Ενεργειακή Διαχείριση Έξυπνων Ηλεκτρικών Δικτύων Με Θερμική Αποθήκευση Energy Management Of Power Stations With Integrated Thermal Energy Storage

Abstract

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η ενεργειακή διαχείριση σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ενσωματωμένη θερμική αποθήκευση σε έξυπνα ηλεκτρικά δίκτυα. Η θερμική αποθήκευση, που βασίζεται σε υλικά με αλλαγή φάσης, παρέχει στον διαχειριστή του δικτύου μεγαλύτερη ευελιξία, προκειμένου να καταστεί δυνατή η όλο και αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στα έξυπνα δίκτυα. Η αποδοτικότητα των σταθμών παραγωγής συνδυασμένου κύκλου και σταθμών παραγωγής με καύσιμο τον άνθρακα ποικίλλει ανάλογα με τη ζήτηση του φορτίου και την έγχυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο ηλεκτρικό σύστημα. Στη παρούσα διπλωματική προτείνεται στις ώρες χαμηλής ζήτησης ο ατμός από τη μονάδα παραγωγής να απομαστευέται και να εξάγεται από κατάλληλο σημείο ώστε να φορτίζονται οι διατάξεις της θερμικής αποθήκευσης που περιέχουν το κατάλληλο άλας, ανάλογα τη θερμοκρασία του ατμού. Σε επόμενο στάδιο, είτε όταν κρίνεται απαραίτητο από τον διαχειριστή του συστήματος είτε όταν είναι οικονομικά συμφέρον, τα θερμικά δοχεία μπορούν να λειτουργήσουν σαν θερμικές πηγές με σκοπό να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, μέσω της δημιουργίας ατμού για μηχανές που λειτουργούν σε οργανικό κύκλο Rankine, που είναι κατάλληλες για χαμηλότερες θερμοκρασίες και μικρότερης κλίμακας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραπάνω προτεινόμενη λύση προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία από την απλή θερμική αποθήκευση που αποθηκεύει τη θερμική ενέργεια και στη συνέχεια την επιστρέφει στον αρχικό σταθμό παραγωγής. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήθηκαν 2 σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η θερμοδυναμική μελέτη του σταθμού παραγωγής συνδυασμένου κύκλου στο Αλιβέρι Ευβοίας ισχύος 432-MW, απέδειξε πως η συνδυασμένη μέγιστη ισχύς του σταθμού με την ένταξη της θερμικής αποθήκευσης ισούται με 495- MW, δηλαδή ο σταθμός μπορεί να προσφέρει 14% περισσότερη ισχύς κατά τη διάρκεια αιχμής της ζήτησης. Στη συνέχεια υπολογίστηκε το ετήσιο όφελος του σταθμού παραγωγής αν εφάρμοζε αυτή την τακτική στο Ευρωπαϊκό Χρηματιστήριο Ενέργειας. Η 2η μελέτη περίπτωσης αφορά τον σταθμό παραγωγής με άνθρακα στον Αθερινόλακο, Κρήτης, μέγιστης ισχύος 50-MW και αποδείχθηκε πως η συνδυασμένη μέγιστη ισχύς του σταθμού και της θερμικής αποθήκευσης είναι 70-MW, 40% μεγαλύτερη στην αιχμή ζήτησης από ότι χωρίς τη θερμική αποθήκευση. Οι ροές ισχύος και η ευστάθεια του συστήματος, μέσω της χρήσης του λογισμικού DIGsilent, απέδειξαν το πλεονέκτημα της εφαρμογής της θερμικής αποθήκευσης. Στη περίπτωση της Κρήτης δημιουργήθηκε ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας για το 2020, λαμβάνοντας υπόψιν τη διασύνδεση της Κρήτης με την ηπειρωτική Ελλάδα, που σκοπό έχει τη βελτιστοποίηση της φόρτισης των θερμικών μονάδων κατά την περίοδο χαμηλής ζήτησης και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τις θερμικές πηγές στην αιχμή. Αυτή η πρακτική απέδειξε πως το ετήσιο όφελος για τον διαχειριστή του συστήματος είναι 5 εκατομμύρια ετησίως και η απόσβεση της επένδυσης πραγματοποιείται σε λιγότερο από 4 χρόνια.My diploma thesis concerns the energy management of power stations with integrated thermal energy storage based on phase change materials in order to enable the increasing penetration of intermittent renewable energy sources in smart grids. The efficiency of combined-cycle and coal-fired power plants varies with the load demand. It is proposed here that during off-peak demand, steam can be extracted from any such power station, for charging an array of thermal tanks that contain suitable phase-change materials (PCMs); at a later time when this is required and/or economically favourable, these thermal energy storage (TES) tanks can act as the heat sources of secondary thermal power plants in order to generate power, for example as evaporators of organic Rankine cycle (ORC) plants that are suitable for power generation at reduced temperatures and smaller scales. This type of solution offers greater flexibility than TES-only solutions that store thermal energy and then release this back to the original power station.In a case study considered in this work of a 432-MW rated combined-cycle power station, in Aliveri, Greece, it is found through a thermodynamic analysis that a maximum combined power of 495 MW can be delivered during peak demand, which is 15% higher than the combined-cycle plant’s full-load rating. An additional case study considered of a 50-MW rated coal-fired power plant in Crete and it is found that a maximum combined power of 70 MW can be delivered during peak demand, which is 40% higher than the combined-cycle plant’s full-load rating. Power flows and stability studies by using DIgSILENT show the advantages of this scheme. In such a scheme, an energy management system (EMS) would be established to optimize the derating of power stations for the charging of the thermal tanks during off-peak demand periods and to control the discharging of the tanks for electricity generation from the secondary plants during the peak-demand periods. This practice is associated with an annualized profit of EUR 5000k and a payback period less than 4 years.