Βέλτιστη διαχείριση αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων με σταθμούς αποθήκευσης για επίτευξη υψηλής διείσδυσης ΑΠΕ

Abstract

Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η εξέταση της λειτουργίας αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων για επίτευξη υψηλής διείσδυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), αξιολογώντας παράλληλα τη συνεισφορά των σταθμών αποθήκευσης σε αυτόν τον σκοπό. Αρχικά, αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία διαχείρισης της παραγωγής αυτόνομων ηλεκτρικών συστημάτων που παρουσιάζουν σημαντική διείσδυση μη κατανεμόμενων ΑΠΕ, προτείνοντας μία συνεκτική διατύπωση του προβλήματος ένταξης και φόρτισης των μονάδων του συστήματος, βασιζόμενη στη μέθοδο του μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού. Το προτεινόμενο μοντέλο συνεισφέρει πρωτίστως στην ασφαλή λειτουργία των αυτόνομων συστημάτων, ενσωματώνοντας μία πλήρη αναπαράσταση των απαιτούμενων εφεδρειών ενεργού ισχύος και συσχετίζοντας την ικανότητα ταχείας απόκρισης των μονάδων του συστήματος με τη μεγίστη επιτρεπτή διακύμανση της συχνότητάς του μετά από σοβαρές διαταραχές. Παράλληλα, η μέγιστη απορρόφησης ενέργειας ΑΠΕ συνδέεται άμεσα με τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά των μονάδων του αυτόνομου συστήματος και το όριο συχνότητας του δικτύου, χωρίς να γίνεται χρήση απλουστευτικών υποθέσεων, όπως συμβαίνει έως τώρα στη σχετική βιβλιογραφία. Τέλος, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε είναι άμεσα εφαρμόσιμη για τα ελληνικά μη διασυνδεδεμένα νησιά (ΜΔΝ), καθώς είναι πλήρως συμβατή με το θεσμικό πλαίσιο που διέπει τη διαχείριση της παραγωγής τους, παραμένοντας ωστόσο αρκετά γενική για εφαρμογή σε οποιοδήποτε άλλο αυτόνομο σύστημα. Το παραπάνω μοντέλο που αναπτύχθηκε για τη διαχείριση της παραγωγής των ΜΔΝ αποτελεί τη βάση για τη διερεύνηση του ρόλου της αποθήκευσης σε αυτά. Αρχικά, εξετάζεται το πλαίσιο λειτουργίας των υβριδικών σταθμών παραγωγής (ΥΒΣ), οι οποίοι περιλαμβάνουν αποθηκευτικές μονάδες και ΑΠΕ. Οι ΥΒΣ συμμετέχουν ως μία ενιαία κατανεμόμενη οντότητα στην αγορά των νησιών, με τις εσωτερικές τους συνιστώσες να υπόκεινται στη διαχείριση του υβριδικού παραγωγού. Για την αξιολόγηση της λειτουργίας των αυτόνομων συστημάτων παρουσία ΥΒΣ, η μεθοδολογία ένταξης και φόρτισης των μονάδων τροποποιείται κατάλληλα, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται μοντέλο εσωτερικής διαχείρισης του ΥΒΣ ώστε να αποτυπώσει ορθολογικά τις επιδιώξεις του λειτουργού του. Μέσω της ανάλυσης που πραγματοποιείται παρουσιάζονται τα οφέλη για τη λειτουργία του συστήματος λόγω της παρουσίας ΥΒΣ που περιλαμβάνουν αποθηκευτικούς σταθμούς μπαταριών και διάφορες τεχνολογίες ΑΠΕ, ενώ οι διάφορες διαμορφώσεις ΥΒΣ που εξετάζονται συγκρίνονται μεταξύ τους αναφορικά με την αποδοτικότητά τους. Πέραν των ΥΒΣ, εξετάζονται επιπλέον κεντρικά διαχειριζόμενοι, ευέλικτοι αποθηκευτικοί σταθμοί, ως εναλλακτική τυπολογία αποθήκευσης. Το μοντέλο διαχείρισης της παραγωγής του αυτόνομου συστήματος τροποποιείται και πάλι ώστε να συμπεριλάβει τις ιδιαιτερότητες των σταθμών αυτών, ενώ τα εξαγόμενα αποτελέσματα αναδεικνύουν ότι η βασική συμβολή τους περιορίζεται στην παροχή πρωτεύουσας εφεδρείας στο σύστημα, συχνά χωρίς να συμμετέχουν ουσιωδώς στη διακίνηση ενέργειας από την αιχμή στην κοιλάδα της καμπύλης ζήτησης. Παράλληλα, αναλύεται η σκοπιμότητα των σχετικών επενδύσεων βάσει τριών δεικτών: της έντοκης περιόδου αποπληρωμής, του σταθμισμένου κόστους ενέργειας και του σταθμισμένου κόστους εφεδρειών. Ο πρώτος δείκτης προσδιορίζει τη βιωσιμότητα της επένδυσης θεωρώντας ότι αυτή καρπώνεται το σύνολο του οικονομικού οφέλους που δημιουργείται στο νησιωτικό σύστημα λόγω της παρουσίας της. Η εφαρμογή του δεύτερου δείκτη οδηγεί σε μη ρεαλιστικές τιμές αποζημίωσης, ενώ αντίθετα ο τρίτος, ο οποίος λαμβάνει υπόψη τη συμβολή των αποθηκευτικών σταθμών αποκλειστικά σε πρωτεύουσα εφεδρεία, οδηγεί σε λογικές τιμές αποζημίωσης και δυνητικά βιώσιμες επενδύσεις κεντρικής αποθήκευσης. Τέλος, πραγματοποιείται συγκριτική ανάλυση των δύο τυπολογιών αποθήκευσης που αναπτύχθηκαν στην παρούσα εργασία, δηλαδή των ΥΒΣ και της αποθήκευσης κεντρικής διαχείρισης, σε συνθήκες εξαιρετικά αυξημένης διείσδυσης ΑΠΕ. Ειδικότερα, εξετάζεται νησιωτικό σύστημα στο οποίο εγκαθίσταται επιπρόσθετη σημαντική ισχύς Α/Π, η οποία είτε ενσωματώνεται σε ΥΒΣ είτε υποστηρίζεται από κεντρικά διαχειριζόμενες αποθηκευτικές διατάξεις. Τελικά εξετάζεται ένα σύνολο 100 διαφορετικών διαμορφώσεων αποθήκευσης, από τις οποίες οι μισές αφορούν ΥΒΣ και οι λοιπές κεντρική αποθήκευση, αξιοποιώντας τις μεθοδολογίες βέλτιστής διαχείρισης που αναπτύχθηκαν στη διατριβή. Βασικό συμπέρασμα της ανάλυσης που διενεργήθηκε είναι ότι και οι δύο τυπολογίες αποθήκευσης μπορούν να οδηγήσουν σε αντίστοιχη αύξηση της διείσδυσης ΑΠΕ, με κατάλληλη διαστασιολόγηση των συνιστωσών τους, ωστόσο η κεντρική αποθήκευση μπορεί να επιτύχει το ίδιο αποτέλεσμα διείσδυσης με τους ΥΒΣ, χρησιμοποιώντας σαφώς μικρότερές αποθηκευτικές διατάξεις.