Μελέτη της συμβολής τεχνολογιών υδρογόνου στη βελτίωση της ποιότητας ισχύος αιολικού πάρκου διασυνδεδεμένου στο δίκτυο και στην αποθήκευση ενέργειας υβριδικού σταθμού παραγωγής

Abstract

Οι τεχνολογίες υδρογόνου αποτελούν μια εναλλακτική δυνατότητα υπό εξέταση για την επίλυση των σύγχρονων ενεργειακών προβλημάτων. Η ηλεκτρόλυση μπορεί να παράξει υδρογόνο κατάλληλης καθαρότητας ώστε να αξιοποιηθεί από κυψέλες καυσίμου και ο συνδυασμός τους με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας συνιστούν αντικείμενο διερεύνησης διεθνώς. Με τη ραγδαία ανάπτυξη των αιολικών πάρκων στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, ο συνδυασμός ανεμογεννητριών και ηλεκτρολυτών προσελκύει σημαντικό ενδιαφέρον. Η αυξανόμενη διείσδυση αιολικής ενέργειας συνοδεύεται με την επίλυση προβλημάτων στην ποιότητα της αποδιδόμενης ισχύος προς το δίκτυο. Σε περιπτώσεις υψηλής διακύμανσης του ανέμου και γρήγορων μεταβολών στην ταχύτητά του, η ισχύς εξόδου ενός αιολικού πάρκου και η τάση στο σημείο σύνδεσης μπορεί να εμφανίσουν σημαντικές διακυμάνσεις, με αποτέλεσμα να πρέπει να εξετασθεί η δυνατότητα αξιοποίησης της αιολικής ενέργειας. Ειδικότερα σε απομονωμένα δίκτυα ή/και σε περιπτώσεις πολύ υψηλής διείσδυσης αιολικής ενέργειας, καθίσταται σοβαρότερης σημασίας η εξομάλυνση της αποδιδόμενης ισχύος στο δίκτυο. Η παρούσα εργασία προτείνει μία μέθοδο για την εξομάλυνση της ισχύος εξόδου ενός αιολικού πάρκου (Α/Π), χρησιμοποιώντας γεννήτρια παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού. Για να επιτευχθεί κατάλληλη εξομάλυνση προσδιορίζεται η ισχύς εξόδου αναφοράς, η οποία προσφέρεται στο δίκτυο, ενώ η υπόλοιπη ισχύς απορροφάται από τους ηλεκτρολύτες της γεννήτριας υδρογόνου. Για τον υπολογισμό της ισχύος αναφοράς υιοθετείται η μέθοδος του κινούμενου εκθετικού μέσου. Επίσης αναπτύσσεται κατάλληλη στρατηγική διαχείρισης της γεννήτριας υδρογόνου που επιδιώκει τόσο την ελαχιστοποίηση των διακυμάνσεων της αποδιδόμενης ισχύος στο δίκτυο όσο και την επέκταση ζωής των ηλεκτρολυτών. Η προσομοίωση του συστήματος αναπτύχθηκε σε περιβάλλον λογισμικού Matlab/Simulink. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόσθηκε στη διερεύνηση των επιπτώσεων εγκατάστασης υβριδικού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε μη διασυνδεδεμένο νησιωτικό σύστημα που περιλαμβάνει συμβατικές μονάδες παραγωγής. Στόχος είναι να συγκριθούν διαφορετικές τεχνολογικές λύσεις ώστε να επιτευχθεί κατά το δυνατόν απεξάρτηση από τις συμβατικές μονάδες παραγωγής με ταυτόχρονη διείσδυση συστημάτων παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) και επικουρικών συστημάτων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούν τεχνολογίες υδρογόνου. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το νησιωτικό σύστημα του Αγ. Ευστρατίου του νομού Λέσβου. Η τεχνικοοικονομική αποτίμηση των εναλλακτικών τοπολογιών βασίζεται στο λογισμικό HOMER.

Hydrogen technologies constitute nowadays an attractive possibility under consideration to solve energy problems. Water electrolysis enables production of hydrogen sufficiently pure to be implemented in fuel cells and their combination with renewable energy sources is a preferential research subject internationally. Due to the fast penetration of wind energy in the modern power systems, the combination of wind generators and electrolyzers acquires important interest. The important integration of wind energy raises problems of power quality to be solved. In cases of high fluctuations of wind and abrupt changes in its speed, the power output of a wind park and the voltage at the interconnection point present also fluctuations. Therefore, the problem of the integration of wind systems in the grid necessitates investigation. Especially in cases of isolated grids or/and very high penetration of wind energy in the grid, the need of wind power conditioning is of crucial importance. The present work proposes a methodology for minimizing the output power fluctuations of a wind farm (WF) connected to the grid, using a hydrogen generator with multiple electrolyzers. In order to achieve appropriate power quality, the reference power to be delivered to the grid is determined. The remaining power produced is consumed by the hydrogen generator. The calculation of the power reference value is based on the method of the exponential moving average (EMA). Moreover, a particular strategy is developed managing the operation of the hydrogen generator achieving a compromise in the minimization of power fluctuations and the life extension of the electrolyzers. The system modelling has been developed in the software environment of Matlab/Simulink. The developed methodology has been applied to investigate the impact of a hybrid station integration, in the case of an isolated island system incorporating diesel generators. The objective is to consider different technical solutions enabling minimization of the use of diesel generators through penetration of renewable energy sources combined to hydrogen energy storage systems. The system data implemented correspond to the island Agios Eystratios of Lesvos prefecture. The technical and economical investigation is based on HOMER software.