ECE 445 Lecture Wind Energy€¦ · ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Compressed air...

ΗΜΥ 445/681Αιολική ενέργεια

Δρ. Ηλίας ΚυριακίδηςΕπίκουρος Καθηγητής

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

© 2009 Ηλίας Κυριακίδης, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Κύπρου

ΤΑ ΘΕΜΑΤΑΜΑΣ ΣΗΜΕΡΑ

• Τι είναι η αιολική ενέργεια;• Άνεμος και αιολικό δυναμικό• Θεωρία ανεμογεννητριών• Μέρη ανεμογεννήτριας• Αιολικά πάρκα• Εγκατάσταση ανεμογεννήτριας• Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα• Λειτουργία και ζητήματα σύνδεσης στοδίκτυο

•Είναι η ενέργεια που εμπεριέχεται στις αέριες δυνάμειςπου φυσούν στην επιφάνεια της γης.

•Ο άνεμος δημιουργείται όταν ο αέρας που θερμαίνεταιπάνω από τη γη ανεβαίνει, αφήνοντας κενό από κάτωτου.

•Ακολούθως, ο κρύος αέρας αντικαθιστά τον ζεστό αέραγια να γεμίσει το κενό. Αυτή η μετακίνηση του αέρα είναιο άνεμος.

•Η αιολική ενέργεια μετατρέπει την κινητική ενέργεια τουανέμου σε μηχανική ή ακολούθως σε ηλεκτρική.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ;

ΑΠΟ ΤΑ ΑΡΧΑΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑΠερσικός ανεμόμυλος Πιστεύεται ότι οι ανεμόμυλοι είχαν

χρησιμοποιηθεί ακόμη και πριν 4000 χρόνια.

Οι αρχαίοι Πέρσες χρησιμοποιούσαντην αιολική ενέργεια για άντλησηνερού.

Ο κόσμος έχει εξερευνηθεί με πλοίακινούμενα με αιολική ενέργεια (πανιά).

ΑΠΟ ΤΑ ΑΡΧΑΙΑ ΧΡΟΝΙΑ ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ-- Άντληση νερού σε χωράφια και φάρμες-- Χρήση αυτού του τύπου ανεμόμυλων γιαπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Ολλανδικοί ανεμόμυλοι-- Χρήση ως αλεστήρες-- Άντληση νερού για να μεταφερθείπίσω στην θάλασσα και ναανακτηθεί περισσότερη γη

ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

-- Αυξημένη ερευνητική δραστηριότητα στις ανεμογεννήτριες-- Οι μοντέρνες ανεμογεννήτριες είναι πολύ μεγαλύτερες και πολύπιο αποδοτικές από τους ανεμόμυλους.-- Χρήση της αεροδυναμικής και της μηχανικής για βελτιστοποίησητων ανεμογεννητριών.-- Είναι τώρα αξιόπιστες, σε λογικές τιμές, χωρίς μόλυνση τουπεριβάλλοντος.

Τη δεκαετία του 1970, οι ξαφνικές αυξήσεις στην τιμή τουπετρελαίου και η αύξηση της ευαισθησίας για τον περιβαλλοντικόαντίκτυπο των ορυκτών καυσίμων, οδήγησαν στην αύξηση τουενδιαφέροντος για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο.

ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΝΕΜΟΥΘεωρητικά, 1-2% της ακτινοβολίας του ήλιου που φτάνει στη γημετατρέπεται σε αιολική ενέργεια. Αυτή η ποσότητα ενέργειας είναι100 φορές περισσότερη από όλη την ενέργεια που καταναλώνεταιστον πλανήτη. Ο ήλιος θερμαίνει το έδαφος το οποίο ακολούθως θερμαίνει τοναέρα από πάνω του. Ο θερμός αέρας ανεβαίνει, δημιουργώντας χαμηλή πίεση.Κρύος αέρας μετακινείται στη θέση του δημιουργώντας κίνησηαέριων μαζών.Αυτή η κίνηση είναι ο άνεμος.

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΑΝΕΜΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΕΡΗ

ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΑΝΕΜΩΝΗ κατανομή των ανέμων σε μια περιοχήμοντελοποιείται συνήθως με μια κατανομή Weibull.

Αν γίνουν μετρήσεις κατά τη διάρκεια ενός χρόνου, θα παρατηρηθεί ότι συνήθως οι πολύ δυνατοίάνεμοι είναι σπάνιοι, ενώ οι μέτριοι άνεμοι είναιαρκετά συχνοί.

Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥΗ ισχύς εισόδου μιας ανεμογεννήτριαςπροέρχεται από την μετατροπή της δύναμηςτου ανέμου σε ροπή, περιστρέφοντας τουςέλικες του δρομέα.

Η ποσότητα της ενέργειας του ανέμου πουμεταφέρεται στο δρομέα εξαρτάται από τηνπυκνότητα του αέρα, την επιφάνεια τουδρομέα και την ταχύτητα του ανέμου.

Επιφάνεια δρομέαΜια ανεμογεννήτρια 600 kW έχει διάμετροδρομέα περίπου 40 m (A = 1260 m2).

Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΑΝΕΜΟΥ

Δεν μπορεί να μαζευτεί όλη η κινητική ενέργεια του ανέμου.

Ένα μέρος του ανέμου θα αποκλίνει πριν ακόμη φτάσει στο δρομέα.

ΕΜΠΟΔΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΑΣΜΑΤΑΑν περπατήσετε μεταξύ ψηλών κτηρίων ή μέσω μιας στενήςδιάβασης μεταξύ βουνών, θα παρατηρήσετε ότι η ταχύτητα τουανέμου αυξάνεται.

Επομένως, ένας έξυπνος τρόποςγια επίτευξη ψηλών ταχυτήτωνανέμου, είναι οι ανεμογεννήτριεςνα τοποθετούνται στα περάσματαμεταξύ λόφων.

Ο αέρας συμπιέζεται στην πλευράπου φυσά ο άνεμος και η ταχύτητατου αυξάνεται αρκετά.

ΕΜΠΟΔΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Όμως, για να είναι επιτυχημένη αυτή η εγκατάσταση πρέπει τοπέρασμα να είναι ομαλό, χωρίς οι γύρω λόφοι να είναι απότομοι ή μεαρκετές εναλλαγές. Αλλιώς, θα δημιουργηθούν αναταραχές λόγωτων απότομων μεταβολών κατεύθυνσης του αέρα μέσα στο πέρασμα.

Αν υπάρχουν τέτοιες μεταβολές, τότε μπορεί να ακυρώσουν τοπλεονέκτημα της ύπαρξης μεγαλύτερων ταχυτήτων και ακόμη ναδημιουργήσουν φθορά στην ανεμογεννήτρια.

ΕΜΠΟΔΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Το φαινόμενο της αύξησης ταχύτητας μπορεί να παρατηρηθεί καισε λόφους.

Ο λόγος είναι ότι ο αέρας συμπιέζεται στην πλευρά που φυσά οάνεμος και όταν φτάσει στην κορυφή αποσυμπιέζεται στο χώροπέρα από την κορυφή όπου η πίεση είναι χαμηλότερη.

ΘΕΩΡΙΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

Ισχυρή εξάρτηση από την ταχύτητα του ανέμου.

Area AArea A

Speed v

Κινητική ενέργεια = 32221)(

21

21 AvvAvmv ρρ ==

321 vq ρ=

Μάζα

Επομένως, η πυκνότητα ισχύος (ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας) είναι:

ΕΞΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟDrag force (Οπισθέλκουσα δύναμη)

Lift force (Δυναμική άνωση)

ΕΞΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΑΝΕΜΟ

Η οπισθέλκουσα δύναμη (drag force) είναι αυτή που είναι παράλληλη με τηνσχετική ταχύτητα του ανέμου.

Η δυναμική άνωση είναι αυτή που είναικάθετη με την ταχύτητα του ανέμου.

ΔΥΝΑΜΙΚΟΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΥΗ ποσότητα ισχύος που μπορεί να παράξει μια ανεμογεννήτριαεξαρτάται από την διαθεσιμότητα του ανέμου και την ταχύτητα του.

Το ποσοστό της ενέργειας που παράγει μια ανεμογεννήτρια σε σχέσημε την ενέργεια που θα μπορούσε να παράγει αν λειτουργούσεσυνθήκες μέγιστης παραγωγής ισχύος ονομάζεται συντελεστήςδυναμικότητας (capacity factor).

Αναμενόμενη ενέργεια (MWh) = Ικανότητα παραγωγής (MW) * 8760 ώρες/χρόνο * συντελεστή δυναμικότητας

Παράδειγμα: Μια ανεμογεννήτρια 2 MW με συντελεστήδυναμικότητας 30% θα παράγει

2 * 8760 * 0.3 = 5256 MWh το χρόνο

ΡΟΗ ΓΥΡΩ ΑΠΟΜΙΑ ΑΕΡΟΤΟΜΗ

ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΣΕ ΜΙΑ ΑΕΡΟΤΟΜΗ

Lift Force: ½CLρAu2

Drag Force: ½CDρAu2

CL και CD: συναρτήσεις παραμέτρων όπως-- Αριθμός Reynolds Re = ρul/η , όπου το l είναι το

χαρακτηριστικό μήκος της αεροτομής-- Σχήμα αεροτομής-- Γωνία πρόσπτωσης ανέμου

ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

Είχαμε δει ότι η πυκνότητα ισχύος (ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας) είναι:

321 vq ρ=

Η ποσότητα της ισχύος εξαρτάται από την θερμοκρασία, τηνπυκνότητα και την υγρασία του αέρα. Άρα συνήθως,

361.0 vq =

Η αποδοτικότητα των μοντέρνων ανεμογεννητριών είναι περίπου 42%.Το θεωρητικό όριο είναι 59% (Betz limit).Αυτή η αποδοτικότητα είναι λογική, αφού:-- αν εκμεταλλευτείς όλο τον άνεμο που περνά σημαίνει ότι δεν θα περνά!-- αν δεν τον εκμεταλλευτείς καθόλου θα περνά όλος.

ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣΤο πτερύγιο μιας ανεμογεννήτριας είναι μια αεροτομή, όπως τοπτερύγιο ενός αεροσκάφους.Δημιουργείται δυναμική άνωση και οπισθέλκουσα δύναμη (lift and drag forces).

Η δυναμική άνωση δημιουργείμια ροπή και περιστρέφει τοδρομέα ο οποίος είναισυνδεδεμένος με το στρόβιλο(πτερύγια ανεμογεννήτριας)

ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ• Πτερύγια και δρομέας (μετατροπήαιολικής ενέργειας σε μηχανικήενέργεια)

• Πύργος (tower)• Κιβώτιο ταχυτήτων• Γεννήτρια• Συστήματα ελέγχου, σύστημαπροσγείωσης

• Συστήματα προστασίας (π.χ. φρένο)

ΜΕΡΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

Περιστρέφουν τηνανεμογεννήτρια για να είναιαπέναντι στον άνεμο

ΤΥΠΟΙ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ• Οριζόντιου άξονα• Κάθετου άξονα

ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟΥ ΑΞΟΝΑ

ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΚΑΘΕΤΟΥ ΑΞΟΝΑ

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΥΠΩΝ ΑΞΟΝΑ

Ανεμογεννήτριες κάθετου άξοναΠλεονεκτήματα--Δεν χρειάζεται σύστημα περιστροφής (yaw)--Άμεση σύνδεση με τη γεννήτρια

Μειονεκτήματα-- Αρκετές ταλαντώσεις και καταπόνηση της μηχανής-- Μη σταθερή ισχύς εξόδου λόγω της μεταβλητής ροπής-- Λιγότερο αποδοτικές σε σχέση με το κόστος τους (less cost-effective)

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΥΠΩΝ ΑΞΟΝΑ

Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα

ΠλεονεκτήματαΜηχανές με λίγα πτερύγια:-- Μικρότερη αδράνεια, άρα γρήγορες-- Ψηλή συχνότητα, άρα καλές για παραγωγή ισχύοςΜηχανές με πολλά πτερύγια:-- Μεγαλύτερη αδράνεια, άρα αργές-- Χαμηλή συχνότητα, άρα καλές για φόρτιση μπαταριών καιάντληση νερού

Μειονέκτημα-- Χρειάζονται σύστημα ευθυγράμμισης με τον αέρα (yaw)

Ονομαστική ισχύς: 1950 kW

40 μέτρα

100 μέτρα

ΜΕΓΕΘΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝΜικρές ανεμογεννήτριεςΜέγεθος: 0.3 – 10 kWΚυρίως για εφαρμογές σε απομονωμένες περιοχές, μη συνδεδεμένες με τοδίκτυο (π.χ. αντλίες νερού, σπίτια και φάρμες)Κόστος: μεταξύ €2000 - €6000 ανά kWΑπαιτούμενη ταχύτητα ανέμου: ~4.5 m/s

Μεσαίες ανεμογεννήτριεςΜέγεθος: 10 – 500 kWΚυρίως για να παρέχουν ισχύ σε μικρές κοινότητες, για υβριδικάσυστήματα και για διεσπαρμένη παραγωγήΚόστος: μεταξύ €1000 - €2500 ανά kW

Μεγάλες ανεμογεννήτριεςΜέγεθος: > 500 kW (μέχρι και 5 ΜW)Βρίσκονται σε αιολικά πάρκαΚόστος: < €1000 ανά kWΑπαιτούμενη ταχύτητα ανέμου: ~5.8 m/s

ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ

Οι ανεμογεννήτριες στα αιολικάπάρκα είναι συνήθως τοποθετημένες 5 με 9 διαμέτρους δρομέα μακριά στηνκατεύθυνση που συνήθως φυσά οάνεμος, ενώ είναι τοποθετημένες 3 με5 διαμέτρους δρομέα μακριά στηνκάθετη κατεύθυνση.

Είναι χώροι με πέραν των δυο ανεμογεννητριών μεγάλης ισχύος.Είναι συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό δίκτυο.Μπορεί να είναι χωροθετημένα στην ξηρά (onshore) ή στην θάλασσα(offshore)

ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ ΣΤΗΝ ΞΗΡΑOnshore Wind Farms Αποτελούν την πλειοψηφία των αιολικών πάρκων.

Πλεονεκτήματα• Χαμηλότερο κόστος παραγωγής από τα παράκτια αιολικά πάρκα• Εύκολη πρόσβαση για συντήρηση• Εύκολη σύνδεση με το δίκτυο

• Περιορισμοί στο ύψος για ανεμογεννήτριες σε λόφους• Αστάθεια συνθηκών ανέμου• Ανησυχίες για θόρυβο και οπτική ρύπανση

Ανησυχίες - Περιορισμοί

ΠΑΡΑΚΤΙΑ ΑΙΟΛΙΚΑ ΠΑΡΚΑ

Offshore Wind Farms Κατασκευάζονται λόγω ανάγκης όταν δεν υπάρχει αρκετόςδιαθέσιμος χώρος

• Πιο σταθεροί και δυνατοί άνεμοι από τη ξηρά• Μικρότερη οπτική ενόχληση• Δεν υπάρχουν περιορισμοί στο ύψος

Ανησυχίες - ΠεριορισμοίΨηλότερα κόστη κατασκευής που εξαρτώνται από το βάθος (ταπερισσότερα παράκτια πάρκα είναι σε περιοχές που έχουν μέχρι20 μέτρα βάθος).

Πλεονεκτήματα

ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΑΙΟΛΙΚΗ ΙΣΧΥΣ

Στη Δανία, 40% της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται απόανεμογεννήτριες

Εγκατεστημένη ισχύς(MW)

800062704430Ινδία605026041260Κίνα

151451161510028Ισπανία

312931403136Δανία938497422359091Κόσμος

16818116039149Ηνωμένες Πολιτείες222472062218415Γερμανία

200720062005

Χώρα

ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΝΕΜΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

http://www.youtube.com/watch?v=iRwGcGa3Vf0&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=PyehD1j0kUU&feature=related

ΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

• Περιβαλλοντικά προβλήματα• Θάνατοι πτηνών• Οπτική ρύπανση• Επίδραση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραδιοτηλεόραση)• Θόρυβος

ΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΘάνατοι πτηνώνΑρκετές κατηγορίες για πρόκληση θανάτων πτηνών λόγω τωνανεμογεννητριών.Μελέτες σε αιολικά πάρκα στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ έχουν δείξειότι σκοτώνονται 1-2 πτηνά ανά ανεμογεννήτρια το χρόνο.Απάντηση: Πολύ περισσότερα πτηνά σκοτώνονται από πύργουςτηλεπικοινωνιών, αεροσκάφη, αυτοκίνητα κλπ.

Οπτική ρύπανσηΠαράπονα ότι τα αιολικά πάρκα καταστρέφουν το τοπίοΑπάντηση: Είναι θέμα γούστου. Υπάρχουν άλλοι πουυποστηρίζουν ότι οι σύγχρονες κατασκευές όχι μόνο δενκαταστρέφουν το τοπίο αλλά του προσδίδουν και ένα αλλιώτικο, ωραίο χαρακτήρα.

ΚΡΙΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑΕπίδραση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραδιοτηλεόραση)Όλες οι συχνότητες FM επηρεάζονται από εμπόδια μεταξύ πομπούκαι δέκτη. Το κύριο πρόβλημα είναι οι μεταβολές των σημάτωνλόγω εκτροπής στα πτερύγια των ανεμογεννητριών. Απάντηση: Τα πτερύγια των μοντέρνων ανεμογεννητριών είναικατασκευασμένα από συνθετικά υλικά τα οποία ελαχιστοποιούντην επίδραση τους στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Επίσης τααιολικά πάρκα αδειοδοτούνται και χωροθετούνται όταν έχουνκάποια προσδιορισμένη απόσταση από σταθμούς μετάδοσηςτηλεπικοινωνιών.

ΘόρυβοςΔυο τύποι θορύβων: αεροδυναμικός (πτερύγια), μηχανικός(περιστρεφόμενες μηχανές)Απάντηση: Ο θόρυβος δεν είναι μεγάλος. Επίσης μειώνεταισυνεχώς με την βελτιστοποίηση των ανεμογεννητριών.

ΕΠΙΠΕΔΑ ΘΟΡΥΒΟΥ

ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣΕίναι απρόβλεπτη και μη συνεχήςΗ ισχύς εξόδου δεν μπορεί να ελεγχθεί ή να προβλεφθεί. Δενμπορούμε προς το παρόν να βασιστούμε στην αιολική ενέργεια ως τημόνη πηγή ενέργειας.

Τα αιολικά πάρκα καταλαμβάνουν μεγάλες περιοχέςΠυκνοκατοικημένες περιοχές έχουν πρόβλημα στην εύρεση τουαπαραίτητου χώρου για χωροθέτηση αιολικών πάρκων.

Περιβαλλοντικά προβλήματαΘάνατοι πτηνών, θόρυβος, οπτική ρύπανση

ΩΦΕΛΗ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Καθαρή μορφή ενέργειας.Δεν μολύνει το περιβάλλον, δεν εκπέμπονται οποιαδήποτε αέρια τουθερμοκηπίου.

Είναι πιο οικονομική (cost-effective) από οποιαδήποτε άλληανανεώσιμη μορφή ενέργειας (εκτός από την υδροηλεκτρική σεκάποιες περιπτώσεις).

ΤΟΜΕΛΛΟΝ ΤΗΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Μελλοντικό δυναμικόΑναμένεται να ικανοποιεί το 10-20% των αναγκών σε ηλεκτρικήενέργεια μεταξύ 2020-2050.Αν βρεθεί τρόπος για αποθήκευση ενέργειας, αυτό το ποσοστόμπορεί να μεγαλώσει (αλλιώς χρειάζεται μεγάλη στρεφόμενηεφεδρεία).

Η αιολική ενέργεια είναι η πιο γρήγορα αναπτυσσόμενη από όλες τιςανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ο μέσος χρονιαίος ρυθμός ανάπτυξης της αιολικής ενέργειας μεταξύ1995 - 2005 ήταν 28.5%. Υπολογίζεται ότι μέχρι το 2012 η παγκόσμια εγκατεστημένη αιολικήισχύς θα είναι 150 GW.

Κόστος ηλεκτρικής ενέργειας από ανεμογεννήτριες:1979: 27 cent/kWh 2000: 2.7-4 cent/kWh 2004: 2-3 cent/kWh

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΛΕΙΠΟΥΣΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ(INTERMITTENT GENERATION) ΑΠΟ ΑΠΕΣΤΗΝ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

• Η αιολική ενέργεια έχει την πρωτοκαθεδρία ανάμεσα στις διαλείπουσεςανανεώσιμες πηγές ενέργειας

• Η λέξη διαλείπουσα (intermittent) είναι η κατάλληλη λέξη; Ίσως μεταβλητή;• Όσο πιο διασκορπισμένα είναι τα αιολικά πάρκα, τόσο το καλύτερο. Ανσταματήσει να φυσά σε μια περιοχή, θα ξεκινήσει να φυσά σε άλλη!

Όσο η αιολική ισχύς φτάνει σεσημαντικά ποσοστά εισχώρησης

Επιπτώσεις στην ευστάθειατου συστήματος (πρέπει ναείμαστε προσεκτικοί)

1-minute Average Power Profile(February 21~27, 2002)

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

0:00

6:00

12:0

018

:00

0:00

6:00

12:0

018

:00

0:00

6:00

12:0

018

:00

0:00

6:00

12:0

018

:00

0:00

6:00

12:0

018

:00

0:00

6:00

12:0

018

:00

0:00

6:00

12:0

018

:00

Time (HH:MM)

Pow

er (k

W)

Lake Benton II Storm Lake

Parsons, National Wind Technology Center

ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΑΙΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΣΥΣΤΗΜΑΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

Τεχνικές προκλήσεις: • Πιθανότητα για υπερφόρτωση γραμμών• Ζητήματα ευστάθειας τάσης και γωνιακής ευστάθειας κατά τηδιάρκεια διαταραχών στο σύστημα

• Η αιολική ισχύς πρέπει να εξισορροπηθεί με άλλες γρήγορες, ελεγχόμενες μονάδες παραγωγής (μεταβαλλόμενη ισχύς απόανεμογεννήτριες) (ψηλότερα κόστη αγοράς, λειτουργίας καισυντήρησης τέτοιων μονάδων)

• Ζητήματα ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος• Τα αιολικά πάρκα μπορεί να μην μπορούν να συνεισφέρουνστις επικουρικές υπηρεσίες (ancillary services) που χρειάζονταιγια τον έλεγχο και ευστάθεια του συστήματος.

Σημαντικές αν η εισχώρηση είναι > 20%

ΓΙΑΤΙ ΠΕΤΥΧΑΙΝΕΙ;ΤΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΤΗΣ ΔΑΝΙΑΣ

• Η Δανία έχει τη ψηλότερη εισχώρηση αιολικής ενέργειας στονκόσμο

• Εγκατεστημένη ισχύς: 62% του μέγιστου φορτίου. Ικανοποιείτο 40% της ζήτησης.

• Γιατί πετυχαίνει;-- Η Δανία είναι ενωμένη στο υδροηλεκτρικό σύστημα τωνΣκανδιναβικών χωρών και στο θερμικό σύστημα τηςΓερμανίας-- Τόσο το αιολικό δυναμικό όσο και τα αιολικά της πάρκαείναι ομοιόμορφα διανεμημένα σε όλη την επικράτεια τηςχώρας-- Η μεταβολή της ζήτησης φορτίου στη Δανία είναιμεγαλύτερη από ότι στις γειτονικές χώρες.

ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

• Ρυθμίζοντας τη λειτουργική φιλοσοφία των παράκτιων αιολικώνπάρκων

• Ελέγχοντας τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας• Αναπτύσσοντας συστήματα ενεργειακής αποθήκευσης σε μεγάληκλίμακα

• Ρυθμίζοντας τη λειτουργική φιλοσοφία των συμβατικών μονάδωνπαραγωγής (αύξηση των κύκλων δέσμευσης-αποδέσμευσης => αύξηση στα κόστη λειτουργίας και συντήρησης)

• Ενδυνάμωση και επέκταση των δικτύων μεταφοράς• Διαχείριση άεργου ισχύος για ευστάθεια του δικτύου (υποστήριξητάσης, voltage support)

• Βελτίωση στην πρόβλεψη ανέμου και παραγωγής• Καλύτερος έλεγχος των ανεμογεννητριών (περικοπή (curtailment) των αιολικών πάρκων)

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣΤα απομονωμένα συστήματα έχουν ακόμη πιο έντονηανάγκη για αποθήκευσηΕίναι περισσότερο ευάλωτα σε προβλήματαευστάθειας συχνότητας και τάσηςΗ εφαρμογή των μεθόδων αποθήκευσης εξαρτάταιαπό την τοποθεσία και το σύστημα

• Υδροαντλητικοί σταθμοί(pumped storage)

• Σφόνδυλος (flywheel)• Συμπιεσμένος αέρας

(compressed air)• Ηλεκτροχημική ενέργεια• Υδρογόνο

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ

100 kW – 100 MW60-75Compressed air1 kW- 10 MW90Flywheel

50 kW – 1 MW45Hydrogen/fuel cell1 kW- 10 MW50 to 90Conventional batteries

100 MW -1000 MW80Pumped hydro

Typical capacityTypical round-trip efficiency (%)

Storage technology

-- Αποθήκευση σε υδροαντλητικούς σταθμούς: Περισσότερο δοκιμασμένη καιώριμη λύση. Πιθανότατα η καλύτερη μορφή αποθήκευσης. Πρόβλημα: Ανάγκηγια ύπαρξη νερού και αποθηκευτικών χώρων.-- Σφόνδυλος: Φύλαξη κινητικής ενέργειας σε μια περιστρεφόμενη μάζα. Τεράστιες ταχύτητες – ανησυχίες για θέματα ασφαλείας. Πολύ ακριβή. Πολύ καλήμέθοδος για παροχή απότομα μεγάλης ισχύος σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα.

Οι σφόνδυλοι και οι μπαταρίες θα μπορούσαν να γίνουν βιώσιμες επιλογές γιαπροσφορά συγκεκριμένων υπηρεσιών υποστήριξης για βραχυπρόθεσμες μεταβολέςισχύος (< 1 λεπτό).

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΣΕ ΥΔΡΟΓΟΝΟ• Το υδρογόνο είναι φορέας ενέργειας, όχι πηγή• Μπορεί να παραχθεί μέσω χημικής διαδικασίας από νερό, βιομάζα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο

• Χρειάζεται να ξοδέψουμε περισσότερη ενέργεια από όση θαεπιστραφεί στο σύστημα

• Μπορεί να παραχθεί dc ηλεκτρική τάση μέσω κυψελών καυσίμου• Μπορεί να είναι η λύση στις ανάγκες μας για ενεργειακήαποθήκευση

ΥΔΡΟΓΟΝΟ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

€ € € € €

ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

• Ανάπτυξη υποδομής υδρογόνου (τροφοδότηση/σταθμοί παροχής, τεχνολογίες μεταφοράς και αποθήκευσης σε ψηλή πίεση)

• Μετατροπή από dc σε ac: ακριβή για MW, αρμονικές• Αποδοτικότητα γύρω στο

35% (μετά την αρχικήηλεκτρική παροχή)

• Κόστος

ΩΦΕΛΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ• Μπορεί να καλύψει την μεταβλητότητα του ανέμου• Αν συνδυαστεί με συμπαραγωγή (co-generation) είναιδυνατό να επιτευχθεί αποδοτικότητα 70-80%

• Φιλικό προς το περιβάλλον• Μπορεί να βοηθήσει στην ενίσχυση της ευστάθειας τουσυστήματος