Tεχνολογίες Αποθήκευσης Αιολικής Ενέργειας με Αντλησιοταμίευση

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση των διαθέσιμων τεχνολογιών για αντλησιοταμίευση και ειδικότερα η σύγκριση των τεχνολογιών άντλησης με σταθερές και μεταβλητές στροφές. Ειδικότερα μελετάται ένα σύστημα αντλησιοταμίευσης για αποθήκευση αιολικής ενέργειας με αντλίες μεταβλητών και σταθερών στροφών.

Περιγράφονται αρχικά οι διάφορες μέθοδοι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, με ιδιαίτερη έμφαση στην ηλεκτροπαραγωγή από αιολική και υδραυλική ενέργεια. Εξηγείται επίσης η αναγκαιότητα της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, γίνεται παρουσίαση της μεθόδου της αντλησιοταμίευσης και παρουσιάζονται τα υβριδικά συστήματα αιολικής ενέργειας με αντλησιοταμίευση. Ακολούθως, γίνεται μια εκτενής περιγραφή της τεχνολογικής προσέγγισης της αποθήκευσης και αναλύονται οι περιπτώσεις άντλησης με μεταβλητές και σταθερές στροφές, οι οποίες εξετάζονται στην παρούσα διπλωματική εργασία.

Έπειτα, πραγματοποιείται μια ειδικότερη εφαρμογή σε ένα σύστημα αντλησιοταμίευσης με αντλίες μεταβλητών και σταθερών στροφών. Ειδικότερα, προσδιορίζονται οι χαρακτηριστικές εξισώσεις των αντλιών και πιο συγκεκριμένα εξάγονται οι σχέσεις παροχής – στροφών και ισχύος – στροφών της αντλίας. Από τις σχέσεις αυτές προσδιορίζεται η βέλτιστη παροχή καθώς και ισχύς άντλησης. Για δύο δεδομένες χρονοσειρές ταχυτήτων ανέμου αλλά και δύο συγκεκριμένες τεχνολογίες ανεμογεννητριών προσδιορίζονται τέσσερα σενάρια μελέτης. Για κάθε σενάριο και περίπτωση άντλησης (μεταβλητές, βέλτιστες και σταθερές στροφές) υπολογίζονται η ηλεκτροπαραγωγή από τις ανεμογεννήτριες, ο όγκος άντλησης για την διαθέσιμη ηλεκτροπαραγωγή, η αντίστοιχη υδροηλεκτρική παραγωγή αλλά και ο βαθμός απόδοσης του κύκλου άντλησης – παραγωγής. Πραγματοποιείται έτσι ποσοτική σύγκριση της άντλησης με μεταβλητές και σταθερές στροφές. Διαπιστώθηκε ότι η άντληση με μεταβλητές στροφές υπερτερεί έναντι της άντλησης με σταθερές στροφές καθώς στην δεύτερη περίπτωση μεγάλο ποσό αιολικής ενέργειας απορρίπτεται αν δεν υπάρχει δυνατότητα αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο. Επίσης, η άντληση με μεταβλητές στροφές και μικρότερες αντλίες παρουσιάζει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με την άντληση με μεταβλητές στροφές και μια ισοδύναμη μεγαλύτερη αντλία, αφού στην πρώτη περίπτωση παρατηρείται καλύτερη κλιμάκωση της απορροφούμενης αιολικής ισχύος και ως αποτέλεσμα μεγαλύτερος όγκος αποθηκεύεται.

Στη συνέχεια, για όλες τις περιπτώσεις άντλησης και για όλα τα σενάρια, υπολογίζεται το οικονομικό όφελος που προκύπτει από την αντλησιοταμίευση για δύο εξεταζόμενες περιπτώσεις: περίπτωση 1) άντληση με δυνατότητα αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας για άντληση από το δίκτυο και περίπτωση 2) άντληση χωρίς αυτή την δυνατότητα. Συγκρίνονται πάλι οι περιπτώσεις άντλησης με μεταβλητές και σταθερές στροφές. Διαπιστώθηκε ότι η άντληση με μεταβλητές στροφές έχει αυξημένο κέρδος σε σχέση με την περίπτωση άντλησης με σταθερές στροφές όταν δεν υπάρχει δυνατότητα αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι στην περίπτωση άντλησης με μεταβλητές στροφές γίνεται πλήρης απορρόφηση της αιολικής ισχύος ενώ στην περίπτωση άντλησης με σταθερές στροφές η αιολική ισχύς απορροφάται κατά ένα ακέραιο πολλαπλάσιο της ισχύος κάθε αντλίας. Τέλος, βρέθηκε ότι το κέρδος στην περίπτωση της άντλησης με σταθερές στροφές αυξάνεται όταν αγοράζεται ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο αφού στην περίπτωση αυτή δεν απορρίπτεται η αιολική ισχύς που περισσεύει. Όλοι οι υπολογισμοί υλοποιήθηκαν με τη βοήθεια του προγράμματος Matlab.

The purpose of this diploma thesis is to present the available technologies of pumped storage hydropower systems and especially to compare the fixed speed pumped storage hydropower plants with the variable speed ones. More specifically a pumped storage hydropower system used for storage of wind power is examined, with variable and fixed speed pumps.

Reference is made in the different methods of energy production from renewable energy sources, with a great importance given to the energy production from wind and hydraulic energy. In addition, the reason of energy storage for power system applications is mentioned. Moreover, the pumped storage hydropower is explained and the hybric wind energy systems with pumped storage hydropower is presented. Following this, the technological approach of pumped storage systems is described and the cases of variable and fixed speed units, that are examined in this diploma thesis, are presented.

A comprehensive implementation of a pumped storage hydropower system with variable and fixed speed pumps is made. Subsequently, the characteristic equations of pumps are determined and especially the discharge – speed and power – speed ones. From this equations, the optimum discharge and the optimum active power is determined in pumping mode. Four different scenarios are determined, considering two measured wind speed time series and two different types of wind generators. For every scenario and case of pumped storage (variable, optimal and fixed speed), the available wind energy, the volumn, the hydropower energy and the overall efficiency are calculated. The comparison between variable and fixed speed units is made. It is concluded that the adjustable speed pumped storage is more efficient than the conventional pumped storage running at constant speed considering the fact that in the second case a great amount of wind power is rejected because it can be absorbed when the possibility of getting the extra energy needed from the system does not exist. In addition, the pumped storage with variable speed and smaller pumps is more efficient than the adjustable speed pumped storage with a larger one, considering that in the first case the wind power is better absorbed and as a result, a bigger volumn of water is pumped.

Moreover, for all the scenarios and the pumped cases discussed, the profit from the hydraulic pumped storage for two different case studies is calculated: Case 1 when the extra energy needed can be obtained from the grid and Case 2 when the extra energy needed cannot be obtained. A comparison is made once again between the adjustable pumped storage and the fixed one. It was found that the pumped storage with variable speed has an increased profit compared to the fixed one when the extra energy needed is not able to be purchased from the grid. This is because of the fact that in the adjustable pumped storage units a full absorption of wind power is taken place and that in the conventional ones running at constant speed the wind energy is absorbed in multiples of the active power of every pump. Finally, it was concluded that the profit in the fixed speed units is increased when the energy needed is provided from the grid thanks to the fact that the wind energy that cannot be integrated is not rejected in this case. All calculations were implemented using the program Matlab.