Ενεργειακός Σχεδιασμός και Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. A Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Ανατολικής Μακεδονίας Θράκης ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕ Ενεργειακός Σχεδιασμός και Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. A

Εισαγωγή Ο τομέας των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας συνιστά ένα δυναμικά αναπτυσσόμενο τμήμα της παγκόσμιας ενεργειακής πολιτικής. Η συνεχής ανάπτυξη που παρουσιάζει τα τελευταία χρόνια σχετίζεται με την αναγκαιότητα μείωσης του βαθμού εξάρτησης από την «οικονομία των υδρογονανθράκων». Η ανάπτυξη των ΑΠΕ αποτελεί βασική προτεραιότητα για την Ευρωπαϊκή Ένωση με στόχο την προστασία του περιβάλλοντος και η ενεργειακή ασφάλεια. Είναι εντυπωσιακή η τάση γεωγραφικής εξάπλωσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συχνά σε εντελώς νέες αγορές. Μόλις λίγα χρόνια πριν, μόνο λίγες χώρες εξασφάλιζαν ενέργεια από πηγές όπως ηλιακή, αιολική, ή ενέργεια από βιομάζα, ενώ το τελευταίο διάστημα έργα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αναπτύσσονται σε όλη την Ασία, τη Λατινική Αμερική, καθώς και στην Αφρική αλλά και τη Μέση Ανατολή. Η ενέργεια που προέρχεται από τις ανανεώσιμες πηγές συνεχίζει να αυξάνεται παρά την οικονομική κρίση αλλά και τη μείωση των επιδοτήσεων σε βασικές αγορές. Το χαρτοφυλάκιο της τεχνολογίας επεκτείνεται κυρίως με την παραγωγή από αιολική ενέργεια, ηλιακή, βιοενέργεια με ρυθμό αύξησης σε διψήφια νούμερα από έτος σε έτος. Η υδροηλεκτρική ενέργεια συνεχίζει να αυξάνεται σταθερά, ακόμη και η γεωθερμική αλλά και η κυματική ενέργεια.

Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας στην Ευρώπη Το Συμβούλιο της ΕΕ το έτος 2007 έθεσε ως δεσμευτικό στόχο 20% το μερίδιο των ΑΠΕ στη συνολική ενεργειακή κατανάλωση της Ευρωπαϊκής Ένωσης μέχρι το 2020. Μια μαζική αύξηση και στους τρεις τομείς των εφαρμογών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας: ηλεκτρισμού, βιοκαυσίμων, θέρμανσης και ψύξης είναι απαραίτητη για την επίτευξη αυτού του στόχου. Περισσότερο συγκεκριμένος στόχος είναι τουλάχιστον η συμμετοχή των βιοκαυσίμων κατά 10% στον τομέα των μεταφορών μέχρι το 2020. Επιπλέον, στον τομέα της εξοικονόμησης ενέργειας, το 20% της συνολικής κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας θα πρέπει να εξοικονομηθεί έως το 2020. Εάν οι παραπάνω στόχοι επιτευχθούν, αυτό θα σήμαινε ότι μέχρι το 2020, η ΕΕ θα χρησιμοποιεί περίπου 13% λιγότερη ενέργεια σε σύγκριση με την παρούσα, εξοικονομώντας ετησίως 100 δις ευρώ και περίπου 780 εκατομμύρια τόνους CO2. Παράλληλα, το Συμβούλιο της ΕΕ στις 8/9 Μαρτίου 2007 αποφάσισε να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 20% σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990 μέχρι το 2020. Η Ελλάδα ήδη ανταποκρίνεται με την αύξηση των εκπομπών περικοπές από 8,9% έως 16,6%, σύμφωνα με το Εθνικό Σχέδιο Κατανομής Δικαιωμάτων Εκπομπών για την περίοδο 2008-2012.

Ενεργειακό μίγμα Ε.Ε για το έτος 2011 σε MW

Ενεργειακός σχεδιασμός για αξιοποίηση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε μία περιοχή H αύξηση της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας είναι ένα από τα βασικά ζητήματα που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα σήμερα. Αιτίες που προκαλούν την αύξηση των αναγκών σε ενέργεια είναι, η αύξηση του πληθυσμού, η εκβιομηχάνιση των αναδυόμενων χωρών και η βελτίωση της ποιότητας ζωής κυρίως. Παράλληλα με την αύξηση των ενεργειακών αναγκών έχουν αναπτυχθεί κατά τη διάρκεια των προηγούμενων δεκαετιών, νέες τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας ή μετατροπής διαφόρων μορφών ενέργειας, ικανές να προωθήσουν τεχνικές οικονομικά ανταγωνιστικές και με λιγότερες επιπτώσεις στο περιβάλλον. Ο συνδυασμός σε πρώτη προσέγγιση των ανωτέρω, αναλυτικά, η αύξηση των ενεργειακών αναγκών, η προστασία του περιβάλλοντος, η ποιότητα ζωής, η βιώσιμη ανάπτυξη αποτελεί κυρίαρχο ζήτημα παγκόσμιας κλίμακα. Πριν τη δεκαετία του 70, η ενεργειακή πολιτική που εφαρμοζόταν στα αναπτυγμένα κράτη στηριζόταν στην ανάλυση κυρίως σχέσεων ενέργειας– κόστους. Κύριο στόχο αποτελούσε η εκτίμηση της μελλοντικής ενεργειακής ζήτησης και η εκμετάλλευση αποδοτικότερων μεθόδων παραγωγής ενέργειας με μοναδικό κριτήριο της ελαχιστοποίησης του κόστους. Αργότερα και λόγω κλιματικών αλλαγών κυρίως, έγινε προσπάθεια να ενσωματωθούν και περιβαλλοντικοί παράγοντες στον ενεργειακό σχεδιασμό. Τα προβλήματα αυτά, σε συνδυασμό με την αύξηση της ανησυχίας για το φαινόμενο του θερμοκηπίου, αποτέλεσαν σημαντικά κίνητρα για την ανάπτυξη των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο τα τελευταία τουλάχιστον είκοσι χρόνια.

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, ρόλος, προοπτικές, στόχοι Ο ορθολογικός ενεργειακός σχεδιασμός κάτω από την πίεση των περιβαλλοντικών και οικονομικών προβλημάτων αποτελεί επιτακτική ανάγκη για τη σύγχρονη ανθρωπότητα. Ο σκοπός του σχεδιασμού να συνδυάσει τη συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση με τα οικονομικά και περιβαλλοντικά προβλήματα που προκύπτουν καθίσταται όλο και πιο δύσκολος. Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας είναι σε θέση να συμβάλλουν τα μέγιστα στην επίτευξη του σκοπού αυτού σε συνδυασμό με άλλους παράγοντες Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποτελούν πηγές ενέργειας φιλικές προς το περιβάλλον και συνιστούν ειδικότερη έκφανση αλλά και βασική συνιστώσα της αειφόρου ανάπτυξης. Η ανάπτυξη τους αποτελεί βασική προτεραιότητα της Ευρωπαϊκής Ένωσης, με στόχο την προστασία του περιβάλλοντος και την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού. Ειδικώς για την Ελλάδα, με βάση τους εθνικούς στόχους, όπως αυτοί προσδιορίζονται στο ν. 3468/2006, το ποσοστό συμμετοχής των ΑΠΕ στην ακαθάριστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας της χώρας πρέπει να ανέλθει, μέχρι το 2010, σε 20,1 % και, μέχρι το 2020, σε 29% αντιστοίχως.

Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, κύρια χαρακτηριστικά H Αιολική ενέργεια Η αιολική ενέργεια από τη μέχρι σήμερα αξιοποίηση της προκύπτει ότι είναι τουλάχιστον για την Ελλάδα μια ανανεώσιμη πηγή τεχνολογικά αξιόπιστη, περιβαλλοντικά από τις καθαρότερες, ενεργειακά αποδοτική και οικονομικά συμφέρουσα. Είναι επίσης ως ΑΠΕ η περισσότερο αξιοποιημένη τουλάχιστον προς το παρόν. Η ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να παραχθεί από την μετατροπή της αιολικής σε μία περιοχή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Τα γενικότερα οφέλη που προκύπτουν από τη χρήση της αιολικής ενέργειας: Ο άνεμος είναι μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, η οποία μάλιστα παρέχεται χωρίς κόστος. Η Αιολική ενέργεια είναι μια τεχνολογικά ώριμη, οικονομικά ανταγωνιστική και φιλική προς το περιβάλλον ενεργειακή επιλογή. Δεν επιβαρύνει το τοπικό περιβάλλον με επικίνδυνους αέριους ρύπους, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του θείου, καρκινογόνα μικροσωματίδια κ.α., όπως γίνεται με τους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια κάτι ιδιαίτερα σημαντικό για τη χώρα μας και την Ευρώπη γενικότερα. Βοηθά στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς ενέργειας.

Είναι πολύ σημαντικό να ληφθούν υπόψη όλες εκείνες οι παράμετροι και απόψεις που συμβάλουν στο σχεδιασμό και στην ανάπτυξη των έργων παραγωγής Ηλεκτρικής ενέργειας από την αιολική ενέργεια. Ποιες όμως είναι οι επιπτώσεις αυτές και πώς επηρεάζουν το σχεδιασμό και ανάπτυξη των αιολικών εγκαταστάσεων; Η απάντηση είναι ένα από τα κύρια ζητήματα για ενεργειακό σχεδιασμό που θα περιλαμβάνει και ανάπτυξη της συγκεκριμένης πηγής.

Διαδικασία - Βασικές αρχές μετατροπής της Αιολικής σε Ηλεκτρική Ενέργεια Η σημερινή αξιοποίηση του ανέμου γίνεται με σύγχρονες Ανεμογεννήτριες (Α/Γ) που αποδίδουν άμεσα Ηλεκτρική ενέργεια. Η σύγχρονη τεχνολογία συνέβαλλε στην κατασκευή αξιόπιστων και αποδοτικών Α/Γ. Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες Α/Γ, οριζοντίου άξονα και κατακόρυφου. Στην πράξη χρησιμοποιούνται οι Α/Γ οριζοντίου άξονα. Οι συνθήκες στις οποίες λειτουργούν είναι εξαιρετικά δύσκολες, δεδομένου ότι εργάζονται σε σκληρές κλιματολογικές συνθήκες, με υψηλές ταχύτητες ανέμου και σε συνθήκες εναλλασσόμενων φορτίσεων. Για να είναι αξιόπιστες πρέπει κατά τον σχεδιασμό τους να τηρούνται συγκεκριμένες προδιαγραφές

Στις περισσότερες περιπτώσεις οι εγκαταστάσεις Α/Γ αναπτύχθηκαν με την μορφή Αιολικών Πάρκων

Κατασκευή Ανεμογεννήτριας Κύρια μέρη Α/Γ Ο Ρότορας(πτερωτή) που περιλαμβάνει πτερύγια διαμέτρου που φτάνουν τα 100m. Η ταχύτητα περιστροφής κυμαίνεται μεταξύ 15 και 25 rpm (στροφές ανά λεπτό) και το ύψος του πυλώνα φθάνει τα 150m. Το κιβώτιο ταχυτήτων Tη γεννήτρια Το κύκλωμα ελέγχου Το σύστημα πέδησης που μπορεί να είναι είτε ηλεκτρομαγνητικό και εφαρμόζεται σε κάθε πτερύγιο, είτε υδραυλικό. Τέλος περιλαμβάνει σύστημα ασφαλείας και ελαχιστοποίησης του θορύβου.

Απόδοση της Α/Γ Μεταβολή της ισχύος εξόδου της Α/Γ συναρτήσει της ταχύτητας του ανέμου για ανεμογεννήτρια με κατώτατο όριο 3m/s και άνω όριο 25m/s. Η ταχύτητα του ανέμου που αντιστοιχεί στην ονομαστική ισχύ της ανεμογεννήτριας είναι 14m/s

Κόστος Παραγωγής της Αιολικής Ενέργειας (ΠΗΓΗ: Ευρωπαϊκή Εταιρία Αιολικής Ενέργειας (EWEA)).

Υδροηλεκτρική ενέργεια Η Υδροηλεκτρική ενέργεια κατέχει σήμερα κυρίαρχο μερίδιο στην παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Στην διάρκεια του μαθήματος θα ασχοληθούμε με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την κατηγορία των Μικρών Υδροηλεκτρικών Σταθμών (ΜΥΗΣ) στην ελληνική επικράτεια. Το γενικά αποδεκτό όριο διαχωρισμού των μικρών από τα μεγάλα υδροηλεκτρικά έργα, είναι η εγκατεστημένη ισχύς να είναι μικρότερη των 10 MW. Πρόκειται για έναν καινοτόμο και ταχύτατα αναπτυσσόμενο κλάδο στην Ελλάδα, που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον τόσο στο καθαρά τεχνικό όσο και οικονομικό του σκέλος. Η συμμετοχή των ΜΥΗΣ στο ενεργειακό σύστημα υπήρξε περιορισμένη μέχρι πρόσφατα στην Ελλάδα. Η θέσπιση και εξέλιξη κατά την τελευταία δεκαετία της νομοθεσίας για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) δημιούργησε έντονο επενδυτικό ενδιαφέρον για τους ΜΥΗΣ Σχετικά με τα γενικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ ισχύουν και για τους ΜΥΗΣ. Εκτός από τα όσα αναφέρθηκαν γενικά για τις ΑΠΕ, οι ΜΥΗΣ παρουσιάζουν ορισμένα ιδιαίτερα συγκριτικά πλεονεκτήματα:

Σε σχέση με τις υπόλοιπες ΑΠΕ παρουσιάζουν υψηλό βαθμό ενεργειακής απόδοσης, δηλαδή η παραγόμενη ενέργεια στη διάρκεια ζωής τους είναι πολύ μεγαλύτερη από την ενέργεια που απαιτείται για την κατασκευή, συντήρηση και λειτουργία τους. Συγκεκριμένα ο βαθμός ενεργειακής απόδοσης για τους κυμαίνεται στο διάστημα 30~67%, ενώ οι αντίστοιχες τιμές για την αιολική ενέργεια, τη βιομάζα και τα φωτοβολταϊκά είναι 5~39, 3~27 και 1~4 αντίστοιχα ESHA 2005 (European Small Hydro Association,). Η κατασκευή ενός ΜΥΗΣ επιβαρύνει ελάχιστα φυσικό οικοσύστημα, εφόσον γίνει σωστός περιβαλλοντικός σχεδιασμός. Υπάρχουν τεχνολογίες για τη διευκόλυνση μετακίνησης των ψαριών κατά μήκος των ποταμών, ενώ η πρόβλεψη ελάχιστης οικολογικής παροχής εξασφαλίζει την επιβίωση της παρόχθιας πανίδας και χλωρίδας. Η ποιότητα των υδάτων δεν υποβαθμίζεται καθόλου με τη διέλευση από το στρόβιλο και μπορεί να είναι κατάλληλα ακόμα και για πόση, μετά από την τυπική επεξεργασία. Αντίθετα, οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας ενός ΜΥΗΣ μπορούν να αποδώσουν το νερό ακόμα πιο καθαρό στο φυσικό υδατόρευμα, στην περίπτωση που μεταφέρει μη χημικούς ρύπους. Οι ΜΥΗΣ μπορούν εύκολα να συνδυαστούν με παράλληλες χρήσεις όπως ύδρευση και άρδευση, συντελώντας στη μεγιστοποίηση της αξιοποίησης των υδατικών πόρων.

Παρά τα σημαντικά τους πλεονεκτήματα, οι εμφανίζουν και ορισμένα μειονεκτήματα που θα πρέπει να ληφθούν υπόψη, προκείμενου να μεγιστοποιηθούν τα οφέλη από την εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνολογίας. Όπως όλες οι τεχνολογίες ΑΠΕ, έχουν σημαντικά χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση από τις συμβατικές πηγές ενέργειας. Αυτό σε όρους της ενεργειακής αγοράς σημαίνει ότι παράγουν ακριβή ενέργεια, εφόσον εξακολουθεί να υπάρχει επάρκεια ορυκτών καυσίμων Σήμερα η προώθηση των ΜΥΗΣ εξαρτάται ουσιαστικά από τις κρατικές επιδοτήσεις και την υψηλή τιμή αγοράς της ανανεώσιμης ενέργειας από το ΔΕΣΜΗΕ. Οι ΜΥΗΣ σε αντίθεση με τους μεγάλους υδροηλεκτρικούς σταθμούς δεν έχουν τη δυνατότητα αποθήκευσης νερού σε ταμιευτήρα. Αυτό το χαρακτηριστικό, που αποτελεί πλεονέκτημα όσον αφορά το μέγεθος της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης, συνεπάγεται μηδενική ευελιξία στη διαχείριση της ενέργειας στο σύστημα μεταφοράς, αφού η παραγόμενη ενέργεια θα πρέπει να καταναλώνεται άμεσα. Για το λόγο αυτό η ενέργεια που παράγεται από ΜΥΗΣ δε χρησιμοποιείται σαν ενέργεια αιχμής, αλλά απορροφάτε κατά προτεραιότητα από το σύστημα.

Εξάλλου οι ΜΥΗΣ εμφανίζουν τη μέγιστη παραγωγή κατά τους χειμερινούς μήνες, ενώ αντίθετα η αιχμή της ζήτησης σημειώνεται κατά τους θερινούς. Σε συνδυασμό με το μεγάλο πλήθος των έργων, που διαχειρίζεται κυρίως ο ιδιωτικός τομέας και των εμπλεκομένων υπηρεσιών που είναι αρμόδιες για την παρακολούθηση των έργων, ο έλεγχος τήρησης των περιβαλλοντικών όρων επέμβασης είναι ιδιαίτερα δύσκολος