TEE/ΤΚ Θ Λάρισα, 2007-12-1
Direct branch Grid H 2 compressor H 2 liquefier H2 tank FC Branch Windturbine Σχηµατική παράσταση εγκατάστασης Current H 2 Η 2 Ο Optional Electrolyser Fuel Cell Steam turbine ιάθεση ενέργειας «απευθείας δίκτυο» (µεταβλητή ισχύς) ιάθεση ενέργειας µέσω «Κλάδου Κυψέλης Καυσίµου» (σταθερή ισχύς) Η εξοµάλυνση της ισχύος γίνεται µε ενδιάµεση αποθήκευσή της υπό µορφή συµπιεσµένου Η2
Power Factor 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Χαρακτηριστικά 0.2 αδιαστατοποιηµένης Α/Γ 0.0 Nominal power output Cut-in speed Nominal speed Cut-out speed 0 5 10 15 20 25 30 Wind Speed [m/s] Τυπική Α/Γ pitch control Η µέγιστη ισχύς ήταν παράµετρος του συστήµατος Κόστος: 1100 /kw Ανέγερση: 50.000
100 95 Efficiency [%] 90 85 80 75 Μονάδα Ηλεκτρόλυσης 70 0 20 40 60 80 100 120 Load (as a percentage of nominal power) [%] Τύπος: Αλκαλικός Ηλεκτρολύτης (40% KOH) Θερµοκρασία λειτουργίας: 80 C Πίεση παραγόµενου Η2: 30 bar Βαθµός απόδοσης: Από καµπύλη συναρτήσει φορτίου Χρόνος απόκρισης: 500 ms (ανορθωτής 50 kw/s) (ίσως απαιτείται περαιτέρω εξοµάλυνση µέσω υπερπυκνωτών ή σφονδύλων) Κόστος: 1500 /kw (σήµερα), 400 /kw (αναµεν.)
Επιλογές: Υδρίδια µετάλλων (βάρος, κόστος) Υγροποίηση (20 Κ) Ενεργειακό κόστος: 12.5-15 kwh/kg H2 Οικονοµικό κόστος: ~250-700 /kg H2 Απαιτούµενος χώρος: ~15 l/kg H2 Αποθήκευση Η 2 Συµπίεση (480 bar, Carbon & HDP ή Αl) Ενεργειακό κόστος: 2.6-3.6 kwh/kg H2 Οικονοµικό κόστος: ~330 /kg H2 Απαιτούµενος χώρος: ~40 l/kg H2 Τόσο η υγροποίηση όσο και η συµπίεση θεωρούνται ως πιθανές επιλογές.
Κυψέλη Καυσίµου Αρχή λειτουργίας και τύποι
Επιλογές: Τύπος PEM Μέγεθος: Έως 100 kw Ηλεκτρικός B.A.: 50% Συµπαραγωγή: Όχι Μονάδα κυψέλης καυσίµου Τύποι τηγµένου ανθρακικού άλατος (MCFC) & στερεού οξειδίου (SOFC) Μέγεθος: >100 kw Ηλεκτρικός Β.Α: ~60% Συµπαραγωγή: Ναι (Β.Α. έως 85%) Θεώρηση (Β.Α.): <100 kw: 50% 100-250 kw: 60% >250 kw: 85% Κόστος: Σήµερα: 3000 /kw (?) Μελλοντικό: 1000-1500 /kw
3 Προσοµοίωση Λειτουργίας TEE/ΤΚ Θ Λάρισα, 2007-12-1
Ανάλυση µέσω κατάλληλου λογισµικού (προσοµοίωση λειτουργίας επιµέρους συσκευών) για τη διαστασιολόγηση των επιµέρους συσκευών ώστε να επιτυγχάνεται σταθερή διάθεση ισχύος Αλγόριθµος & Μεγέθη αξιολόγησης Μεγέθη αξιολόγησης: Ολικός β.α.: η = Α/Γ Βαθµός υβριδοποίησης (αντ. διείσδυσης): E E ζ υ = P ' Α / Γ P KK Περιορισµοί: Μέγιστος νεκρός χρόνος 8 ηµέρες ετησίως Ίσο αρχικό και τελικό απόθεµα Η2 ζυ (0,2)
Στοιχείο Εισόδου: Προφίλ ταχύτητας ανέµου και ιάγραµµα κατανοµής συχνότητας ταχύτητας ανέµου
ιακύµανση αποθέµατος Η2 στη διάρκεια του χρόνου Πο σ ό τητα Η2 [kg] 2500 2000 1500 1000 500 Χω ρητικότητα δεξαµενής 2200 kg Άνω όριο 95% Κάτω όριο 5% 0 1/1 31/1 1/3 31/3 30/4 30/5 29/6 29/7 28/8 27/9 27/10 26/11 26/12 Ηµεροµηνία
«Απευθείας δίκτυο» Πλήρης δεξαµενή Η2 Προφίλ τελικής αποδιδόµενης ισχύος στο εξωτερικό δίκτυο Κυψέλη καυσίµου Παροχή ισχύος µε την προϋπόθεση ότι το δίκτυο είναι µη κορεσµένο Συντελεστής διακύµανσης ισχύος (CoV): Α/Γ: 44% Α/Γ + Κ/Κ: 19% Α/Γ + Κ/Κ χωρίς εξάρσεις: 6%
4 Αποτελέσµατα (Ενεργειακή, Οικονοµική Αποτίµηση) TEE/ΤΚ Θ Λάρισα, 2007-12-1
Περίληψη ενεργειακής αξιολόγησης Α/Γ [kw] 250 600 1250 ζ υ [-] 0 2 0 2 0 2 Τύπος ΚΚ PEM MCFC SOFC+ συµπαρ. MCFC Αποθήκευση H 2 ch 2 ch 2 ch 2 lh 2 ch 2 lh 2 P KK [kw] 42 30 128 88 400 380 185 180 P' A/Γ [kw] 0 60 0 176 0 0 370 360 Μέγεθος Η/Λ [kw] 250 250 600 440 1,250 1,250 800 800 Mέσο απόθεµα H 2 [kg] 1 071 644 2 209 1 062 3 592 4 025 1 546 1 621 E Α/Γ [MWh] 973 2 343 4 864 E [MWh] 368 505 1 121 1 489 3 504 3 328 3 131 3 029 η [-] 37,8 51.9 47,8 63,5 72,0 68,4 64,4 62,3
250 kw 600 kw ιαστασιολόγηση συσκευών σε συνάρτηση µε το ζητούµενο βαθµό υβριδοποίησης και παράµετρο το µέγεθος Α/Γ (a) (b) 1250 kw (c)
Ελάχιστη κοστολόγηση για κερδοφορία Τιµή πώλησης ενέργειας υπό σταθερή ισχύ [ /kwh] 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 ζυ = 0,1 ζυ = 0,5 ζυ = 1,5 250 600 1250 Ονοµαστική Ισχύς Α/Γ [kw] Περιλαµβάνονται όλα τα κόστη συσκευών, πάγια κόστη επένδυσης και κόστη συντήρησης για µια 15ετία. Ελάχιστο εσωτερικό επιτόκιο απόδοσης για κερδοφορία: 7,43% Υπόθεση διαφορετικής τιµολόγησης Κλάδος απευθείας: 0,07973 /kwh Κλάδος Κ/Κ: όπως στο σχήµα
Κόστος ΑΙΧΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΟΣΤΟΣ ΝΗΣΟΣ ΕΤΟΣ ΟΛΙΚΗ ΠΑΡ/ΓΗΣ (KW) (MWh) /kwh Αγαθονήσι 95 336 0,704 Αγ. Ευστράτιος 250 833 0,399 Αµοργός 2100 6835 0,308 Ανάφη 350 685 0,464 Αντικύθηρα 38 128 1,281 Αστυπάλαια 1400 4219 0,403 ονούσα 160 323 0,442 Ερεικούσσα 220 448 0,536 Θήρα 23900 74867 0,152 Ικαρία 5860 20069 0,194 Κάλυµνος - Κως 57500 238792 0,126 Κάρπαθος 6690 25209 0,246 Κύθνος 2080 5113 0,313 Λέσβος 47000 217839 0,116 Λήµνος 12300 49321 0,196 Μεγίστη 355 1465 0,582 Μήλος 7010 26527 0,205 Μύκονος 16600 62821 0,188 Οθωνοί 250 543 0,565 Πάρος 38500 131264 0,116 Πάτµος 3510 12081 0,257 Σάµος 24400 107338 0,096 Σέριφος 2000 5303 0,309 Σίφνος 3700 10394 0,244 Σκύρος 3600 13202 0,273 Σύµη 2180 8854 0,234 Σύρος 18600 89125 0,107 Χίος 33300 149635 0,083
5 Σύνοψη & Συµπεράσµατα TEE/ΤΚ Θ Λάρισα, 2007-12-1
Παρουσιάστηκε η δυνατότητα χρήσης ενός υβριδικού συστήµατος ΑΠΕ για την παροχή ενέργειας υπό ρυθµιζόµενη ισχύ στο µη διασυνδεδεµένο δίκτυο. Το αιολικό δυναµικό κατά τόπους επιτρέπει παροχή σταθερής ισχύος ~1/3 της ονοµαστικής Α/Γ για µεγάλες εγκαταστάσεις (1250 kw). ~1/4 (έως 600 kw). Σύνοψη και συµπεράσµατα Η επιλογή κατάλληλων µεγεθών επιµέρους συσκευών οδηγεί σε διαφορετικό βαθµό υβριδοποίησης. Με κατάλληλη επιλογή ζυ=0 (σταθµός βάσης ΑΗΣ). Η πλέον οικονοµική λύση απαιτεί µέγιστο Η/Λ & µικρό απόθεµα Η2. Το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας είναι τοπικά ήδη ανταγωνιστικό των συµβατικών ΑΗΣ. Για την αξιολόγηση της λειτουργίας και την απόκτηση τεχνογνωσίας προτείνεται η κατασκευή πιλοτικής µονάδας.
Ευχαριστώ για την Προσοχή σας!
Λειτουργία Α/Γ Αποδιδόµενη ισχύς στη διάρκεια του χρόνου, ιάγραµµα κατανοµής συχνότητας αποδιδόµενης ισχύος από Α/Γ
Ελάχιστη τιµολόγηση ενέργειας υβριδικού συστήµατος για κερδοφορία (IRR=7,43%) Κόστος µονάδας ενέργειας ( /kwh) (α) Κόστος µονάδας ενέργειας ( /kwh) (β) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 Σηµερινό Κόστος Αναµενόµενο κόστος Με συνήθη επιχορήγηση ηµοσίου 0 500 1000 1500 2000 2500 Μέγεθος Α/Γ (kw) Με συνεισφορά ηµοσίου 45% ως έκπτωση Σηµερινό Κόστος Αναµενόµενο κόστος 0,00 0 500 1000 1500 2000 2500 Μέγεθος Α/Γ (kw)
Οικονοµικά στοιχεία επένδυσης: Στοιχεία κόστους επένδυσης Συσκευή Μέγεθος Εκτιµώµενο κόστος σήµερα Αναµενόµενο κόστος στο µέλλον Ανεµογεννήτρια 600 kw 1100 /kw 967 /kw Μονάδα ηλεκτρόλυσης 450 kw 1500 /kw 400 /kw Συµπιεστής 59 kw 608 /kw 608 /kw Αποθήκες Η2 2200 kg 330 /kg 330 /kg Κυψέλη καυσίµου 200 kw 2000 /kw 1500 /kw Εξοπλισµός δικτύου Η2-40.000 40.000 Ηλεκτρονικός και ηλεκτρολογικός εξοπλισµός - 100.000 80.000 Ανέγερση Α/Γ 50.000 50.000 Κτιριακές εγκαταστάσεις και διαµόρφωση χώρου - 50.000 50.000 Μεταφορές και ταξίδια - 100.000 100.000 Μελέτη και επίβλεψη κατασκευής - 380.000 180.000 ιαχείριση - 0 0 Απρόβλεπτα - 60.000 60.000 Συνολικό προκύπτον κόστος επένδυσης - 3.275.000 2.380.000 Κόστος συντήρησης: Η/Λ και Κ/Κ: 243.617 /5ετία Α/Γ: 15.000 /έτος µετά τα 5 έτη
Λειτουργία Μονάδων Ηλεκτρόλυσης Καταναλισκόµενη Ισχύς [kw] 501 451 401 351 301 251 201 151 101 51 1 Από ανεµογεννήτρια Από κυψέλη καυσίµου 1/1 31/1 1/3 31/3 30/4 30/5 29/6 29/7 28/8 27/9 27/10 26/11 26/12 Ηµεροµηνία & Κυψέλης Καυσίµου Απ οδιδόµενη Ισ χ ύ ς [kw] 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Πρ ο ς δίκτυο (103 kw) Εξυπ ηρέτησ η Η/Λ+συµπιεστή 1/1 31/1 1/3 31/3 30/4 30/5 29/6 29/7 28/8 27/9 27/10 26/11 26/12 Ηµεροµηνία