Τεχνοοικονομική μοντελοποίηση ενεργειακού συστήματος με υδρογόνο και καύσιμα παραγόμενα από ηλεκτρική ενέργεια. Εφαρμογή σε μακροχρόνιο σχεδιασμό προς την κλιματική ουδετερότητα.

Abstract

Η αντιμετώπιση της απειλής από την κλιματική αλλαγή οδηγεί στην υιοθέτηση πολιτικών μετασχηματισμού του ενεργειακού συστήματος με σκοπό τον δραστικό περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η Ευρωπαϊκή Ένωση πρωτοστατεί θέτοντας φιλόδοξους στόχους για τη μείωση των εκπομπών και έχοντας ως βασικό σκοπό τη μετάβαση σε μία οικονομία κλιματικής ουδετερότητας με μηδενικές εκπομπές άνθρακα μέχρι το 2050. Ο στόχος της επίτευξης της κλιματικής ουδετερότητας συνεπάγεται πολλές προκλήσεις και ερωτήματα σχετικά με τους τρόπους μετάβασης και τις πιθανές στρατηγικές για τη μείωση των εκπομπών. Η επίτευξη φιλόδοξων περιβαλλοντικών στόχων προϋποθέτει την είσοδο νέων τεχνολογιών αλλά και την ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων και των συνεργασιών διαφόρων τομέων ενέργειας (ηλεκτρισμού, θερμότητας, υδρογόνου και αερίου). Παραδείγματα αλληλεπίδρασης αποτελούν ο άμεσος εξηλεκτρισμός της ενέργειας για θερμότητα και μεταφορές αλλά και ο έμμεσος εξηλεκτρισμός μέσω της χρήσης συνθετικών καυσίμων. Τα συνθετικά καύσιμα όπως το υδρογόνο, το συνθετικό μεθάνιο και οι συνθετικοί υγροί υδρογονάνθρακες, αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο μελλοντικό ενεργειακό σύστημα καθώς εκτός από το ότι συμβάλλουν στην επίτευξη της κλιματικής ουδετερότητας προσφέρουν ταυτόχρονα υπηρεσίες αποθήκευσης στο σύστημα. Απαραίτητη προϋπόθεση για να είναι κλιματικά ουδέτερα είναι να παράγονται από ΑΠΕ και από κλιματικά ουδέτερο διοξείδιο του άνθρακα (για τους υδρογονάνθρακες). Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός τεχνοοικονομικού μοντέλου βέλτιστου μακροχρόνιου σχεδιασμού του ενεργειακού συστήματος στο οποίο αναπαρίστανται οι τεχνολογίες παραγωγής και χρήσης υδρογόνου και καυσίμων που παράγονται από ηλεκτρική ενέργεια καθώς επίσης και οι αλληλεπιδράσεις τους με το λοιπό ενεργειακό σύστημα. Στόχος του μοντέλου είναι ο υπολογισμός των βέλτιστων επενδύσεων και της βέλτιστης οικονομικά λειτουργίας του συνολικού συστήματος ενεργειακής παραγωγής έτσι ώστε να επιτύχει το ενεργειακό σύστημα κλιματική ουδετερότητα μέχρι το 2050 καθώς και τους ενδιάμεσους στόχους μείωσης εκπομπών. Στο προτεινόμενο μαθηματικό μοντέλο περιλαμβάνεται η οικονομικά και τεχνικά βέλτιστη χωροθέτηση των υποδομών παραγωγής συνθετικών καυσίμων και υδρογόνου σε επίπεδο περιφερειών μίας χώρας. Το μαθηματικό μοντέλο περιλαμβάνει τα συστήματα παραγωγής, μεταφοράς και αποθήκευσης ενέργειας όλων των ενεργειακών μορφών και επιλύεται διαχρονικά μέσω γραμμικού-ακέραιου προγραμματισμού. Το προτεινόμενο υπολογιστικό εργαλείο αναπαριστά τους τομείς ηλεκτροπαραγωγής, αερίου, βιοκαυσίμων, διυλιστηρίων, συνθετικών καυσίμων και υδρογόνου, καθώς επίσης και τα δίκτυα μεταφοράς και τις εγκαταστάσεις αποθήκευσης. Οι υποδομές αυτές εξελίσσονται ενδογενώς στο χρόνο μέσω επενδύσεων και η λειτουργία τους ικανοποιεί τη ζήτηση για διάφορες ενεργειακές μορφές ελαχιστοποιώντας την παρούσα αξία του συνολικού κόστους. Η βελτιστοποίηση σε συνολικό επίπεδο ενεργειακού συστήματος αφορά το κόστος λειτουργίας, το κόστος επένδυσης και το τυχόν κόστος εκπομπής αερίων θερμοκηπίου. Το μοντέλο αναπαριστά τις χρονικές διακυμάνσεις εντός του έτους της ζήτησης και των ΑΠΕ και προσδιορίζει τη χρονική λειτουργία των μονάδων παραγωγή και αποθήκευσης για όλες τις μορφές ενέργειας ταυτόχρονα. Το μοντέλο θεωρεί δεδομένα για τα τεχνικά και τα οικονομικά στοιχεία πολλών εναλλακτικών τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, υδρογόνου συνθετικών καυσίμων, βιοκαυσίμων και συμβατικών υδρογονανθράκων. Στο μοντέλο περιλαμβάνονται επίσης, εναλλακτικές τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας όπως αποθήκευσης αερίου, υδρογόνου, διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και ηλεκτρικής ενέργειας (αντλησιοταμίευση, μπαταρίες, συμπιεσμένος αέρας και τεχνολογίες έμμεσης αποθήκευσης μέσω υδρογόνου). Τα δίκτυα μεταφοράς περιλαμβάνουν τα δίκτυα ηλεκτρισμού, αερίου αλλά και οδικά/θαλάσσια δίκτυα για την αναπαράσταση της διανομής όλων των ενεργειακών μορφών. Η αποθήκευση και τα δίκτυα μεταφοράς αναφέρονται με διαφορετικά οικονομοτεχνικά χαρακτηριστικά ανάλογα με το ενεργειακό προϊόν που αποθηκεύουν ή μεταφέρουν, όπως ηλεκτρική ενέργεια, ή ενέργεια σε αέρια, στερεή ή υγρή μορφή. Για τη μοντελοποίηση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιήθηκε η γραμμική αναπαράσταση ροών φορτίου συνεχούς ρεύματος. Για τα δίκτυα αερίου, η αναπαράσταση ακολουθεί τη γραμμική προσέγγιση που απλουστεύει το δυναμικό μοντέλο διατήρησης πίεσης και μάζας. Αναφορικά με τη σύζευξη των τομέων, έμφαση δίνεται στην εύρεση του άριστου οικονομικά και τεχνικά συνδυασμού μεταξύ της απευθείας χρήσης της ηλεκτρικής ενέργειας και της χρήσης της για την παραγωγή υδρογόνου και συνθετικών καυσίμων, τα οποία επιπλέον συνεισφέρουν έμμεσα στην εξομάλυνση των διακυμάνσεων της ηλεκτροπαραγωγής λόγω της στοχαστικότητας των ΑΠΕ. Για το σκοπό αυτό, συνυπολογίζονται οι επενδύσεις παραγωγής και αποθήκευσης, τα δίκτυα και ο χρονικός συντονισμός λειτουργίας τους συνδυάζοντας την παραγωγή, αποθήκευση και κατανάλωση. Το μοντέλο υπολογίζει επίσης ενδογενώς, τη βέλτιστη χωροθέτηση υποδομών παραγωγής συνθετικών καυσίμων, λαμβάνει υπόψη μη γραμμικές οικονομίες κλίμακας, τη γειτνίαση με δίκτυα και ενεργειακούς πόρους καθώς επίσης και την πυκνότητα της ζήτησης. Για το σκοπό αυτό, το μοντέλο εφαρμόζει ακέραιο μεικτό προγραμματισμό. Στο μοντέλο αναπαραστάθηκε αριθμητικά η περίπτωση της Ελλάδας. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε επίπεδο περιφερειών (NUTS-1 ανάλυση) για τις οποίες λήφθηκαν υπόψη τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά και οι ιδιαιτερότητες της κάθε περιφέρειας. Η εφαρμογή του μοντέλου για την Ελλάδα έγινε για διάφορα εναλλακτικά σενάρια και για τον μακροχρόνιο ορίζοντα. Συμπεράσματα εξάγονται σχετικά με την εύρεση του βέλτιστου συνδυασμού χρήσης ηλεκτρισμού, υδρογόνου και συνθετικών καυσίμων που παράγονται από ηλεκτρική ενέργεια. Αναλύεται επιπλέον, η αλληλεπίδραση μεταξύ των συστημάτων παραγωγής, διανομής και αποθήκευσης διαφόρων ενεργειακών μορφών, καθώς και η διείσδυση των ΑΠΕ. Αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε επίσης, η διερεύνηση της βέλτιστης χωροθέτησης μονάδων παραγωγής συνθετικών καυσίμων λαμβάνοντας υπόψη την εφαρμογή οικονομιών κλίμακας. Τέλος, εξετάζεται ο ρόλος των δικτύων (ηλεκτρισμού και αερίου) στο ενεργειακό σύστημα, καθώς επίσης και η βέλτιστη ταυτόχρονη λειτουργία των συστημάτων μεταφοράς και διανομής σε συνδυασμό με τις υποδομές αποθήκευσης.