Ενεργειακή προσομοίωση και τεχνοοικονομική μελέτη υβριδικού υδροηλεκτρικού συστήματος αφαλάτωσης και παραγωγής υδρογόνου

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας αποτελεί η ενεργειακή προσομοίωση και η τεχνοοικονομική μελέτη ενός ημιαυτόνομου υβριδικού υδροηλεκτρικού συστήματος αφαλάτωσης θαλασσινού νερού και παραγωγής υδρογόνου, ως εναλλακτική πηγή ενέργειας. Αυτό το σύστημα έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης του πόσιμου νερού με χρήση αντλησιοταμίευσης. Η μέθοδος της αφαλάτωσης του θαλασσινού νερού με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αποτελεί μια πρώτης τάξεως λύση στην εκτεταμένη ανομβρία που αντιμετωπίζουν τα άνυδρα νησιά. Επίσης, το παγκόσμιο ενδιαφέρον για το υδρογόνο ως φορέα ενέργειας έχει αυξηθεί ραγδαία τα τελευταία χρόνια, ως αποτέλεσμα της μελλοντικής μείωσης των παγκόσμιων αποθεμάτων σε πετρέλαιο και φυσικό αέριο και της περιβαλλοντικής ρύπανσης που προκαλείται από τα ορυκτά καύσιμα. Το υπό μελέτη υβριδικό σύστημα συνίσταται από δύο όμοιες μονάδες αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης και δύο επίσης όμοιες μονάδες ηλεκτρόλυσης PEM, οι οποίες τροφοδοτούνται αποκλειστικά από ένα υποσύστημα εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συγκεκριμένα Αιολικής Ενέργειας. Το υποσύστημα εκμετάλλευσης αιολικής ενέργειας αποτελείται από συστοιχία ανεμογεννητριών. Το βασικό πλεονέκτημα των μονάδων αφαλάτωσης και ηλεκτρόλυσης είναι ότι έχουν μεταβλητό σημείο λειτουργίας, γεγονός το οποίο εξυπηρετεί στην καλύτερη εκμετάλλευση της μεταβαλλόμενης αιολικής ισχύος. Το όλο σύστημα συμπληρώνεται από μία διάταξη αντλησιοταμίευσης που λειτουργεί ως μέσο αποθήκευσης του πόσιμου νερού. Μόνο η τροφοδότηση της αντλίας του αντλιοστασίου γίνεται από το τοπικό δίκτυο ηλεκτροδότησης και εκεί έγκειται ο χαρακτηρισμός όλου του συστήματος ημιαυτόνομου και όχι πλήρως αυτόνομου. Παράλληλα μπορεί να χαρακτηριστεί και υβριδικό γιατί συνδυάζει ουσιαστικά τέσσερεις (4) διαφορετικές τεχνολογίες, δηλαδή ανεμογεννήτριες, μονάδες αφαλάτωσης και μονάδες ηλεκτρόλυσης τροφοδοτούμενες από τις Α/Γ, και αντλησιοταμίευση του πόσιμου ύδατος τροφοδοτούμενη από το τοπικό δίκτυο. Βασικό μέρος της εργασίας αποτέλεσε η προσομοίωση του πλήρους συστήματος. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε υπολογιστικός κώδικας σε γλώσσα FORTRAN με χρονικό βήμα προσομοίωσης τα δέκα λεπτά και έχοντας ως δεδομένα εισόδου χρονοσειρές μετεωρολογικών δεδομένων για ένα ολόκληρο έτος. Οι εν λόγω χρονοσειρές προέρχονται από ανεμολογικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο νησί της Ίου από την 1η Σεπτεμβρίου 1999 έως την 31η Αυγούστου 2000. Ο υπολογιστικός κώδικας είναι σε θέση προσομοιώσει τη λειτουργία του συστήματος, προκαθορισμένης από τον χρήστη, διαστασιολόγησης για το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα διάρκειας ενός έτους. Επίσης, εξάγει τις τιμές διάφορων υπολογιζόμενων ενεργειακών και τεχνοοικονομικών μεγεθών, βάσει των οποίων αξιολογείται το συγκεκριμένο σύστημα. Ως παράμετροι αυτής της προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκαν κυρίως η εγκατεστημένη ισχύς ανεμογεννητριών - μονάδας αφαλάτωσης – μονάδας ηλεκτρόλυσης – αντλίας, η χωρητικότητα δεξαμενής πόσιμου νερού και ο πληθυσμός. Από την προσομοίωση του συστήματος, καταλήγουμε σε γενικά συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση των υποσυστημάτων του τόσο στη λειτουργία και την απόδοση του όσο και στη μεταξύ τους συνεργασία. Παράλληλα, αξιολογείται το κόστος παραγωγής πόσιμου νερού και H2, προτείνεται ο συνδυασμός των παραμέτρων εκείνων για τις οποίες εξασφαλίζεται πλήρης αυτονομία στην ύδρευση ενός τυπικού απομακρυσμένου νησιού, και υποδεικνύονται ορισμένοι ενδεικτικοί τρόποι αξιοποίησης του υδρογόνου, ως εναλλακτικό καύσιμο. Τέλος, εξετάζεται αν και υπό ποιες προϋποθέσεις, η εφαρμογή ενός τέτοιου συστήματος, αποτελεί μια λειτουργικά και οικονομικά βιώσιμη λύση για τις περιοχές που πλήττονται από λειψυδρία.

The subject of this diploma thesis refers to the energy simulation and the technoeconomical study of an semiautonomous hybrid hydroelectric system for water desalination and hydrogen production, to be used as an alternative energy source. This system is capable of storing the produced water using a pumped-storage subsystem. Desalinating seawater using renewable energy sources is an excellent solution for the waterless islands that face an extended drought. In addition, as a result of the future reduction of the global oil and gas reserve and of the environmental pollution produced by fossil fuels, there is lately an abrupt increase in the worldwide interest in hydrogen as an energy carrier. The considered hybrid system consists of two similar reverse osmosis desalination units and two other similar PEM electrolysers. These units are powered exclusively by one subsystem which exploits renewable energy sources, in particular Wind Energy. This subsystem consists of a series of wind turbines. The fact that the desalination and electrolysis units use a flexible operating point is their main advantage, fact that helps the subsystems to utilize the fluctuating wind power more efficiently. The whole system is complimented by a pumped-storage arrangement, which works as means of water storage. Only the pumps are supplied by the local electricity grid, and that is the reason why the system is described as semiautonomous, and not fully autonomous. In addition, this system can also be characterized as hybrid, because of the combination of four (4) different technologies, namely wind turbines, desalination units, electrolysers and pumped-storage. The simulation of the whole system constituted a fundamental part of this thesis. To this effect, a computational code was developed using FORTRAN. This program uses a time step of 10 minutes and, as input data, timeseries of meteorological data during a whole year. These timeseries come from wind measurements conducted on Ios Island from September 1st 1999 to August 31st 2000. The numerical code is capable of simulating the function of the whole system for one year, which has specific dimensioning defined by user. Furthermore, it exports the rates of different energy and technoeconomical values, which are used to evaluate the specific system. The main parameters used in this simulation were the installed power of wind turbines – desalination units – electrolysis units – pumps, the capacity of the potable water reservoir and the population. By simulating this system, we reach in general conclusions as far as how the subsystems affect, not only its function and efficiency, but also the collaboration among them. In the same time, we estimate the cost of the produced drinkable water and hydrogen, we present the parameter combination for a typical remote island to be totally water sufficient and autonomous, and we indicate some suggestive ways for hydrogen exploitation, as an alternative fuel. In the end, it is being studied if and under which circumstances the application of a system like this represents a viable solution for the arid regions, both functional and economical.