Διαστασιολόγηση μονάδας εγγυημένης ισχύος από φωτοβολταϊκά με αποθήκευση ενέργειας συμπιεσμένου αέρα

• Κύριος συγγραφέας: Καραγκούνης, Ιωάννης-Μάριος
• Άλλοι συγγραφείς: Karagkounis, Ioannis-Marios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας; Αποθήκευση ενέργειας; CAES; RESCHP

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται κατά πόσο είναι εφικτή και οικονομική η αυτονομία ενός συστήματος φωτοβολταϊκών που έχει ως αποθηκευτική μονάδα ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας υπό μορφή συμπιεσμένου αέρα (Compressed Air Energy Storage ή CAES). Δεδομένη θεωρείται η εγκατεστημένη ισχύς των φωτοβολταϊκών και η εγγυημένη ισχύς που πρέπει να εξασφαλίζει το σύστημα. Στο πλαίσιο της εργασίας, εξετάζονται τρία διαφορετικά μοντέλα υλοποίησης του αυτόνομου συστήματος, ως προς την τεχνολογία αποθήκευσης που χρησιμοποιείται: α) αποθήκευση με χρήση μπαταριών ιόντων λιθίου, β) αποθήκευση με χρήση μονάδας CAES, αδιαβατικού τύπου ή A-CAES και γ) αποθήκευση με μονάδα CAES αδιαβατικού τύπου και ταυτόχρονη παραγωγή θερμικής ενέργειας για θέρμανση χώρων το χειμώνα (Renewable Energy System Combined Power and Heat ή RESCHP). Στο τέλος της διπλωματικής εργασίας εξάγονται δύο σημαντικά συμπεράσματα. Πρώτο συμπέρασμα είναι ότι την καλύτερη ενεργειακή απόδοση παρέχει το σύστημα RESCHP, με θεωρητικό βαθμό απόδοσης 97%, ακολουθούμενο από τους συσσωρευτές με βαθμό απόδοσης 80% και τέλος το A-CAES με βαθμό απόδοσης 55%. Το δεύτερο συμπέρασμα είναι ότι τo κόστος ανά kWh, για το σύστημα που γίνεται χρήση CAES και το μοντέλο που γίνεται χρήση συσσωρευτών, έχουν κόστος 0,046 €/kWh και 0,076 €/kWh, με δύο πολύ σημαντικές διαφορές: α) το σύστημα CAES, μπορεί με μικρή αύξηση αρχικού κόστους, να αποκτήσει αυτονομία μεγαλύτερη από αυτή που απαιτεί το σύστημα, ρίχνοντας έτσι το κόστος σε €/kWh και β) το σύστημα CAES έχει ελάχιστη διάρκεια ζωής 40 χρόνια, ενώ οι συσσωρευτές μέγιστη διάρκεια ζωής 10 χρόνια, με αποτέλεσμα σε βάθος 40 χρόνων, το μοντέλο CAES να γίνεται πολύ πιο οικονομικό. Στην διπλωματική εργασία εξετάζεται επίσης κατά πόσο είναι εφικτή η υλοποίηση του κάθε συστήματος, λαμβάνοντας υπόψιν τις συνθήκες του μήνα όπου τα φωτοβολταϊκά παράγουν την μικρότερη ενέργεια, καθώς εκείνο το μήνα το σύστημα θα βρεθεί στη δυσχερέστερη θέση. Αφού βρεθεί ο μήνας αυτός, για μία τυπική του ημέρα, σύμφωνα με το λογισμικό PVGIS, εξετάζεται η ικανότητα των φωτοβολταϊκών να καλύψουν τις απαιτήσεις του συστήματος. Ένα επιπλέον βήμα που θα μπορούσε να εξεταστεί, είναι η χρήση ενός αλγορίθμου μηχανικής μάθησης, ώστε να ρυθμίζεται κατάλληλα η παροχή αέρα στις τουρμπίνες των συστημάτων A-CAES και RESCHP. Οι τουρμπίνες έχουν επιλεχθεί, ώστε να παράγουν περισσότερη ισχύ από αυτή που απαιτεί το σύστημα. Επιπλέον, καθώς η παραγόμενη ισχύς και η παροχή αέρα έχουν γραμμική σχέση, μειώνοντας την παροχή αέρα, ελαττώνεται η ισχύς στο επίπεδο που απαιτεί το σύστημα και παράλληλα, η δεξαμενή αδειάζει με αργότερο ρυθμό. Τα αποτελέσματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας μπορούν να οδηγήσουν σε νέες μελέτες, οι οποίες θα αποδείξουν ότι η ενεργειακή αυτονομία συστημάτων ενέργειας που έχουν ως πηγή κάποια ΑΠΕ, μπορεί να εξασφαλιστεί για αποθήκευση μεγάλης κλίμακας με τη χρήση μονάδων CAES, καθώς με τον κατάλληλο σχεδιασμό, μπορούν να αποδειχτούν πιο οικονομικά και να είναι πιο αποδοτικά σε σχέση με τους συσσωρευτές. Αυτό θα οδηγήσει στην ομαλή διείσδυση των ΑΠΕ στην ενεργειακή «πίτα», και κατ’ επέκταση θα οδηγήσει σε λύση του ενεργειακού ζητήματος χρησιμοποιώντας πράσινες μορφές ενέργειας. Το πρώτο κεφάλαιο είναι εισαγωγικό και γίνεται αναφορά στις ήπιες μορφές ενέργειας και στις διάφορες τεχνολογίες αποθήκευσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο, εξηγείται η αρχή λειτουργίας των διάφορων τύπων CAES και γίνεται αναφορά στις διάφορες δεξαμενές αποθήκευσης συμπιεσμένου αέρα. Στο τρίτο κεφάλαιο, εξηγείται η μεθοδολογία διαστασιολόγησης συσσωρευτών για αυτόνομο σύστημα σε νησί, συγκεκριμένης εγκατεστημένης ισχύος φωτοβολταϊκών και εγγυημένης ισχύος στο δίκτυο. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναλύεται η μεθοδολογία διαστασιολόγησης μονάδας με χρήση A-CAES, ώστε ο αναγνώστης να εξοικειωθεί με τη συγκεκριμένη μονάδα αποθήκευσης. Στο πέμπτο κεφάλαιο, γίνεται ανάλυση της μεθοδολογίας διαστασιολόγησης για το σύστημα RESCHP, που είναι και το βασικό μοντέλο που εξετάζεται σε τούτη τη διπλωματική εργασία. Στο έκτο κεφάλαιο, γίνεται οικονομική σύγκριση των τριών συστημάτων αποθήκευσης που αναφέρονται στα κεφάλαια τρία έως πέντε, ώστε να καθοριστεί πιο είναι πιο οικονομικό. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο αναφέρονται τα τελικά συμπεράσματα, τόσο για το τεχνικό κομμάτι της εργασίας όσο και για το προσωπικά οφέλη από την πορεία της εκπόνησής τους.