Βέλτιστη λειτουργία και σχεδιασμός συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας: Εφαρμογή στον ελληνικό οικιακό τομέα

Abstract

Την τελευταία δεκαετία, η έλλειψη ασφαλών και επαρκών πηγών ενέργειας σε προσιτές τιμές και οι περιβαλλοντικές καταστροφές από την υπερβολική κατανάλωση ενέργειας και τη χρήση ενεργειακών πηγών όπως ο άνθρακας και το πετρέλαιο, έχουν στρέψει το ενδιαφέρον σε εναλλακτικές μορφές ενέργειας και σε συστήματα γνωστά ως συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας. Τα συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας, είναι υβριδικά συστήματα παραγωγής ενέργειας που εγκαθίστανται στον τελικό χρήστη ή κοντά σε αυτόν. Τα συστήματα αυτά μπορούν να ενσωματώσουν ένα πλήθος τεχνολογιών που υπάρχουν στο εμπόριο: μηχανές συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού (Combined Heat and Power, CHP), μονάδες αποθήκευσης θερμότητας, φωτοβολταϊκά συστήματα, μονάδες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, ανεμογεννήτριες, κελιά καυσίμου, και άλλα συστήματα που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Ειδικά τα τελευταία χρόνια στην Ελλάδα έχει δοθεί ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην εφαρμογή των φωτοβολταϊκών συστημάτων ως ανανεώσιμη μορφή ενέργειας, λόγω των ευνοϊκών μετεωρολογικών συνθηκών αλλά και λόγω των μεγάλων επιδοτήσεων από την Ελληνική Κυβέρνηση για τέτοια συστήματα. Το βασικό πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι η μηδενική εκπομπή καυσαερίων, όπως επίσης και το μηδενικό κόστος παραγωγής ενέργειας. Μια άλλη τεχνολογία που ενσωματώνεται σε συστήματα διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας είναι οι μηχανές συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού (Combined Heat and Power, CHP), οι οποίες παράγουν σαν βασικό προϊόν θερμότητα, ενώ σαν παραπροϊόν παράγεται ηλεκτρική ενέργεια, με ταυτόχρονη δυνατότητα κάλυψης των θερμικών και ηλεκτρικών αναγκών μιας εγκατάστασης. Η διασπαρμένη παραγωγή προσφέρει στον καταναλωτή μεγαλύτερη αξιοπιστία, ικανοποιητική ποιότητα ισχύος και τη δυνατότητα να συμμετέχει σε ανταγωνιστικές αγορές ηλεκτρικής ισχύος. Έτσι λοιπόν, οι μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας (Distributed Energy Resources, DER)μπορούν να αποτελέσουν το βασικότερο μέρος ενός μικροδικτύου, ενός τοπικού δικτύου διασπαρμένων ενεργειακών πηγών, καταλλήλων για την τοπική ενεργειακή ζήτηση, το οποίο θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα πιο αποκεντρωτικό σύστημα ισχύος.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, μελετάται ένα σύστημα διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας, που περιλαμβάνει φωτοβολταϊκά συστήματα, μηχανές συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού και μονάδες αποθήκευσης θερμότητας και ηλεκτρισμού. Δίνεται επίσης η δυνατότητα αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο, η παραγωγή θερμότητας με χρήση μπόιλερ και η μεταφορά θερμότητας μεταξύ των κτιρίων μέσω του σχεδιασμού κατάλληλου δικτύου μεταφοράς θερμότητας. Οι φωτοβολταϊκές συστοιχίες παίζουν σημαντικό ρόλο στα συστήματα

διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας και μελετώνται πιο λεπτομερώς, ειδικά σε σχέση με την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια τους, καθώς αποτελεί την βάση υπολογισμού της ισχύος εξόδου μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας, όπως επίσης και τη γωνία κλίσης και τον προσανατολισμό της, που συμβάλλουν σημαντικά στην επίτευξη της μέγιστης δυνατής απόδοσης. Τέλος αναπτύσσεται μια στρατηγική βέλτιστων αποφάσεων για τη βέλτιστη λειτουργία ενός συστήματος διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας σε συνδυασμό με ένα δίκτυο μεταφοράς θερμότητας και γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, με στόχο την ικανοποίηση των ηλεκτρικών και θερμικών αναγκών ενός μικροδικτύου.

Αρχικά, εξετάζονται και αξιολογούνται τα μοντέλα πρόβλεψης της ηλιακής ακτινοβολίας και παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο πρόβλεψης με τη χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων (Artificial Neural Networks, ANN) και συγκεκριμένα τεχνητών νευρωνικών δικτύων ακτινικής συνάρτησης βάσης (Radial Basis Function, RBF), για την περιοχή της Αθήνας. Επίσης, αναπτύσσεται μια νέα μεθοδολογία για τον ακριβή υπολογισμό της γωνίας κλίσης και της κατεύθυνσης των ηλιακών φωτοβολταϊκών συστημάτων, βασιζόμενη επίσης στη μεθοδολογία των τεχνητών νευρωνικών δικτύων. Στη συνέχεια, στο πλαίσιο μελέτης των συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας, παρουσιάζεται και αναπτύσσεται ένα μοντέλο μεικτού ακεραίου γραμμικού προγραμματισμού (MILP-Mixed Integer Linear Model), για το σχεδιασμό και την αξιολόγηση των συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας. Θεωρούμε μία γειτονιά ως το σύστημα διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας που θέλουμε να μελετήσουμε και λαμβάνουμε υπόψη διάφορους εναλλακτικούς τρόπους κάλυψης των αναγκών σε θερμότητα και ηλεκτρισμό. Εξετάζεται η υιοθέτηση των τεχνολογιών διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας σε συνδυασμό με ένα δίκτυο μεταφοράς θερμότητας και γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Το δίκτυο μεταφοράς θερμότητας μελετάται πιο λεπτομερώς με την ενσωμάτωση ισοζυγίων μάζας και δύο γραμμών μεταφοράς (τροφοδοσίας και επιστροφής). Τέλος, αναπτύσσεται μία στρατηγική βέλτιστων αποφάσεων για τη βέλτιστη λειτουργία του συστήματος διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας που βασίζεται στη φιλοσοφία του μοντέλου προβλεπτικού ελέγχου (Model Predictive Control-MPC). Το μοντέλο προβλεπτικού ελέγχου που επιλύεται για κάθε χρονική περίοδο διαμορφώνεται σαν ένα μοντέλο μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (Mixed Integer Linear Programming-MILP).

Τα συμπεράσματα της παρούσας έρευνας είναι:

• Η εφαρμογή του νευρωνικού δικτύου ακτινικής συνάρτησης βάσης για τον υπολογισμό της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε μια κεκλιμένη επιφάνεια δίνει καλύτερα αποτελέσματα από τα αντίστοιχα γραμμικά μοντέλα. • Η προτεινόμενη μεθοδολογία για τον υπολογισμό της βέλτιστης κλίσης και κατεύθυνσης των φωτοβολταϊκών συστοιχίων, συναρτήση της μεγιστοποίησης της παραγόμενης ισχύος, μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο για ερευνητές και σχεδιαστές, καθώς λαμβάνει υπόψη τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά της κάθε εγκατάστασης.

• Το μοντέλο μεικτού ακεραίου γραμμικού προγραμματισμού (MILP-Mixed Integer Linear Model) που αναπτύχθηκε για το σχεδιασμό και την αξιολόγηση των συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας, παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με το συμβατικό κεντροποιημένο σύστημα παραγωγής ενέργειας, τόσο από οικονομική όσο και από περιβαλλοντική σκοπιά. Επίσης το μοντέλο που αναπτύχθηκε είναι αρκετά ευέλικτο και μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες εφαρμογές μεγαλύτερης ή και μικρότερης κλίμακας. • Με το λεπτομερή σχεδιασμό του δικτύου μεταφοράς θερμότητας, ο εκάστοτε σχεδιαστής μπορεί να πραγματοποιεί συγκεκριμένες δομές δικτύου ανάλογα με τις σχεδιαστικές προτιμήσεις και απαιτήσεις. Ο λεπτομερής σχεδιασμός του δικτύου μεταφοράς θερμότητας δύο κατευθύνσεων λαμβάνει υπόψη τα ισοζύγια θερμότητας και μάζας του νερού που χρησιμοποιείται σα μέσο μεταφοράς θερμότητας. • Η μεθοδολογία του μοντέλου προβλεπτικού ελέγχου είναι ιδιαίτερα χρήσιμη καθώς απεικονίζει τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας και μπορεί να ενσωματώσει όλες τις μεταβολές και διακυμάνσεις του συστήματος σε μετέπειτα χρονικές περιόδους. Επίσης το μοντέλο προβλεπτικού ελέγχου που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε για πρώτη φορά σε επίπεδο γειτονιάς και όχι σε επίπεδο μίας οικίας.

Τα πρωτότυπα στοιχεία της διατριβής αναφέρονται στη λίστα των δημοσιευμένων εργασιών στο τέλος αυτής.

In the last decade, the lack of safe and abundant energy sources in cheap energy sources and the environmental catastrophic changes to the earth’s environment due to the excess consumption of energy and the use of energy sources such as coal and petroleum, has increased the importance of developing high efficiency energy generation techniques, known as distributed energy resources (DER). DER means small scale electric generation units located within the electric distribution system at or near the end-users. It is usually considered to be constructed aiming at utilising local energy resources and establishing local energy storage. Compared with traditional central energy supply, DER system can employ a wide range of technologies including: combined heat and power plants (CHP), photovoltaic systems (PV), small-scale wind turbines and other systems using renewable energy resources.

Especially, over the last years in Greece priority was given on the development and implementation of photovoltaic systems as a renewable source of energy, due to the favourable meteorological conditions (high levels of irradiance) and also due to the Greek governmental policies and the subsidies provided for their implementation. The basic advantages of these systems are the zero carbon emission and the zero production cost of energy. Another technology that is incorporated in distributed energy systems are the combined heat and power engines (CHP) that produce heat and electricity simultaneously in a single integrated system and are able to cover both electrical and thermal needs of an installation. Additionally, in regions with high heat loads, the use of combined heat and power engines, can lead to greater environmental merits than photovoltaic systems, since fossil fuels are not used in the production of heat and electricity.

The distributed energy production, offers to consumers greater reliability, satisfactory power quality and the ability to take part in competitive markets of energy. In this case, distributed energy systems constitute the greater part of a microgrid, of a local network of distributed energy sources, capable of satisfying the local energy demands, which could lead to a decentralised energy system.

In the present dissertation, a system of distributed energy resources which incorporates photovoltaic systems, combined heat and power engines, electrical and heat storage tanks, is under study. The model allows importing electricity from the national grid, while back-up boilers produce heat when the heat produced by the CHP units does not satisfy the needs. Moreover, heat is transferred between dwellings through a heating pipeline network. Photovoltaic systems play a major role in distributed energy systems, especially regarding the solar irradiance incident on their surface, since it is the base for the calculation of the power output of the photovoltaic

array. Moreover, their orientation and inclination are also important for achieving the maximum capable efficiency. In the end, a strategy of optimal decisions is developed for the optimal operation of the distributed energy system, in combination with a heating pipeline network and electricity transmission lines for the satisfaction of the electrical and thermal loads of a microgrid.

Initially, various known diffuse irradiance models which calculate the hourly global solar irradiance on a tilted surface have been studied and a new empirical model for predicting global solar irradiance on inclined surfaces is developed, based on Neural Network Techniques and specifically on neural networks of radial basis function (RBF) for the region of Athens. Moreover, a new methodology is developed for the optimal calculation of the inclination and orientation of photovoltaic systems, also based on neural network techniques. Subsequently, an MILP model is proposed for the optimal DER design and operation of distributed energy systems. We consider a neighbourhood as the distributed energy system we want to study and we take into consideration various alternative ways of covering heat and energy loads. We examine the adoption of distributed energy technologies in combination with the design of a heating pipeline network and electricity transmission lines. The heating pipeline network is examined in detail with the integration of mass balances and two transfer lines (feed and return). Finally, the Model Predictive Control (MPC) rolling horizon approach is adopted to design a control strategy for DER systems. The MPC problem that is solved in each time period is formulated as a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model.

The conclusions of the present thesis are:

•

The neural network model, predicts more realistically the total solar irradiance on a tilted surface compared to the linear models. • The proposed methodology developed for the optimal determination of the tilt angle and orientation of PV arrays regarding the maximisation of the power output, can be a useful tool for designers and researchers, since it takes into account the system’s design specifications. • Τhe mixed-integer linear model (MILP) which was developed for the design and evaluation of distributed energy systems has shown great advantages compared to the conventional system from an economical and environmental point of view. Moreover, the developed model is flexible enough to be implemented in systems of larger or smaller scale. • With the detail design of the heating pipeline network every design can apply the desired design of the network based on his preferences and design limitations. The heating pipeline network of two directions takes into account mass and energy balances, regarding the circulation of the water as a means of heat transfer. • The methodology of the model predictive control is extremely useful, since it depicts the dynamic behavior of the distributed energy system and can integrate all the modifications and fluctuations of the system in subsequent time periods. Moreover the Model predictive control was applied for the first time in a neighbourhood and not in a single building.

The original data and results of this dissertation can be found in the published papers list at the end of it.