Μαθηματική Προσομοίωση Υβριδικών Συστημάτων. Το σύστημα της Ικαρίας

Abstract

Εξετάζεται το υπό κατασκευή υβριδικό ενεργειακό έργο (ΥΒΕ) της Ικαρίας, το οποίο θα συνδυάζει δύο μορφές Ανανεώσιμης Πηγής Ενέργειας (ΑΠΕ) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, το υδατικό δυναμικό από την περίσσεια ύδατος του φράγματος στο Πέζι και το αιολικό δυναμικό στην περιοχή Στραβοκουντούρας. Το έργο θα αποτελείται από: (α) δύο δεξαμενές ύδατος, στις περιοχές Προεσπέρα και Κάτω Προεσπέρα, οι οποίες θα συνοδεύονται από δύο Μικρούς Υδροηλεκτρικούς Σταθμούς (ΜΥΗΣ), (β) το αιολικό πάρκο (Α/Π) στην περιοχή Στραβοκουντούρα με τρεις ανεμογεννήτριες (Α/Γ), (γ) ένα αντλιοστάσιο στην Κάτω Προεσπέρα και (δ) το Κέντρο Ελέγχου και Κατανομής Φορτίου στον υφιστάμενο Θερμικό Σταθμό στην περιοχή Άγιος Κήρυκος. Ο ΜΥΗΣ στην Προεσπέρα θα λαμβάνει, μέσω χαλύβδινου αγωγού προσαγωγής, την περίσσεια νερού του ταμιευτήρα στο αρδευτικό φράγμα στο Πέζι για την παραγωγή ενέργειας. Το νερό εξερχόμενο από τον Σταθμό Προεσπέρας καταλήγει στην παρακείμενη δεξαμενή. Στη συνέχεια, κατευθύνεται, μέσω χαλύβδινου αγωγού προσαγωγής, στον ΜΥΗΣ Κάτω Προεσπέρας όπου χρησιμοποιείται για την παραγωγή πρόσθετης ενέργειας και ακολούθως συγκεντρώνεται στη δεύτερη δεξαμενή. Η ενέργεια που παράγεται από το Α/Π διοχετεύεται στο δίκτυο ηλεκτροδότησης αλλά κυρίως και στο αντλιοστάσιο από όπου, με άντληση, γίνεται μεταφορά νερού, μέσω χαλύβδινου αγωγού κατάθλιψης, από την κάτω στην επάνω δεξαμενή και την εκ νέου παραγωγή υβριδικής ενέργειας από τον ΜΥΗΣ Κάτω Προεσπέρας. Ζητούμενο, στην εργασία αυτή, είναι η εύρεση ενός μοντέλου αναπαράστασης του συστήματος αυτού, σύμφωνα με τους κανόνες και τις παραδοχές σχεδιασμού του, αλλά και η προσομοίωση αυτού για 50 χρόνια. Το μοντέλο αναπαράστασης αναπτύχθηκε με το πρόγραμμα Microsoft excel, ενώ η προσέγγιση της προσομοίωσης έγινε με την βοήθεια δύο στοχαστικών μοντέλων προσομοίωσης σε ωριαίο χρονικό βήμα. Συγκεκριμένα, ο σχεδιασμός αναπαράστασης του συστήματος, αρχικά, επιχειρήθηκε για ένα έτος σύμφωνα με τα μετεωρολογικά και υδρολογικά δεδομένα που διατέθηκαν από την ΔΕΗ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ Α.Ε. και τα τεχνικά χαρακτηριστικά του έργου. Αρχικά, ωστόσο, έγινε μια προσπάθεια προσομοίωσης του υδρολογικού ισοζυγίου του ταμιευτήρα στο Πέζι, προκειμένου να εκτιμηθεί ο διαθέσιμος όγκος προς εκμετάλλευση για το υβριδικό έργο. Στη συνέχεια, για την προσομοίωση του συστήματος για 50 χρόνια, δημιουργήθηκαν συνθετικές χρονοσειρές ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, εισροών-απορροών και ταχύτητας ανέμου, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από το Α/Π του ΥΒΕ. Αναλύεται η μεθοδολογία προσομοίωσης και επεξεργασίας των διαθέσιμων δεδομένων, από την οποία γίνεται δυνατή παράλληλα και η εξαγωγή μερικών αξιόλογων συμπερασμάτων σχετικά με αυτά. Έπειτα, τα δεδομένα αυτά εισάγονται στο μοντέλο αναπαράστασης του συστήματος προκειμένου να προσομοιωθεί το ενεργειακό ισοζύγιο του υβριδικού έργου σε ωριαία βάση για 50 έτη. Στην προσπάθεια αυτή, προσομοίωσης, εξετάζονται και μερικά εναλλακτικά σενάρια λειτουργίας, προκειμένου να διαπιστωθεί η ευαισθησία του συστήματος με την αλλαγή στην συμμετοχή των διάφορων συνιστωσών του (ΜΥΗΣ, Α/Π, αντλησιοταμίευση κ.α.). Τελικά, οι παραπάνω διαδικασίες οδηγούν στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την αποδοτικότητα του εν λόγω έργου ως προς την κάλυψη της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, τον βαθμό συμμετοχής των διαφόρων μελών του αλλά και γενικά για τον τρόπο λειτουργίας του.

The hybrid energy system (HES) of Ikaria is being analyzed, which is under construction and combines two forms of renewable energy source (RES) for electricity generation, the water potential of excess water in the dam Pezi and the wind potential in the area Stravokountoura. The project will consist of: (a) two water tanks in the areas Proespera and Lower Proespera, which will be accompanied by two Small Hydropower Stations (SHPS), (b) a wind farm (W/F) in Stravokountoura with three wind turbines (W/T), (c) a pumping station in Lower Proespera and (d) the Control Center and Dispatching of load in the existing thermal power station in Agios Kirikos. The SHPS in Proespera will receive, through a steel duct, the excess water from the reservoir to the irrigation dam Pezi for energy production. The water, exiting from the Proespera’s station, ends in the adjacent tank. Then the same quantity of water is directed, through a steel duct, to the Lower Proespera’s SHPS where it is used to generate additional energy and then it is concentrated in the second reservoir. The energy produced by the W/F, is fed to the electricity grid but mostly to the pumping station where the water is pumped and transferred, through a steel discharge line from the lower to the upper reservoir and hybrid energy is being re-produced by the Lower Proespera’s SHPS. The objective of this work is to find a representation model of the hybrid system, in accordance with the rules and assumptions of its design, but also to simulate it for 50 years. The representation model has been developed with the Microsoft excel program, while the approach of the simulation was done with the help of two stochastic simulation models in hourly time step. Specifically, the design of the representation of the system was initially attempted for one year according to the meteorological and hydrological data which had been provided by PPC Renewables S.A. and the technical features of the project. However, a simulation of the hydrological budget of the Pezi reservoir had been attempted in order to assess the available volume to be exploited for the hybrid project. Then, synthetic time series of the electricity demand, input-runoff and wind speed had been created in order to simulate the system for 50 years and which were used for the calculation of electricity which is produced by the W/F of HES. We analyze the methodology of modeling and processing the available data from which some meaningful outcomes can be concluded about them. Then, these data are entered into the representation model of the system in order to simulate the energy budget of the hybrid project on an hourly basis for 50 years. In this effort of simulation, some alternative operating scenarios are being considered in order to note the sensitivity of the system by changing the participation of its various components (SHPS, W/F, pumped-storage, etc.). Eventually, these processes lead to conclusions about the efficiency of this project to meet the electricity demand, the degree of its elements’ participation and generally how it works.