*ΑΡΘΡΟ ΤΟΥ ΘΕΟΦΑΝΗ Ι. ΑΡΑΒΑΝΗ
Είναι γεγονός, πως οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) δύναται να συμβάλλουν στην ενεργειακή ενίσχυση ενός Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (Σ.Η.Ε.). Οι όροι που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη δομή ενός ηλεκτρικού συστήματος είναι η Κεντρικοποιημένη και η Αποκεντρωμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Συγκεκριμένα οι όροι αυτοί, αφενός μεν προσδιορίζουν τη γεωγραφική θέση των ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων (ανεξαρτήτως είδους) συγκριτικά με τα σημεία ζήτησης – κατανάλωσης, αφετέρου δε είναι ενδεικτικοί του μεγέθους των μονάδων. Αναλυτικότερα, ο όρος Κεντρικοποιημένη παραγωγή (Centralized Power Generation) περιγράφει τις περιπτώσεις μεγάλων κεντρικών ηλεκτροπαραγωγικών σταθμών (με εγκατεστημένη ισχύ μεγαλύτερη των 50MW συνήθως), οι οποίοι συνήθως εγκαθίστανται μακριά από τις αστικές περιοχές για περιβαλλοντικούς λόγους. Σε αυτές τις περιπτώσεις η μεταφορά της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα σημεία κατανάλωσης πραγματοποιείται μέσω του δικτύου μεταφοράς (400kV και 150kV). Αντίθετα, στην Αποκεντρωμένη παραγωγή (Decentralized – Distributed Power Generation), οι σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατασκευάζονται πλησίον των θέσεων ζήτησης και αποσκοπούν στην τοπική εξυπηρέτηση των φορτίων. Οι μονάδες αυτές είναι συνήθως μικρότερες του 1MW και συνδέονται σε δίκτυα Μέσης Τάσης ή ακόμα και Χαμηλής Τάσης εφόσον η ισχύς τους είναι μικρότερη των 100kW. Τέλος, οι ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί με εγκατεστημένη ισχύ από 1 έως και 50MW μπορούν να συνδεθούν τόσο στην Υψηλή όσο και στη Μέση Τάση. Η τελική απόφαση είναι αποτέλεσμα συγκερασμού μεταξύ τεχνοοικονομικών μελετών και αποφάσεων που αφορούν την στρατηγική ανάπτυξης των δικτύων.
Σύμφωνα με τους προαναφερθέντες συλλογισμούς, οι ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες Α.Π.Ε., λόγω της σχετικά μικρής εγκατεστημένης ισχύος τους, μπορούν να θεωρηθούν στο σύνολό τους ως Αποκεντρωμένη παραγωγή. Από την άλλη πλευρά όμως, τα αιολικά πάρκα, τα μεγάλα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί, εγκαθίστανται κατά κοινή πρακτική σε αραιοκατοικημένες και μη αστικές περιοχές για λόγους επάρκειας χώρου, περιβαλλοντικών περιορισμών και κυρίως καλύτερης εκμετάλλευσης της Α.Π.Ε. Αυτό έχει ως συνέπεια, τα διερχόμενα πλησίον των περιοχών αυτών δίκτυα να είναι ασθενή, με αποτέλεσμα να απαιτείται η ενίσχυσή τους ή η κατασκευή νέων, προκειμένου να καταστεί δυνατή η σύνδεση των παραπάνω ηλεκτροπαραγωγικών μονάδων σε αυτά. Συνεπώς, οι παραπάνω μονάδες δεν μπορούν να θεωρηθούν ως Αποκεντρωμένη παραγωγή, εφόσον η ισχύς τους δεν καταναλώνεται τοπικά. Υιοθετώντας λοιπόν το συμπέρασμα αυτό, οι παραπάνω μονάδες μπορούν να θεωρηθούν καταχρηστικά ως Κεντρικοποιημένη παραγωγή, ενώ, επιπρόσθετα, μόνο οι ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί Α.Π.Ε. που εγκαθίστανται πλησίον των φορτίων (Μέσης ή Χαμηλής Τάσης) μπορούν να θεωρηθούν ως Αποκεντρωμένη παραγωγή. Συχνά οι σταθμοί αυτοί αποκαλούνται κατανεμημένοι ή ακόμα και μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής (Dispersed Power Generation Systems).
Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειωθεί, πως μολονότι η χρήση κεντρικοποιημένων σταθμών Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας είναι δυνατόν να συνδράμει στην ενεργειακή ενίσχυση του ηλεκτρικού συστήματος, η μεγάλη απόσταση των μονάδων αυτών από τα σημεία κατανάλωσης έχει ως αποτέλεσμα το υψηλό επίπεδο φόρτισης των γραμμών μεταφοράς και διανομής, με άμεσο συνεπακόλουθο την καταπόνηση των τελευταίων, λόγω των αυξημένων ηλεκτρικών απωλειών. Αντίθετα, η χρησιμοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, με τη μορφή μικρών μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής, δύναται να συμβάλλει καθοριστικά στη μείωση των απωλειών και στην εξοικονόμηση ενέργειας. Στις διεσπαρμένες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής συμπεριλαμβάνεται ένα ευρύ φάσμα τεχνολογιών με τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο, ιδιαίτερα σε χώρες όπου οι γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες το ευνοούν. Σημειώνεται ότι, σε ορισμένες περιπτώσεις, η δυνατότητα τοπικής κάλυψης του φορτίου ή ενός μέρους αυτού από Αποκεντρωμένες μονάδες παραγωγής, με τη χρησιμοποίηση Α.Π.Ε., επιτρέπει στις επιχειρήσεις διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να αντιμετωπίσουν τις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις με μικρό κόστος. Αυτός ο τρόπος εξυπηρέτησης τοπικών φορτίων αποτελεί τη βασική φιλοσοφία πάνω στην οποία έχουν δομηθεί νεοεμφανιζόμενα ηλεκτρικά συστήματα, τα οποία ονομάζονται Μικροδίκτυα (Microgrids). Τα συστήματα αυτά είναι συστήματα διανομής Μέσης ή Χαμηλής Τάσης στα οποία είναι διασυνδεδεμένες μονάδες διεσπαρμένης παραγωγής, φορτία καθώς επίσης και διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας.
Ένα από τα βασικά μελήματα των επιχειρήσεων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι η μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης μέσω της ελαχιστοποίησης των απωλειών του Σ.Η.Ε. Είναι γνωστό ότι η (ηλεκτρική) απόσταση των μονάδων παραγωγής από τα σημεία κατανάλωσης, το επίπεδο φόρτισης των γραμμών μεταφοράς και διανομής, είναι οι σημαντικότεροι παράγοντες που καθορίζουν το ποσό των ενεργειακών απωλειών. Επιπρόσθετα, εφόσον οι απώλειες είναι τετραγωνική συνάρτηση της έντασης του ρεύματος, οι μεγαλύτερες απώλειες εμφανίζονται κατά τη χρονική περίοδο του μέγιστου φορτίου. Η προσεκτική μελέτη των παραπάνω στοιχείων, αποδεικνύει ότι η μερική ή ολική τροφοδότηση τοπικών φορτίων με το μοντέλο της διεσπαρμένης παραγωγής μπορεί να συμβάλλει στη μείωση των ηλεκτρικών απωλειών και στην εξοικονόμηση ενέργειας, διότι με τον τρόπο αυτό μειώνεται η μεταφερόμενη ενέργεια μέσω των γραμμών μεταφοράς και διανομής. Επιπλέον, περιορίζονται οι δαπάνες επέκτασης και ενίσχυσης των δικτύων μεταφοράς και διανομής.
Ένα τυπικό Μικροδίκτυο αποτελείται από διάφορες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, συνολικής ισχύος μερικών MW. Ο σχεδιασμός του Μικροδικτύου είναι ανεξάρτητος από το κεντρικό δίκτυο, ωστόσο μπορεί να υπάρχει διασύνδεση με αυτό, για ανταλλαγή ενέργειας. Τυπικές πηγές ενός Μικροδικτύου είναι οι γεννήτριες ντίζελ ή φυσικού αερίου, συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού (γεννήτριες, μικροστρόβιλοι), οι ανεμογεννήτριες, οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες, οι κυψέλες καυσίμου, οι γεωθερμικοί και οι ηλιοθερμικοί σταθμοί, τα μικρά υδροηλεκτρικά, οι μονάδες που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη βιομάζα, βιοντίζελ ή οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας. Ένα Μικροδίκτυο μπορεί να εγκατασταθεί εκεί όπου υπάρχει διαθέσιμη μία από τις παραπάνω φυσικές πηγές ενέργειας και να καλύπτει τις καταναλώσεις της περιοχής στην οποία εγκαθίσταται. Η κλίμακα του Μικροδικτύου ποικίλει, από μία οικία που χρησιμοποιεί ένα υβριδικό σύστημα φωτοβολταϊκών και γεννήτριας ντίζελ ή βιοκαυσίμων, ένα νοσοκομείο που χρησιμοποιεί κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ζεστού νερού, μέχρι και μία πόλη η οποία τροφοδοτείται από σταθμούς βιομάζας, γεννήτριες ντίζελ και αιολικά πάρκα.
Μία συνδυασμένη χρήση των νέων τεχνολογιών συμπαραγωγής και Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, θα μπορούσε ίσως να κάνει την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας στο Μικροδίκτυο ανταγωνιστική αυτής των κεντρικών δικτύων. Η αξιόπιστη λειτουργία ενός Μικροδικτύου, απαιτεί εκτός από την κάλυψη των απαιτήσεων ενεργού και αέργου ισχύος, και τη συνεχή ρύθμιση της τάσης και της συχνότητας αυτού. Παράλληλα, θα πρέπει να περιλαμβάνει όλες τις διατάξεις προστασίας από σφάλματα, βραχυκυκλώματα ή διαρροές.
Ένα Μικροδίκτυο έχει τη δυνατότητα διασύνδεσης με το κεντρικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Σε μία τέτοια παραλληλισμένη λειτουργία είναι δυνατή η ανταλλαγή ενέργειας. Ακόμη, σε περίπτωση μόνιμα διασυνδεδεμένης λειτουργίας είναι δυνατή η αξιόπιστη τροφοδότηση του Μικροδικτύου από τις δικές του μονάδες σε περίπτωση κατάρρευσης του κεντρικού δικτύου.
Δεδομένης της μικρής ισχύος των περισσότερων μονάδων ενός Μικροδικτύου, η παραγωγή και διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας είναι προτιμότερο να γίνεται στη Χαμηλή Τάση καθώς δεν απαιτείται η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Το μέγεθος δηλαδή των μονάδων παραγωγής είναι ουσιαστικά αυτό που καθορίζει τη στάθμη λειτουργίας. Το μέγεθός του συνολικότερα – μονάδων παραγωγής και φορτίων – καθορίζει εξάλλου και τον τρόπο διασύνδεσής του με άλλα Μικροδίκτυα ή με το κεντρικό δίκτυο, στη Μέση ή στη Χαμηλή Τάση. Προφανώς, μεγάλη ισχύς απαιτεί διασύνδεση στη Μέση Τάση.
Στο σημείο αυτό, πρέπει να τονιστεί ότι σε περιπτώσεις παραλληλισμένης λειτουργίας με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο, αυτό που πρωτίστως επιδιώκεται είναι να μην προκαλεί το Μικροδίκτυο προβλήματα. Η ποιότητα της τάσης πρέπει να ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές του δικτύου, ενώ η απορροφούμενη ενέργεια δεν πρέπει να ξεπερνά τις απαιτήσεις ενός τυπικού καταναλωτή.
Σε ένα δεύτερο στάδιο, ένα Μικροδίκτυο μπορεί να συμπεριφερθεί ως ένας «καλός γείτονας» του κεντρικού ηλεκτρικού δικτύου. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβαίνει αν το Μικροδίκτυο ρυθμιζόταν ώστε να μπορεί να υποστηρίξει το κεντρικό δίκτυο, π.χ. να παρέχει ή να απορροφά ενεργό ή άεργο ισχύ όταν απαιτείται, ακόμη και σε μικρά χρονικά διαστήματα. Στη δεύτερη περίπτωση, απαιτείται προφανώς και μία μορφή επικοινωνίας μεταξύ των κέντρων ελέγχου Μικροδικτύου και κεντρικού δικτύου.
Σύγχρονες τεχνολογίες υπόσχονται πολλά στη διαχείριση των μεταβατικών φαινομένων. Για την κάλυψη υψηλών αιχμών ζήτησης (π.χ. εκκίνηση μεγάλων κινητήρων, ψυγείων κ.ά.) και την αποθήκευση περισσευούμενης ενέργειας, ένα Μικροδίκτυο, ιδιαίτερα όταν βρίσκεται σε απομονωμένη λειτουργία, μπορεί να χρησιμοποιεί ενέργεια που αποθηκεύεται σε υπερπυκνωτές, μηχανές υψηλής στρεφόμενης αδράνειας (Flywheels), συσσωρευτές ή με τη μορφή δυναμικής ενέργειας μέσω συμπιεστών αέρα ή αντλησιοταμιευτικών συστημάτων. Η τελευταία δε τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί σε περιοχές όπου αιολικά ή ηλιακά πάρκα βρίσκονται κοντά σε μία θάλασσα ή λίμνη, οπότε και αποθηκεύουν την περισσευούμενη ενέργεια που παράγουν, αντλώντας νερό σε ταμιευτήρες υψηλότερης στάθμης. Στη συνέχεια, όταν χρειάζεται ενέργεια οι αντλητικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται ως γεννήτριες, παρέχοντας ισχύ στο Μικροδίκτυο.
Τέλος, να σημειωθεί πως ένας πολύπλοκος έλεγχος ενός τέτοιου συστήματος με την παρούσα διαθέσιμη τεχνολογία, απαιτεί τη χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος, για τη διασύνδεση των περισσότερων πηγών ενέργειας του Μικροδικτύου με τους ζυγούς. Είτε η παραγόμενη ισχύς είναι διαρκώς μεταβαλλόμενη, όπως στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών και ανεμογεννητριών, είτε ελεγχόμενη όπως των υδροηλεκτρικών σταθμών και των ντιζελογεννητριών, η διοχέτευση αυτής μέσω ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος κάνει εφικτό τον έλεγχο των πιο σημαντικών μεγεθών αυτής, δηλαδή της ηλεκτρικής τάσης και της συχνότητας, μέσω της ροής ενεργού και αέργου ισχύος. Το βασικότερο στοιχείο ενός Μικροδικτύου είναι συνήθως ένας ηλεκτρονικός αντιστροφέας ισχύος, ο οποίος ελέγχει το ισοζύγιο ισχύος στο Μικροδίκτυο. Αυτό μπορεί να γίνεται είτε με την οδήγηση μιας ελεγχόμενης γεννήτριας, είτε με τη διαχείριση συσσωρευτών ή μικροστροβίλων, είτε με τον έλεγχο των ηλεκτρονικών ισχύος των άλλων μικρομονάδων παραγωγής ενέργειας.
Βιβλιογραφία
[1] Διπλωματική Εργασία Θεοφάνη Ι. Αραβανή, «Μελέτη και κατασκευή διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκής γεννήτριας με το ηλεκτρικό δίκτυο χαμηλής τάσης», Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Φεβρουάριος 2012.
[2] Χατζηαργυρίου Νίκος, «Συμβολή της Διεσπαρμένης Παραγωγής στην Εξοικονόμηση Ενέργειας», πρακτικά Ημερίδας με θέμα «Εξοικονόμηση Ενέργειας», Αθήνα, 3 Νοεμβρίου, 2006, σελίδες 40 – 50.
[3] N. Hatziargyriou, N. Jenkins, G. Strbac, J. A. Pecas Lopez, J. Ruela, A. Engler, J. Oyarzabal, G. Kariniotakis, A. Amorin: “Microgrids – Large Scale Integration of Microgeneration to Low Voltage Grids”, Cigre 2006 Technical Exhibition, 28 August – 1 September, Paris (France).
[4] N. D. Hatziargyriou, A. P. Sakis Meliopoulos: “Distributed Energy Sources: Technical Challenges”, IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 27 – 31 January 2002, Vol. 2, pp. 1017 – 1022.
*Ο κ. Θεοφάνης Ι. Αραβανής είναι Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών και Μέλος του ΙΕΕΕ.