Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) Εισαγωγή
Τι είναι τα ΣΗΕ;
Σχηματική παράσταση (μονογραμμικό διάγραμμα) Φορτίο Γεννήτρια Γεννήτρια
Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας Εξοπλισμός (συνιστώσες) Ηλεκτρικές Μηχανές, Μετασχηματιστές, Εγκαταστάσεις Υψηλής Τάσεως Ροή Ζ Σύστημα (συνισταμένη) Ανάλυση, οικονομική λειτουργία, ασφάλεια, κλπ. Ροή Ε Τριφασικό σύστημα εναλλασσομένου ρεύματος (AC) 50 Hz (Ευρώπη) ή 60 Hz (Αμερική, Ιαπωνία) Εκτός εξαιρέσεων...
400kV/275kV Μετασχηματιστής (National Grid)
Υποσταθμός ΥΤ/ΥΥΤ
Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας Παραγωγή Γεννήτριες (σύγχρονες μηχανές) Συμβατικές Από ανανεώσιμες πηγές Μεταφορά Υψηλή (>66 kv) και υπερυψηλή (>220 kv) τάση Εξωτερικές διασυνδέσεις Εθνικές Ηπειρωτικές (π.χ. Ευρώπη, Β. Αμερική, κλπ)
Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας ιανομή Μέση (>6 kv) και χαμηλή τάση Αξιοποίηση Κινητήρες (επαγωγής) Βιομηχανικά ίκτυα Οικιακοί - Εμπορικοί καταναλωτές
ΣΗΕ ως Τεχνική Πρόκληση Όλος ο εξοπλισμός που λειτουργεί (Π-Μ- -Α) είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένος «Η μεγαλύτερη μηχανή που έχει κατασκευάσει ο άνθρωπος» Η ενέργεια καταναλώνεται τη χρονική στιγμή της ζήτησης Αδυναμία αποθήκευσης (υψηλό κόστος) Απαίτηση για Αξιοπιστία και Ασφάλεια Τροφοδοσίας
φόρτωση μετασχηματιστή
oops!
Οριακές καταστάσεις Συνεχής αύξηση ζήτησης Εκτός περιόδου κρίσεων! υσκολίες νέων έργων Σταθμοί παραγωγής Εκπομπές CO 2 (φαινόμενο θερμοκηπίου) Έργα μεταφοράς Οικιστικοί και περιβαλλοντικοί περιορισμοί Χρηματοδότηση Λειτουργία στο όριο ασφάλειας Περιορισμός περιθωρίων και εφεδρειών Blackout
Αποστάσεις ασφαλείας γραμμών μεταφοράς
Χειμώνας 2002, Quebec, Καναδάς
3 Feb 2003: Bihar, Ινδία
Διαδοχική απώλεια γραμμών (N. American blackout 14-8-2003) Flows (MW) 1600 1200 800 Harding - Chamberlin Hanna - Juniper Star - South Canton Sammis - Star East Lake 5 Trip Hanna - Juniper Line Trip Sammis - Star Line Trip Star - South Canton Line Trip 400 Harding - Chamberlin Line Trip 0 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Time - EDT
Case 1: All Lines In-Service 3,000 MW transfer 500 MW per line Voltage is 100% of rated voltage East generator is below 1,200 MVAR limit.
Case 2: One Line Out 3,000 MW transfer 600 MW per line Voltage is 100% of rated voltage East generator is below 1,200 MVAR limit.
Case 3: Two Lines Out 3,000 MW transfer 750 MW per line Voltage is 100% of rated East generator is at 1,200 MVAR limit.
Case 4: Three Lines Out 3,000 MW transfer 1,000 MW per line Voltage is only 99% of rated East generator is at 1,200 MVAR limit.
Case 5: Four Lines Out 3,000 MW transfer 1, 500 MW per line Voltage has dropped to 97% of rated voltage (957 MVARs required by lines). East generator is at 1,200 MVAR limit.
Case 6: Five Lines Out System Collapse This simulation could not solve the case of 3,000 MW transfer with five lines out. Numbers shown are from the model s last attempt to solve. The West generator s unlimited supply of VARs is still not sufficient to maintain the voltage at the East bus.
Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Συμβατικοί Σταθμοί Ατμοηλεκτρικοί (ΑΗΣ) Ορυκτά καύσιμα (στερεά, υγρά, αέρια) Πυρηνικοί Μηχανές Εσωτερικής Καύσεως Diesel Αεριοστρόβιλοι Συνδυασμένου κύκλου (αεριοστρόβιλοι και ατμοστρόβιλοι) Υδροηλεκτρικοί (ΥΗΣ) Με φράγμα (ταμιευτήρα) Αντλητικοί
Ατμοηλεκτρικός Σταθμός Παραγωγής (ΑΗΣ)
στάτης γεννήτριας 660MW
Δρομέας γεννήτριας 200MW
στάτης γεννήτριας ΥΗΣ
δρομέας γεννήτριας ΥΗΣ
Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού Αύξηση βαθμού απόδοσης Σταθμοί από ανανεώσιμες πηγές Αιολικά πάρκα Ηλιακοί σταθμοί Φωτοβολταϊκά Μικρά Υδροηλεκτρικά Ροής ποταμού Παλίρροια, κύματα, κλπ
Δίκτυα Μεταφοράς Η. Ε. Υπερυψηλή τάση Από 220 έως 750 kv Εναέριες τριφασικές γραμμές σε πυλώνες Υψηλή τάση Από 66 έως 220 kv Εναέριες γραμμές ή υπόγεια καλώδια ιασύνδεση με Συνεχές Ρεύμα (DC) Μεταξύ συστημάτων (εναέριες γραμμές ή καλώδια) Με νησιά (υποβρύχιες ζεύξεις)
Γραμμή μεταφοράς ΥΥΤ
Υποσταθμός Μεταφοράς
διακόπτες ισχύος
Μεταφορά με συνεχές: Φίλτρο AC
Μεταφορά με συνεχές: Φίλτρο DC
Σταθμός Μετατροπής AC/DC Ελλάδας Ιταλίας (GRITA): Διπλοί μετρητές ισχύος Μ/Σ τάσεως Μ/Σ εντάσεως
TO ITALY AG.VASILEIOS II KERKYRA I MESOGGI BI STRICA IGOUMENITSA MOURTOS A DOLIANA VI.PE. PREVEZAS ELBASAN I KANALAKI LEFKADA ARGOSTOLI LOUROS METSOVITIKO GI ANNENA A A AKTIO ZAKYNTHOS II PI GES AOOU KASTORIA AMFILOCHIA FLORINA ORYCHEIO GREVENA MESOCHORA ARACHTOS C. I STRATOS BI TOLA SYKIA KASTRAKI A KALAMPAKA POURNARI II TRICHONIDA AI TOLIKO VI.PE PATRAS LAPA LECHAINA PYRGOS FLORINA C. AGRAS A AMYNTAIO C. A KOZANI I TRIKALA N.PLASTIRA II KREMASTA ACHELOOS C. I ILARIONAS ELASONA II KARPENISI EDESSAI OS N. PELLA A SKYDRA NAOUSA VEROIA NEGOTINO OSE POLYKASTROU ASOMATA SFIKIA ALEXANDRIA MAKROCHORI POLYPHYTO EL.ET.EX.M. KATERINI TRIKALA C. SERVIA PLATAMONAS VOUNAINA KARDITSA SOFADES GKIONA NAFPAKTOS IV TSIM. PATRAS A AIGIO A LADONAS II KYPARISSIA PYLOS III III FARSALA LEONTARI LIANOKLADI MEGALOPOLI I KALAMATA LAMIA A I II AGIA KILKIS LARISA IV CHAL. THESSALI AS LARISA C. A I A DOMOKOS AMFISSA SPARTI II ST EFANOVI KI AMFIKLEIA ALOUMINI O TRIPOLI POLYKASTRO XYLOKASTRO SCHOLARI VI VI.PE. VOLOU ALMYROS ELSI STYLIDA KAMENA VOURLA DISTOMO C. VELO ASTROS SPARTI I SKALA A METAL. CHALYPS II A VOLOS II ACHLADI ATALANTI LEIVADIA ARGOS I SIDIROKASTRO KASSANDRA TS.VOLOU VAVDOS LAFKOS AI DIPSOS LARYMNA C. KOPAIDA MOUDANIA LARYMNA THIVA LARKO ELEFSINA MEGARA AG. THEODOROI KORINTHOS MOLAOI METHANA KRANIDI ILIKI BLAGOEVGRAD SERRES AMFI POLI A STAGEIRA SKIATHOS EAV ELVAL MANTOUDI SALAMINA NIKITI PSACHNA CHALKIDA II I TSIM. CHALKIDAS SKIMATARI OINOFYTA NEVROKOPI A DRAMA CHART. DRAMAS ERETRIA KALAMOS A FILIPPOI C. ALIVERI MILAKI N. MAKRI MARKOPOULO LAVRIO THISAVROS KAVALA PLATANOVRISI TEMENOS FOSFORIKA EPVA KARYSTOS PARANESTI ZARKADIA KERAMOTI MILOS SYROS SIFNOS XANTHI ANDROS IASMOS TINOS A PAROS KOMOTINI A KOMOTINI C. MYKONOS NAXOS PROVATONAS ALEXANDROUPOLI ORESTI ADA KALLONI DIDYMOTEICHO MYTILINI AG. IOANNIS SAMOS KOS MASTICHARI Ελληνικό Διασυνδεδεμένο ΣΗΕ H E L L E N I C E L E C T R I C P O W E R S Y S T E M KERKYRA I. I O N I O P E L A G O S 1 9 9 7 A L B A N I A LEFKADA I. KEFALONIA I. ZAKYNTHOS I. F Y R O M PATRA III PTOLEMAIDA KARDIA AREA PELOPONNESE THESSALONIKI AREA SKIATHOS I. ATHINA AREA B U L G A R I A EVVOIA I. MILOS I. A I G A I O P E L A G O S ANDROS I. SIFNOS I. SYROS I. TINOS I. PAROS I. MYKONOS I. LESVOS I. NAXOS I. T U R K E Y SAMOS I. KOS I. Εγκατεστημένη Ισχύς: 12.000 ΜW Αιχμή φορτίου (καλοκαίρι Α/C) 2003: 9.100 ΜW 2004: 9.300 ΜW (blackout) 2005: 9.700 ΜW 2006: 9.960 ΜW 2007: 10.700 MW 2008: 10.550 MW 2009: 9.830 MW 2010: 9.850 MW (οικ. κρίση)
H Ηπειρωτική Ευρωπαϊκή Διασύνδεση (UCTE)
Διασυνδέσεις και Προβλήματα Οι διασυνδέσεις προσφέρουν ασφάλεια και αξιοπιστία Ετεροχρονισμός φορτίων Αλληλοϋποστήριξη στη διάρκεια απωλειών παραγωγής ή φορτίου Ενιαία συχνότητα Συνεχής αύξηση μεγέθους Ηπειρωτικές ιασυνδέσεις Ευρώπη Β. Αμερική Φθάσαμε στο «κρίσιμο» μέγεθος; Αλληλεπιδράσεις εκτός (;) ελέγχου
Ανεξέλεγκτες ροές: Μεταφορά 100 ΜW από Βέλγιο σε Ιταλία
Ταλαντώσεις Ισχύος μετά από απώλεια καλωδίου ΣΡ (GR-ITA)
Ταλαντώσεις συχνότητας
Διαφορά φάσεως τάσεων Ελλάδας-Ελβετίας (GIS)
ιακοπή (blackout) 12ης Ιουλίου 2004 Απώλεια παραγωγής στο Λαύριο (300 ΜW) Χαμηλές τάσεις σε Αττική και Στ. Ελλάδα Ξαφνική απώλεια γεννήτριας Αλιβερίου Κατάρρευση τάσεων Αποχωρισμός και σβέση Νοτίου Συστήματος Αναντιστοιχία παραγωγής-φορτίου
Δίκτυα διανομής Μέση τάση Εναέρια (σε ξύλινους στύλους) ή υπόγεια Από 6 μέχρι 66 kv Χαμηλή τάση Εναέρια (5 αγωγοί) ή υπόγεια 380 V (220 V φασική) Ευρώπη 190 V (110 V φασική) Β. Αμερική
Γραμμή 33kV
Εναερίτες επί το έργον
Συνήθης βλάβη...
...και επισκευή hurry up, I can t hold it much longer!
Χρήσιμες Ιστοσελίδες Μαθήματος http://ecourses.dbnet.ntua.gr/14939.html ΕΣΜΗΕ ιαχειριστής Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Η. Ε. http://www.desmie.gr ΕΗ ημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού Α. Ε. http://www.dei.gr ΡΑΕ Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας http://www.rae.gr
Ο αιώνας του εξηλεκτρισμού 1880-1990
Οι πρωτοπόροι Thomas Edison Λαμπτήρας πυρακτώσεως Πρώτος σταθμός παραγωγής (DC) Nikola Tesla Κινητήρας επαγωγής George Westinghouse Σύστημα μεταφοράς AC
Η ιδεολογική διάσταση Samuel Insull (λογιστής του Edison): Pyramids of Power Κάθετα οργανωμένες επιχειρήσεις Η καπιταλιστική ολοκλήρωση Το πρώτο κραχ Η εξίσωση του Β. Ι. Λένιν: Σοσιαλισμός = Σοβιέτ + Εξηλεκτρισμός
Συνεχές ή εναλλασσόμενο; Συνεχές (Edison): Μικρά, τοπικά συστήματα χωρίς μεταφορά Εύκολη αξιοποίηση (μηχανές DC) Κόστος, αξιοπιστία Εναλλασσόμενο (Westinghouse): ιασυνδεδεμένες Ηλεκτρικές Εταιρίες Παραγωγή (ρύπανση) μακριά από κατανάλωση (κατοικία) Τριφασικοί κινητήρες επαγωγής (Tesla) Μικρότερο κόστος παραγωγής, μεγαλύτερη αξιοπιστία
Η καθετοποιημένη επιχείρηση ημόσια Επιχείρηση Κοινής Ωφέλειας Ευρώπη Ελεγχόμενο τοπικό Μονοπώλιο Β. Αμερική Βελτιστοποιεί σχεδιασμό και λειτουργία Παραγωγής-Μεταφοράς- ιανομής Υποχρέωση ασφαλούς τροφοδοσίας Κεντρικά ελεγχόμενο τιμολόγιο Κεντρικός Έλεγχος ΣΗΕ
Το τέλος του εξηλεκτρισμού Οι μεγάλες επενδύσεις έχουν ήδη γίνει Μεγάλοι ΥΗΣ, Πυρηνικά (Στις προηγμένες χώρες) Η τεχνολογία επιτρέπει μικρούς ευέλικτους σταθμούς Μέχρι 500 MW Συνδυασμένος κύκλος με φυσικό αέριο Άνοιγμα στον ανταγωνισμό «Νέα Εποχή»
Απορύθμιση, ανα-ρύθμιση, απελευθέρωση, αναδόμηση... Άνοιγμα αγοράς Ηλεκτρικής ενέργειας Χιλή (1980), ΗΒ (1985), ΗΠΑ (1990), ΕΕ (1999), Ελλάδα (2001) Αναδιοργάνωση Ηλεκτρικών Επιχειρήσεων Χωρισμός Π-Μ- Ανεξάρτητος ιαχειριστής Συστήματος Έλεγχος Λειτουργίας Ρυθμιστική Αρχή Έλεγχος κανόνων
Στην Ελλάδα ΕΗ Α.Ε.(http://www.dei.gr/) Λογιστικός διαχωρισμός Παραγωγής, Μεταφοράς, ιανομής, Ορυχείων ιατηρεί ιδιοκτησία Ιδιωτική επιχείρηση Ελεγχόμενα τιμολόγια λόγω δεσπόζουσας θέσης ΕΣΜΗΕ Α.Ε. (http://www.desmie.gr/) ιαχειριστής Εθνικού Συστήματος Μεταφοράς ΕΚΟ (51% ημόσιο, 49% Παραγωγοί) ΡΑΕ (http://www.rae.gr/) Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας Ελέγχει την εφαρμογή των κανόνων
Επενδύσεις (;) Ιδιώτες παραγωγοί (συμβατικοί σταθμοί) ΕΝΘΕΣ, Endesa, ΗΡΩΝ, Θίσβη (Συνδυασμένου κύκλου) Προσφέρουν στην αγορά όπως και η ΕΗ παρ. Τιμή kwh καθορίζεται από το ΕΣΜΗΕ συναρτήσει των προσφορών Παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές 1000 ΜW αιολικών στην Εύβοια, Θράκη, Πελ/σο, Κρήτη και νησιά + Φ/Β Απορροφώνται κατά προτεραιότητα εν μετέχουν στην αγορά Το επιπλέον κόστος (επιδότηση) επιβαρύνει τους καταναλωτές (πράσινο τέλος)
Στοιχεία πρώτης αποτίμησης Η απελευθέρωση της αγοράς αλλού μείωσε αλλού αύξησε την τιμή της kwh ΗΒ (μείωση) California (αύξηση, καθαίρεση G. Davis) Παρατηρείται σταδιακή υποβάθμιση της αξιοπιστίας και ασφάλειας υσκολία για ιδιωτικές επενδύσεις Στην παραγωγή (Ελλάδα, Ιταλία) Στη μεταφορά (παντού)
Στοιχεία αποτίμησης... Πρόσφατα blackout: Ιταλία (Ιουν. 2003, Σεπτ. 2003) Β. Αμερική (Ιουλ. 1996, Αυγ. 1996, Αυγ. 2003) Λονδίνο (Αυγ. 2003) ανία-σουηδία (Σεπτ. 2003) Αθήνα (Ιούλιος 2004) Ανάγκη για διατήρηση επιπέδου ασφάλειας και χαμηλών τιμών Ριζικές αλλαγές, αλλά προς τα πού;
Η Μεγάλη Πρόκληση Αντιμετώπιση Κλιματικής Αλλαγής χωρίς περιορισμό της ανάπτυξης Ευρώπη, Αμερική, Ιαπωνία Ινδία, Κίνα, Βραζιλία Πρωτόκολλο Kyoto (2012) Σύστημα ικαιωμάτων Εκπομπών Εμπόριο Ρύπων ΕΕ: Μετά το Kyoto στόχοι ΕΕ 2020: 20% από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 20% Περιορισμός εκπομπών CO 2 20% Εξοικονόμηση ενέργειας
Μια ματιά στο μέλλον Συνεχής έλεγχος ασφάλειας λειτουργίας με προηγμένες τεχνικές Η/Υ ιασπορά παραγωγής Κυψέλες καυσίμου (Η 2, φυσικό αέριο) Μικροτουρμπίνες (φυσικό αέριο) Ανανεώσιμα (φωτοβολταϊκά, αιολικά) Σύνδεση στο δίκτυο διανομής Με ηλεκτρονικά ισχύος (DC/AC) Κοντά στα φορτία Μείωση εξάρτησης από μεταφορά και μεγάλη παραγωγή
Επόμενα βήματα... Απελευθέρωση διανομής Επιλογή προμηθευτή Επιλογή επιπέδου αξιοπιστίας (ασφάλιστρα τροφοδοσίας) Επιλογή τιμολογίου on-line ιαχείριση οικιακής εγκατάστασης από Η/Υ Μικρά, τοπικά, χαλαρά συνδεδεμένα συστήματα Ευέλικτες διασυνδέσεις DC/AC Smart Grids
Μήπως τελικά είχε δίκιο ο Edison;