Ενεργειακό ισοζύγιο υβριδικού συστήματος συλλογής ενέργειας από ΑΠΕ και αποθήκευσης αυτής σε Υδρογόνο για κτιριακές εφαρμογές

Abstract

Η παρούσα εργασία στοχεύει στον προσδιορισμό του ισοζυγίου ενέργειας σε υβριδικό σύστημα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και αποθήκευσης ενέργειας υπό την μορφή χημικής ενέργειας υδρογόνου. Πυρήνα του συστήματος απετέλεσε ένα ειδικά διαμορφωμένο κτίριο εντός του Τεχνολογικού Πάρκου Λαυρίου, συνολικής επιφάνειας 525 m2. Το σύστημα βασίστηκε στην συλλογή ενέργειας από διάταξη φωτοβολταϊκών επιφανειών και από διάταξη ανεμογεννητριών, αμφοτέρων τοποθετημένων σε μικρές αποστάσεις από το κτιρίο.Εντός του κτιρίου εγκαταστάθηκε μονάδα ηλεκτρόλυσης νερού, σύστημα αποθήκευσης του παραγόμενου υδρογόνου σε αέρια συμπιεσμένη μορφή, κυψέλη καυσίμου και καυστήρας υδρογόνου. Επιπλέον το σύστημα διαθέτει σύνδεση με το συμβατικό δίκτυο ηλεκτροδότησης παρέχοντας την δυνατότητα εισαγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατά διαστήματα ενεργειακού ελλείμματος, και εξαγωγής ενέργειας κατά διαστήματα ενεργειακού πλεονάσματος. Η λειτουργία και ο συγχρονισμός των διαφόρων συσκευών που απαρτίζουν το σύστημα ρυθμίζεται από εγκατεστημένο εντός του κτιρίου ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου. Η λογική του εγχειρήματος στηρίχθηκε στην πρωτογενή άντληση ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές, την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας εντός διαστημάτων αυξημένης παραγωγής ως χημικής ενέργειας υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης νερού και τέλος την ικανότητα αξιοποίησης της αποθηκευμένης αυτής ενέργειας κατά διαστήματα μειωμένης παραγωγής μέσω οξείδωσης του υδρογόνου σε νερό εντός της κυψέλης καυσίμου ή του καυστήρα και λήψης ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας. Η πειραματική εγκατάσταση αποτελεί προσομοίωση ενός παρομοίων διαστάσεων κτιρίου εμπορικού σκοπού (π.χ. συγκρότημα γραφείων) λαμβάνοντας υπόψιν την ισχύ των φορτίων και του μοτίβο κατανάλωσης που αυτά ακολουθούν. Ο τελικός στόχος του εγχειρήματος συνοψίζεται στην εξασφάλιση μεγαλύτερης ή έστω ίσης ενεργειακής εξαγωγής προς το συμβατικό δίκτυο ενέργειας, σε σχέση με την ενεργειακή εισαγωγή από το δίκτυο η οποία θα ζητηθεί αναπόφευκτα κατά διαστήματα ελλείμματος. Η συνθήκη αυτή καθιστά το σύστημα ως εγκατάσταση "μηδενικών εκπομπών" δηλαδή ως εγκατάσταση της οποίας η λειτουργία εξασφαλίστηκε από ενέργεια προερχόμενη από τον ήλιο και τον άνεμο και όχι από την καύση ορυκτών καυσίμων. Επιπλέον επιχειρείται η μελέτη της απόδοσης ενός συστήματος παραγωγής, αποθήκευσης και κατανάλωσης υδρογόνου εξετάζοντας τις δυνατότητες που παρέχει η συγκεκριμένη χημική ένωση ως αποθηκευτικό μέσο "πράσινης" ενέργειας και κατά συνέπεια ως ρυθμιστικό-εξισορροπητικό παράγοντα της διαλείπουσας φύσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

The objective of this thesis is the calculation of the energy equilibrum into a hybrid system powered by renewable sources of energy and using Hydrogen as energy storage form. The system was installed in a specially modified office building, occupying a total surface of 525 m3, located in the area of Lavrion Technological Park, Attica. The System was based on the primary harvest of renewable energy form an array of photovoltaic panels and an array of wind turbines, both placed nearby the building. Inside the building there was an electrolysis unit installed, a compressed hydrogen storage system, a PEM fuel cell and a hydrogen burner. Moreover the System is connected to the conventional national power grid providing thus the ability of electrical energy transfer, from and to the System. The performance and the coordination of the various compounds is regulated by a special electronic control system. The rationale of this project was based on the primary energy production from the renewable sources, which is directly used to cover contingent loads, while the excess energy is converted to H2 to be used as energy storage material and to be further applied as a green fuel to cover the building heating needs through direct combustion or to produce combined heating and electricity by means of fuel cell. Furthermore, the current thesis is a study on the efficiency of a hydrogen storage system and an investigation on the advantages which a hybrid RES-H2 system presents for future implementation.