Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια. Σχεδιασμός εγκατάστασης συλλεκτών παραβολικής σκάφης για την υβριδοποίηση του ΑΗΣ της περιοχής Σορωνής Ρόδου

Abstract

Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας άρχισε να ερευνάται και να αναπτύσσεται ήδη από τα μέσα της δεκαετίας του 1970. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 άρχισε να βρίσκει εμπορική εφαρμογή στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ και να προτάσσεται ως αξιόπιστη λύση για την ηλεκτροπαραγωγή. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι μπορεί να ενσωματωθεί σε ήδη υπάρχοντες θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, οι οποίοι λειτουργούν με συμβατικά καύσιμα, και να καταστήσει τη λειτουργία τους υβριδική, εκτοπίζοντας σημαντικές ποσότητες καυσίμου, και αντικαθιστώντας τις με θερμότητα προερχόμενη από ανανεώσιμη πηγή, όπως είναι η ηλιακή. Με τον τρόπο αυτό δεν απαιτείται η εγκατάσταση νέων σταθμών που να εκμεταλλεύονται την τεχνολογία, αλλά μπορούν να αξιοποιηθούν οι ήδη υπάρχοντες, γεγονός που προσφέρει ευελιξία στην ηλεκτροπαραγωγή και μειώνει το συνολικό κόστος. Η ευρύτερα διαδεδομένη διάταξη συγκέντρωσης της ηλιακής ενέργειας είναι οι συλλέκτες παραβολικής σκάφης. Το 96,5% της παγκόσμιας ηλεκτροπαραγωγής με συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια γίνεται σε τέτοιες εγκαταστάσεις. Οι διατάξεις αυτές χαρακτηρίζονται από ανταγωνιστικό κόστος παραγωγής ενέργειας, υψηλές αποδόσεις μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε θερμική και χαμηλό ρίσκο επένδυσης, λόγω της εμπειρίας που έχει αποκομισθεί κατά τη μακρόχρονη λειτουργία τους. Στην παρούσα εργασία γίνεται ο σχεδιασμός μίας εγκατάστασης συλλεκτών παραβολικής σκάφης, με σκοπό την ενσωμάτωσή της στον Ατμοηλεκτρικό Σταθμό της περιοχής Σορωνής Ρόδου και την παροχή μέρους της απαιτούμενης θερμότητας για τη λειτουργία του ατμοστροβίλου, με αποτέλεσμα την υβριδοποίηση της λειτουργίας του. Σχεδιαστικό στόχο αποτελούν η κάλυψη της ζήτησης του ατμοστροβίλου σε θερμότητα, αλλά και η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας ικανής να τροφοδοτήσει τη λειτουργία του ατμοστροβίλου επί 8 ώρες, στο σημείο σχεδίασης. Αρχικά, γίνεται η εκτίμηση του ηλιακού δυναμικού της περιοχής. Για τους υπολογισμούς χρησιμοποιούνται μέσες μηνιαίες τιμές ολικής ηλιακής ακτινοβολίας οριζοντίου επιπέδου για το νησί της Ρόδου, όπως αυτές προκύπτουν από την επεξεργασία μετρήσεων της μέσης μηναίας ηλιοφάνειας από την ΕΜΥ. Στη συνέχεια, οι τιμές αυτές εισάγονται σε σχέσεις για την εξαγωγή ημερήσιων και ωριαίων τιμών ακτινοβολίας. Ως σημείο σχεδίασης της εγκατάστασης χρησιμοποιείται η μέγιστη των ωριαίων τιμών άμεσης ακτινοβολίας. Βάσει αυτής της τιμής υπολογίζεται η επιφάνεια συλλεκτών που απαιτείται για την επίτευξη των σχεδιαστικών στόχων. Στη συνέχεια, γίνεται επιλογή των στοιχείων των επιμέρους υποσυστημάτων της διάταξης (συλλέκτών, ρευστού μεταφοράς θερμότητας και μέσου αποθήκευσης θερμότητας) μέσω της αξιολόγησης εναλλακτικών λύσεων. Η διαστασιολόγηση των επιμέρους υποσυστημάτων γίνεται μέσα από μία διαδικασία ελαχιστοποίησης του συνολικού κόστους της εγκατάστασης, το οποίο συσχετίζεται με τις θερμοκρασίες του ρευστού μεταφοράς θερμότητας στην είσοδο και την έξοδο των υποσυστημάτων της εγκατάστασης. Μέσω της διαδικασίας αυτής, βρίσκονται οι βέλτιστες θερμοκρασίες λειτουργίας της εγκατάστασης, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της τιμής της παραγόμενης ενέργειας από το πεδίο συλλεκτών. Τα τελικά αποτελέσματα της μελέτης περιλαμβάνουν την τιμή της ετήσιας παραγόμενης ενέργειας, της εκτόπισης καυσίμου και εξοικονόμησης κόστους καυσίμου, καθώς και τη μείωση εκπομπών ρύπων που επιτυγχάνονται από την ενσωμάτωση της εγκατάστασης των συλλεκτών παραβολικής σκάφης στον ΑΗΣ Σορωνής και την υβριδοποίηση της λειτουργίας του, από την οποία προκύπτουν πολλαπλά οφέλη: Ευελιξία στην παραγωγή ενέργειας: Με την προσθήκη ενός υποσυστήματος αποθήκευσης, η μέση παροχή θερμότητας κατά τους θερινούς μήνες καλύπτει τις απαιτήσεις του ατμοστροβίλου για 20 και πλέον ώρες ημερησίως, ενώ τον Ιούλιο ξεπερνά τις 22 ώρες.  Περιβαλλοντικά οφέλη: Η ποσότητα καυσίμου που εκτοπίζεται και αντικαθίσταται από ανανεώσιμη πηγή ενέργειας είναι ιδιαίτερα μεγάλη, με φυσικό επακόλουθο τη μεγάλη μείωση των εκπομπών ρύπων κατά τη λειτουργία του ατμοστροβίλου. Αξιοσημείωτο είναι επίσης το γεγονός ότι η συνολική ετήσια παραγωγή ενέργειας από το πεδίο συλλεκτών επαρκεί για την κάλυψη της ζήτησης του ατμοστροβίλου σε ποσοστό 51,79%. Με άλλα λόγια, περισσότερη από τη μισή ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία του ατμοστροβίλου, σε ετήσια βάση, δύναται να δοθεί από ΑΠΕ μέσω του πεδίου συλλεκτών. Επιπλέον, η παροχή θερμότητας στον ΑΗΣ από το πεδίο συλλεκτών ξεπερνά αυτό το ποσοστό 6 μήνες το χρόνο (Απρίλιο έως και Σεπτέμβριο), με το μέγιστο ποσοστό τον Ιούλιο να αγγίζει, όπως αναφέρθηκε, το 93,5%. Ως προς τις ρυπογόνες ουσίες κατά την καύση του μαζούτ, η μέση ετήσια εξοικονόμηση αγγίζει τους 45.410 τόνους CO2, 739 τόνους SO2, 85,65 τόνους NOx, 48,25 τόνους σωματιδίων και 8,13 τόνους CO, με ευεργετικές επιπτώσεις για το περιβάλλον και την περιοχή της Σορωνής.  Οικονομικά Οφέλη: Το κόστος επένδυσης εγκατάσταση εκτιμήθηκε στα 30.313 χιλ. ευρώ. Ταυτόχρονα, όμως, η εξοικονόμηση κόστους καυσίμου που επιτυγχάνεται είναι πολύ σημαντική, με τη μέση ετήσια τιμή της να φθάνει τις 8.098 χιλ. ευρώ. Προκύπτει ότι, ακόμα και χωρίς να συνυπολογίσει κανείς τη μελλοντική (και πιθανότατα αυξητική) πορεία της τιμής του αργού πετρελαίου, με τις τωρινές τιμές η απόσβεση του κόστους επένδυσης ολοκληρώνεται σε λιγότερο από 4 χρόνια. Συμπερασματικά η τεχνολογία συγκέντρωσης της ηλιακής ενέργειας για χρήση στην ηλεκτροπαραγωγή είναι μία πολλά υποσχόμενη και εξελίξιμη τεχνολογία και η περίπτωση υβριδοποίησης της ατμοηλεκτρικής μονάδος Σορωνής Ρόδου προκύπτει ότι είναι κατ’ αρχήν θελκτική ως επένδυση, τεχνικά , περιβαλλοντικά και οικονομικά.

Electric power production through concentrated solar power began being investigated and developed as soon as the mid ‘70s. Since the early ‘80s, it has found commercial applications in California, USA and being promoted as a reliable solution towards electricity production. The main advantage of this technology is that it can be integrated in already established thermoelectric power plants, which work on conventional fuels, and render their function hybrid, displacing significant fuel quantities and replacing it with heat coming from a renewable source, such as solar power. In this way, there is no need for establishing new plants that could utilize this technology. Instead the already established ones can be used, a feature that offers flexibility in electric power production and lowers total cost. The most widely implemented concentrated solar power (CSP) configurations are parabolic trough collectors (PTCs). 96,5% of global CSP electricity production is taking place in such installations. This configuration is characterized by competitive energy production cost, high solar-to-thermal efficiencies and low investment risk, due to the experience that has been accumulated during their longtime operation. In the present thesis, the design of a PTC installation is being carried out, with the goal of integrating it in the steam power plant of Soroni, Rhodes, supplying, in part, the required for the turbine’s operation heat, and resulting in the hybridization of its operation. Design goals are meeting the turbine’s heat demand, and energy storage capable of supplying the turbine’s operation for 8 hours, at design point. Initially, an estimation of the region’s solar potential is being carried out. Mean monthly values of the total irradiation on the horizontal plane, for the island of Rhodes, are used for the calculations, as derived from processing mean monthly insolation measurements carried out by the HNMS. Afterwards, these values are inserted in formulas for the extraction of daily and hourly irradiation values. The highest hourly Direct Normal Insolation (DNI) value is used as the installation’s design point. The collectors’ aperture area needed for meeting the design goals is calculated, based on that value. Afterwards, a selection of the configuration’s individual subsystems’ elements (collectors, heat transfer fluid (HTF), storage medium) is taking place, through the evaluation of alternative solutions. Dimensioning of the individual subsystems is done through a total installation cost minimizing procedure. Total cost is associated with the HTF’s temperature in the inlet and outlet of the installation’s subsystems. Through this procedure, the installation’s optimal operation temperature values are found, which are used for calculating the value of the energy produced by the collector field. The final results of the this study include the yearly produced energy value, fuel displacement and fuel cost reduction values, as well as the pollutants’ emission reduction accomplished by the PTC installation’s integration in the Soroni’s steam power plant and its operation’s hybridization, to which, multiple benefits accrue:  Flexibility in Power Production: Through the addition of a storage subsystem, mean heat supply during the summer can meet the turbine’s demand for 20 plus hours daily, while in July, this value exceeds 22 hours. Environmental Benefits: The quantity of fuel that is displaced and replaced by a renewable source is particularly significant, resulting in a major reduction of pollutants’ emission during the turbine’s operation. The fact that the yearly collector field energy production suffices for meeting 51,79% of the turbine’s demand is also noteworthy. In other words, more than half of the energy required for the turbine’s operation, on a yearly basis, can be supplied by a renewable source, through the collector field. In addition, heat supply to the steam power plant by the collector field exceeds this percentage 6 months a year (April through September), with the highest percentage reaching 93,5% in July. Concerning pollutants resulting from crude oil combustion, mean yearly reduction reaches 45,410 tonnes of CO2, 739 tonnes of SO2, 85.65 tonnes of NOx, 48.25 tones of particulates and 8.13 tonnes of CO, with beneficiary results for the environment and the region of Soroni.  Economic Benefits: The capital cost of the installation was estimated at €30,313,000. At the same time, the fuel cost savings achieved is significant, with the mean yearly value reaching €8,098,000. Even without taking into the account the future (and most probably increasing) trend of crude oil prices, the investment capital cost’s amortization is concluded in less than four years, in present values. In conclusion, the technology of concentrating solar power towards electricity production is a very promising and developable technology, and the case of hybridizing the steam power plant of Soroni, Rhodes is initially evaluated as an attractive investment technically, environmentally and financially.