Τεχνολογίες 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.