Μοντελοποίηση ένταξης και λειτουργίας υβριδικού υδροηλεκτρικού σταθμού με αντλησιοταμίευση αιολικής και φωτοβολταϊκής παραγωγής σε μη - διασυνδεδεμένο δίκτυο. Διερεύνηση επίδρασης του σχεδιασμού του σταθμού στα ενεργειακά και οικονομικά του αποτελέσματα

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η λειτουργία υβριδικού σταθμού παραγωγής ενέργειας στο μη διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό σύστημα του νησιού της Λέσβου. Tα μη διασυνδεδεμένα νησιά βασίζονται για την ηλεκτροδότησή τους σε Αυτόνομους Σταθμούς Παραγωγής (ΑΣΠ) οι οποίοι χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος παραγόμενης ενέργειας και σημαντική περιβαλλοντική επιβάρυνση. Ταυτόχρονα, η διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) συναντά εμπόδια λόγω επιβαλλόμενων περιορισμών για την εξασφάλιση της σταθερότητας των τοπικών ηλεκτρικών δικτύων, με αποτέλεσμα την απόρριψη σημαντικών ποσοτήτων ενέργειας. Το συγκεκριμένο σύστημα που μελετάται στοχεύει στην επίλυση των παραπάνω προβλημάτων. Αποτελείται αποκλειστικά από τεχνολογίες εκμετάλλευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και συγκεκριμένα από ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκές συστοιχίες, καθώς επίσης και από διάταξη αντλησιοταμίευσης που λειτουργεί ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας. Σημαντικό στοιχείο αποτελεί το γεγονός ότι η παραγόμενη από τις ΑΠΕ ενέργεια προωθείται κατά προτεραιότητα στο αντλιοστάσιο του σταθμού και η περίσσεια αυτού μπορεί υπό συνθήκες να δοθεί απευθείας στο δίκτυο. Η προσομοίωση της λειτουργίας του σταθμού επιτυγχάνεται με χρήση προϋπάρχοντος υπολογιστικού αλγόριθμου, ο οποίος τροποποιήθηκε κατάλληλα. Έτσι λοιπόν, με δεδομένα εισόδου μετεωρολογικές χρονοσειρές και δεδομένα για τη ζήτηση και τις υπάρχουσες μονάδες παραγωγής ενέργειας του νησιού και έχοντας δεκάλεπτο χρονικό βήμα προσομοίωσης, ο αλγόριθμος δύναται να προσομοιώσει τη λειτουργία του σταθμού συγκεκριμένης διαστασιολόγησης των βασικών παραμέτρων του (ισχύς υδροστρόβιλων, αντλιοστασίου, ανεμογεννητριών και φωτοβολταϊκών και μέγεθος άνω ταμιευτήρα) για χρονική διάρκεια ενός έτους. Εξάγει ενεργειακά και οικονομικά αποτελέσματα, βάσει των οποίων πραγματοποιείται η συνολική αξιολόγηση του έργου. Από τη συγκεκριμένη προσομοίωση και με παραμετρική μελέτη των βασικών συνιστωσών ενός σταθμού αναφοράς, καταλήγουμε σε γενικά συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση που αυτές ασκούν τόσο στη συνολική λειτουργία όσο και μεταξύ τους. Τέλος, και με σκοπό τον υπολογισμό του βέλτιστου συνδυασμού των παραπάνω παραμέτρων, πραγματοποιείται ενεργειακή και οικονομική βελτιστοποίηση με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού. Έτσι, προκύπτουν βέλτιστοι συνδυασμοί για διάφορα μεγέθη σταθμών, οι οποίοι μελετώνται ως προς την οικονομική τους βιωσιμότητα σαν επενδύσεις, καθώς επίσης και για την ενεργειακή τους προσφορά στο σύστημα. Ξεχωριστή σημασία δίνεται στην παράμετρο της τιμής του κόστους εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών. Μετά από μελέτη αποδεικνύεται ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία καθίσταται ανταγωνιστική των αιολικών για τιμή 2000 €/kW, σενάριο που θεωρείται πολύ πιθανό και άμεσα πραγματοποιήσιμο στο εγγύς μέλλον, κρίνοντας από τις σημερινές τάσεις της αγοράς.

The present diploma thesis examines the operation of a hybrid energy station in the non-interconnected Greek island of Lesvos. Τhe electrification in the non-interconnected islands is chiefly based on Autonomous Power Stations (APS) which are characterized by high electricity production cost together with significant environmental affection. At the same time the contribution of Renewable Energy Sources (RES) is largely restricted due to electrical grid limitations, which are imposed in order to ensure the stability of the local network, and, consequently, significant energy amounts are rejected. The system considered in the present study aims to resolve the problems mentioned above. It consists exclusively of hybrid technologies of renewable energy sources; specifically, wind turbines and photovoltaic arrays, along with a pumped-storage subsystem as a means of energy storage. What is important at this stage is the fact that the energy produced by the RES is primarily launched to the pumps of the station, while the rest of it is given directly to the grid, under specific conditions. The numerical simulation of the operation of the hybrid station is achieved by using an already existing calculating code, which was properly modified. Having as input meteorological series and data of the energy demand and the existing energy units of the island and using a ten - minutes time step, the code is able to simulate the operation station with any specific dimensioning of its basic parameters for a period of one year. The basic design parameters of the system are the installed capacity of the hydro turbines, the pumps, the wind and the photovoltaic park and the size of the upper reservoir. The code exports energy and economical results, which are used in order to evaluate the total project. From the simulation of the system and after a parametrical analysis of a reference station, we come to some general conclusions about the effect that the main components of the station exercise in the general operation of the system, as well as with each other. Finally, and in order to come up to the best combination of the system’s design parameters, the system is being optimized to specific energy and economic targets by using appropriate software. The optimization is carried out for various size stations, which are examined for their economic viability, along with their energy contribution to the system. Another parameter worth noticing is that of cost; photovoltaic systems, at a price of 2000 € / kW, compete with wind ones. This scenario is considered possible and realistic for the near future, judging by current trends.