Ενεργειακή Προσομοίωση Και Βέλτιστη Διαστασιολόγηση Υβριδικού Συστήματος Απε - Συσσωρευτών - Υδρογόνου

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας αυτόνομων υβριδικών συστημάτων ενέργειας αποτελούμενων από ανεμογεννήτριες, φωτοβολταϊκά, συμβατικές μονάδες παραγωγής και συστήματα αποθήκευσης που αποσκοπούν στην επίτευξη υψηλών διεισδύσεων ΑΠΕ. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε αλγόριθμος ετήσιας προσομοίωσης υβριδικών σταθμών στον οποίο ενσωματώθηκαν εναλλακτικές στρατηγικές διαχείρισης και ελέγχου. Ο αλγόριθμος προγραμματίστηκε σε περιβάλλον MATLAB και εφαρμόστηκε στο αυτόνομο σύστημα του Αγ. Ευστρατίου, που φιλοδοξεί να μετατραπεί στο πρώτο «πράσινο» ελληνικό νησί.Θεωρήθηκαν δύο εναλλακτικές συγκροτήσεις του αυτόνομου συστήματος με την πρώτη να περιλαμβάνει μόνο συσσωρευτές μολύβδου-οξέως ως διατάξεις αποθήκευσης, ενώ τη δεύτερη να περιλαμβάνει επιπλέον και σύστημα υδρογόνου. Η φόρτιση και η εκφόρτιση των συσσωρευτών προσομοιώνεται με τη χρήση του μοντέλου KiBaM που επιπλέον δίνει και τη δυνατότητα εκτίμησης της διάρκειας ζωής τους. Το σύστημα υδρογόνου αποτελείται από μονάδες ηλεκτρόλυσης, συμβατική δεξαμενή αποθήκευσης καθώς και ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη υδρογόνου. Η μοντελοποίηση των ηλεκτρολυτών γίνεται με την εφαρμογή του μοντέλου που έχει προταθεί από τον Ulleberg, ενώ οι μηχανές καύσης υδρογόνου μοντελοποιούνται απλά με τη θεώρηση τεχνικών ελαχίστων και δυναμικών περιορισμών, όπως άλλωστε και οι συμβατικές μονάδες. Για την πραγματοποίηση της τεχνικής ανάλυσης διαμορφώθηκαν κάποια σενάρια εγκατεστημένης ισχύος ΑΠΕ, αποθήκευσης και φορτίου τα οποία προέκυψαν έπειτα από στατιστική ανάλυση των χρονοσειρών παραγωγής ΑΠΕ και φορτίου του νησιού. Για τα σενάρια αυτά εφαρμόστηκαν εναλλακτικές στρατηγικές διαχείρισης οι οποίες αξιολογήθηκαν με βάση τη συμβολή τους στη διείσδυση ΑΠΕ, την μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, αλλά και τη διασφάλιση της εύρυθμης και αξιόπιστης λειτουργίας. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν ότι η εγκατάσταση του υβριδικού σταθμού και η λειτουργία του με βάση την προτεινόμενη μέθοδο μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική διείσδυση ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο. Η επιλογή της διαστασιολόγησης των συνιστωσών του σταθμού αποτελεί καίριο ζήτημα που επηρεάζει άμεσα την οικονομική βιωσιμότητα της αντίστοιχης επένδυσης. Για την βέλτιστη διαστασιολόγηση του σταθμού έγινε εφαρμογή της ευριστικής μεθόδου των Γενετικών Αλγορίθμων έπειτα από τη διαμόρφωση κατάλληλου μοντέλου υπολογισμού οικονομικής αποδοτικότητας σε βάθος της διάρκειας ζωής της επένδυσης. Σε δεύτερη φάση στα κριτήρια βελτιστοποίησης ενσωματώθηκε και ο παράγοντας διείσδυσης ΑΠΕ οδηγώντας έτσι σε μία προσέγγιση πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης έδειξαν ότι επενδύσεις με κατάλληλες διαστασιολογήσεις του υβριδικού σταθμού όχι μόνο εξασφαλίζουν μικρότερο ολικό κόστος παραγωγής, αλλά συμβάλουν και στην επίτευξη υψηλών διεισδύσεων. Στα πλαίσια των παραπάνω πραγματοποιείται και μία εκτενής ανασκόπηση της βιβλιογραφίας σχετικά με εφαρμογές υβριδικών συστημάτων παγκοσμίως, ενώ γίνεται και συγκριτική αξιολόγηση των διαφόρων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας.