Μεταβλητές ΑΠΕ Ηλεκτρικού Συστήματος: μία άβολη αλήθεια..(Δρ.Απόστολος Ευθυμιάδης)

 

Απόστολος Ευθυμιάδης*

1    Εισαγωγή και περίληψη

1.1     Ορισμοί

Με τον όρο «Σύστημα» εννοείται το σύνολο μηχανών ηλεκτροπαραγωγής, συμβατικών ή ΑΠΕ (Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας) μαζί με τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής της παραγόμενης  ηλεκτρικής  ενέργειας,  είτε  αυτά  είναι  «Διασυνδεδεμένα»  με  τις  γειτονικές χώρες είτε «Αυτόνομα» όπως είναι τα συστήματα των νήσων.

Με τον όρο «μεταβλητές ΑΠΕ Συστήματος (μΑΠΕΣ)» ονομάζονται εκείνες οι τεχνολογίες ηλεκτροπαραγωγής Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ)  όπως είναι τα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά, οι οποίες δεν παρέχουν εγγυημένη ή έστω 100% προβλέψιμη ισχύ στο σύστημα αλλά η παραγωγή τους εξαρτάται από μία μεταβλητή και τυχαία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας όπως είναι ο άνεμος ή ο ήλιος. Οι τεχνολογίες αυτές διαφέρουν από άλλες μονάδες ΑΠΕ ηλεκτροπαραγωγής όπως είναι οι υδροηλεκτρικές μονάδες ή οι μονάδες με καύση βιομάζας διότι οι τελευταίες αυτές είναι σε θέση να παρέχουν εγγυημένη ισχύ όπως και οι συμβατικές θερμικές μονάδες με χρήση καυσίμων και επομένως δεν περιλαμβάνονται στον όρο «μΑΠΕΣ».

1.2     Η έννοια της μεταβλητότητας

Η ηλεκτροπαραγωγή από τις μΑΠΕΣ εξαρτάται ευθέως από την ένταση της αντίστοιχης ανανεώσιμης πηγής ενέργειας (άνεμος ή ήλιος) και επομένως η μεταβλητότητα ηλεκτροπαραγωγής των μΑΠΕΣ είναι ευθέως ανάλογη της μεταβλητότητας των ΑΠΕ.

Η μεταβλητότητα αυτή είναι παρούσα σε διάφορα επίπεδα: ώρας, λεπτών, δευτερολέπτων και εκατοστών του δευτερολέπτων

Στο σχήμα 1 που ακολουθεί, δίδονται χαρακτηριστικές χρονοσειρές πραγματικών ανεμολογικών μετρήσεων σε περιοχή της Άνδρου, ανά 10 λεπτά και για χρονικό διάστημα μίας εβδομάδας. Εις το διάγραμμα αυτό εμφανίζεται η βασική χρονοσειρά μέσων τιμών δεκαλέπτου και με διακεκομμένες γραμμές τα όρια διακυμάνσεως των μετρήσεων εντός του δεκαλέπτου πλάτους ±2σ, όπου σ είναι η τυπική απόκλιση των μετρήσεων εντός του δεκαλέπτου. Επίσης εμφανίζεται και η μέγιστη ταχύτητα ανέμου δεκαλέπτου η οποία μετρήθηκε  με  μαύρη  γραμμή.  Οι  γραμμές  αυτές  είναι  τυπικές  της  μεταβλητότητας  του ανέμου σε επίπεδο λεπτού η οποία κατά κανόνα έχει πλάτος μεταβολής ±15% ενώ οι ακραίες μεταβολές μπορεί να φθάσουν στο 100% όπως φαίνεται περί ώρα 12, 14 και 3 ώρα της δεύτερης ημέρας.

Σχήμα 1 : Χρονολογικό διάγραμμα τυπικών μετρήσεων ανέμου 10-λέπτου

Σημειώνεται ότι η μεταβλητότητα αυτή του ±15% επεκτείνεται συχνά μέχρι και σε επίπεδο δευτερολέπτων με αποτέλεσμα η αιολική παραγωγή να εμφανίζει αντίστοιχες διακυμάνσεις.

Στο Σχήμα 2 δίδεται παραστατικά μία τυπική μεταβλητότητα αιολικής ηλεκτροπαραγωγής έναντι της ζητήσεως φορτίου (σε kW) σε επίπεδο ώρας ( η οποία ζήτηση ελήφθη από την νήσο Πάτμο).  Παρατηρείται α) η αδυναμία της αιολικής παραγωγής να ανταποκριθεί όταν οι άνεμοι είναι ασθενείς καθώς και β) οι υπερβάσεις αυτής έναντι της ζητήσεως ηλεκτρικού φορτίου σε περίπτωση

υψηλών ανέμων.

Σχήμα 2 : Ωριαία μεταβλητότητα αιολικής παραγωγής έναντι ηλεκτρικού φορτίου νήσου

1.3     Συνέπειες της μεταβλητότητας

Αυτή η μεταβλητότητα της παραγωγής των μΑΠΕΣ επιβαρύνει σημαντικά τις θερμικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής αφού οι τελευταίες αυτές μονάδες είναι υποχρεωμένες να λειτουργούν συνεχώς υπό μεταβαλλόμενο φορτίο, αντισταθμίζοντας την μεταβλητότητα των μΑΠΕΣ ούτως ώστε η συνολική ηλεκτροπαραγωγή να διατηρείται σταθερή και ίση με την Ζήτηση Ηλεκτρικής Ενέργειας (Φορτίο). Όπως αποδεικνύεται εις την παρούσα εργασία, αυτή η μεταβλητότητα έχει δραματικές επιπτώσεις επί του βαθμού αποδόσεως των θερμικών μονάδων με αποτέλεσμα αυτές να καταναλώνουν περισσότερα καύσιμα απ’ ότι θα κατανάλωναν εάν δεν λειτουργούσαν οι μΑΠΕΣ. Αυτή η υποβάθμιση της ενεργειακής αποδόσεως των θερμικών μονάδων και η αντίστοιχη αυξημένη κατανάλωση καυσίμων έχει ως   αποτέλεσμα   την   σχετική   διατήρηση   του   ύψους   των   εκπομπών   CO2    οι   οποίες προκαλούνται από την χρήση καυσίμων αντί για σημαντική μείωσή τους, ενώ συχνά οδηγούν στην  αύξηση  των  εκπομπών  αυτών  αντί  για  μείωση  έναντι  της  προς  ΑΠΕ ηλεκτροπαραγωγής, όπως αποδεικνύεται στην παρούσα εργασία.

1.4     Η εξισορρόπηση (balancing) της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας

Ως «αγορά» νοείται το σύνολο των παρόχων ηλεκτρικής ενέργειας στο σύστημα, είτε συμβατικών είτε ΑΠΕ οι οποίοι επιχειρούν ανά πάσα στιγμή να καλύψουν την ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας (Φορτίο) δηλαδή να εξισορροπήσουν την προσφορά με την ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Η ύπαρξη αυτής της ισορροπίας είναι απαραίτητη άλλως δημιουργούνται σοβαρά προβλήματα στην συχνότητα αλλά και στην τάση του ηλεκτρικού ρεύματος η οποία παρέχεται στους καταναλωτές, με το πρόβλημα της συχνότητας να προεξάρχει.

Το πρόβλημα της συχνότητας γίνεται αντιληπτό με την περιγραφή ενός εκτάκτου γεγονότος το οποίο συμβαίνει όμως συχνά όπως είναι η απώλεια μίας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής, είτε θερμικής είτε ΑΠΕ. Ένα τέτοιο συμβάν είναι π.χ. η ακαριαία διακοπή λειτουργίας μίας συστοιχίας  αιολικών  μονάδων  λόγω  αυξήσεως  της  ταχύτητας  του  ανέμου  πάνω  από  το τεχνικό όριο ασφαλείας της λειτουργίας τους (π.χ. πάνω από τα 23 m/s).  Την στιγμή της διακοπής δημιουργείται ένα έλλειμα της προσφοράς ηλεκτρικής ενέργειας στο σύστημα έναντι της ζητήσεως εκείνη την στιγμή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι υπόλοιπες μονάδες παραγωγής είτε εν λειτουργεία είτε εν θερμή εφεδρεία (δηλαδή έτοιμες προς άμεση παραγωγή) να επιχειρούν να ανεβάσουν την παραγωγή τους με τον μέγιστο τεχνικά επιτρεπόμενο ρυθμό αυξήσεως, προκειμένου να αποκαταστήσουν τάχιστα την ισορροπία.

Κατά την διάρκεια της ανισορροπίας αυτής και μέχρι την πλήρη εξάλειψή της οι ηλεκτρογεννήτριες  των  μονάδων  παραγωγής  αντιμετωπίζουν  αυξημένο  φορτίο  με αποτέλεσμα να επιβραδύνεται ο ρυθμός περιστροφής τους και να μειώνεται συναφώς η παραγόμενη συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος στο δίκτυο (σε Hz) ούτως ώστε να κινδυνεύουν άμεσα να διακόψουν αυτομάτως την λειτουργία τους λόγω αποκλίσεως της συχνότητας  από  το  τεχνικό  όριο  λειτουργείας  τους  με  αποτέλεσμα  να  επαπειλείται συσκότιση του συστήματος (black out).

Δια την αντιμετώπιση αυτού του κινδύνου απαιτείται η ύπαρξη στο σύστημα:

I.      Θερμικών μονάδων σε εφεδρεία ή σε λειτουργία με δυνατότητα ταχείας αυξήσεως ή μειώσεως της παραγωγικής τους ικανότητας οι οποίες αναλαμβάνουν να αποκαταστήσουν τις αποκλίσεις μεταξύ προσφοράς και ζητήσεως σε τρία επίπεδα :

A.  Περιορισμού των αποκλίσεων συχνότητας εντός του του τεχνικού ορίου των μονάδων σε χρονικό διάστημα μέχρι 30s (Πρωτεύουσα ρύθμιση)

B.  Αποκαταστάσεως των αποκλίσεων συχνότητας του συστήματος σε διάστημα από 30s έως 15 λεπτών (Δευτερεύουσα ρύθμιση)

C.  Αντικαταστάσεως της ανωτέρω εφεδρείας σε χρονικό διάστημα από 15 έως

60 λεπτών (Τριτεύουσα ρύθμιση)

II.     Θερμικών μονάδων με μεγάλη στρεφόμενη αδράνεια (rotary inertia) όπως είναι οι μεγάλες συμβατικές μονάδες ατμοστροβίλων, οι οποίες διαθέτουν μεγάλες στρεφόμενες ηλεκτρογεννήτριες βάρους εκατοντάδων τόνων και οι οποίες λόγω της μεγάλης περιστροφικής τους αδράνειας, ενεργούν ως αδρανειακός σφόνδυλος καθυστερώντας την μεταβολή της συχνότητας μέχρι να προλάβουν οι μονάδες στην παράγραφο ΙΑ ανωτέρω να περιορίσουν την απόκλιση της συχνότητας.

III.     Συσσωρευτών (μπαταρίες) με συστοιχία κυψελών σε εφεδρεία οι οποίες έχουν την δυνατότητα ταχείας αυξήσεως ή μειώσεως της ηλεκτροπαραγωγής μέσω ταχείας εκφορτίσεως  ή  φορτίσεως  αντιστοίχως  οι  οποίες  λειτουργούν  επικουρικά  στις μονάδες ΙΑ ανωτέρω.

2    Επισκόπηση της βιβλιογραφίας

2.1     Οι θεσμικές εξελίξεις

Τα ανωτέρω διαπιστωνόμενα προβλήματα τα οποία οφείλονται στην μεταβλητότητα της ηλεκτροπαραγωγής από τις μΑΠΕΣ, έχουν πλέον αναγνωριστεί από την Ευρωπαϊκή και Ελληνική νομοθεσία δια τις ΑΠΕ η οποία κατά τα τελευταία έτη έχει συμπληρωθεί με τις εξής αποφάσεις:

1.  την πρόταση : "ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΕΥΡΩΠΑΪΚΟΥ ΚΟΙΝΟΒΟΥΛΙΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΜΒΟΥΛΙΟΥ σχετικά με την εσωτερική αγορά ηλεκτρικής ενέργειας", Βρυξέλλες,

23.2.2017, COM(2016) 861 final 2016/0379 (COD) και ειδικότερα το άρθρο 4 αυτού: "Άρθρο 4 :Ευθύνη εξισορρόπησης : 1. Όλοι οι παράγοντες της αγοράς αποσκοπούν στην ισορροπία  του  συστήματος  και  είναι  οικονομικά  υπεύθυνοι  για  ανισορροπίες  που προκαλούν στο σύστημα. Αποτελούν υπεύθυνα για την ισορροπία μέρη ή μεταβιβάζουν την ευθύνη τους σε υπεύθυνο για την ισορροπία μέρος της επιλογής τους".

2.  τον ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ (ΕΕ) 2017/2195 ΤΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ, της 23ης Νοεμβρίου 2017, σχετικά με τον καθορισμό κατευθυντήριας γραμμής για την εξισορρόπηση ηλεκτρικής ενέργειας

3.   τον Νόμο ΥΠ’ ΑΡΙΘΜ. 4425/2016 Κεφάλαιο Γ,  αναφορικά με α) την Χονδρική Αγορά Προθεσμιακών Προϊόντων Ηλεκτρικής Ενέργειας: β) την Ημέρα Εκπλήρωσης Φυσικής Παράδοσης, γ) την Αγορά Επόμενης Ημέρας και δ) την Ενδοημερήσια Αγορά:

4.   τον Κανονισμό της Αγοράς Εξισορρόπησης, 2η Έκδοση, ΑΔΜΗΕ, 29 Ιουνίου 2018

5.   την έκδοση του Διεθνούς Γραφείου Ενέργειας (ΙΕΑ)  με τίτλο "Re-powering Markets.

Market design and regulation during the transition to low-carbon power systems", 2016

Εις  τα  ανωτέρω  νομοθετήματα  επιχειρείται  η  δίκαια  κατανομή  των  δαπανών εξισορροπήσεως του συστήματος για τις μονάδες τύπου Ι ή τύπου ΙΙΙ που αναφέρονται ανωτέρω. Όμως ακόμα και η ανωτέρω νομοθεσία δεν αντιμετωπίζει αποτελεσματικά το πρόβλημα της κοστολογήσεως και αποζημιώσεως μονάδων τύπου ΙΙ ανωτέρω, των οποίων η λειτουργία είναι συχνά αναγκαστική δια την διατήρηση της συχνότητας του συστήματος και τούτο παρά τον χαμηλότερο βαθμό αποδόσεως ή το υψηλότερο τίμημα ηλεκτροπαραγωγής. Και τούτο διότι όσο αυξάνεται η διείσδυση των αιολικών, τόσο αναγκαστικά μειώνονται οι μεγάλες ατμοηλεκτρικές μονάδες στο σύστημα με αποτέλεσμα να μειώνεται η στρεφόμενη εφεδρεία. Συνεπώς ο προβλεπόμενος στόχος για εξάλειψη των λιγνιτικών ατμοηλεκτρικών μονάδων είναι ενδογενώς αλυσιτελής διότι οδηγεί σε ασταθές σύστημα με μειωμένη στρεφόμενη εφεδρεία.

2.2     Οι επιπτώσεις των μΑΠΕΣ στον βαθμό αποδόσεως των θερμικών μονάδων

Εις την διεθνή βιβλιογραφία υπάρχει πλέον πλήθος δημοσιεύσεων αναφορικά με τις επιπτώσεις των μΑΠΕΣ στην βαθμό απόδοσης των θερμικών μονάδων οι οποίες αναλαμβάνουν να εξισορροπήσουν τις διακυμάνσεις αυτών.   Επί του θέματος αυτού επιλέγονται προς παρουσίαση τρεις δημοσιεύσεις επιστημονικών άρθρων :

1. F. Gutiérrez-Martín, R.A. Da Silva-Álvarez, P. Montoro-Pintado, «Effects of wind intermittency on reduction of CO 2 emissions: The case of the Spanish power system Universidad Politécnica de Madrid, EUITI, Rda. Valencia 3, ES-28012 Madrid, Spain, ELESVIER Energy xxx (2013) 1 - 10.

2.   M.H. Albadi ∗ , E.F. El-Saadany, Review Overview of wind power intermittency impacts

on power systems, Department of Electrical and Computer Engineering, University of

Waterloo, 200 University Ave. W, Waterloo, ON, N2L3G1, Canada, ELESVIER, Electric

Power Systems Research 80 (2010) 627–632

3.   Maria Tsagkaraki and Riccardo Carollo, Incoteco (Denmark) ApS. Data Source: EirGrid, CO2 Emissions Variations in CCGTs Used to Balance Wind in Ireland, Posted on April

15,    2016 by Euan    Mearns,    http://euanmearns.com/co2-emissions-variations-in-ccgts- used-to-balance-wind-in-ireland/

Στην αναφορά [1] τεκμηριώνεται ότι για την λειτουργία των αιολικών μονάδων απαιτεί την παράλληλη λειτουργία θερμικών μονάδων με χρήση καυσίμων οι οποίες αντισταθμίζουν την μεταβλητή παραγωγή των μΑΠΕΣ στην Ισπανία. Όταν οι αιολικές μηχανές τίθενται εντός λειτουργίας, η ηλεκτροπαραγωγή από τις ανθρακικές και τις μονάδες φυσικού αερίου οι οποίες καλύπτουν την ζήτηση περικόπτεται κατά τι, έως ο άνεμος να καταλαγιάσει όπου και η παραγωγή τους ανέρχεται πάλι ώστε να καλύψει την ζήτηση.  Αυξομειώνοντας την ισχύ των μονάδων αυτών επέρχεται μείωση του βαθμού αποδόσεώς τους προκαλώντας έτσι και αύξηση των εκπομπών CO2 συγκριτικά με το εάν λειτουργούσαν σε σταθερή κατάσταση χωρίς αυξομειώσεις παραγωγής.  Οι θερμικές μονάδες λειτουργούν με τον μέγιστο βαθμό αποδόσεως κατά την διάρκεια σταθερής λειτουργίας. Επομένως οι αυξομειώσεις των εντάσεων του ανέμου, οδηγεί σε μειωμένες αποδόσεις και αυξημένες εκπομπές CO2

Επίσης η μελέτη αυτή αποδεικνύει ότι οι επιπτώσεις των αιολικών είναι σωρευτικές και όσο περισσότερες νέες αιολικές μονάδες εισέρχονται στο σύστημα χωρίς άλλες νέες μονάδες θερμικών σταθμών, τόσο αυξάνουν οι ανωτέρω περιγραφόμενες επιπτώσεις.

Στην αναφορά [2] αναφέρεται ότι όσο αυξάνει η διείσδυση των αιολικών στο σύστημα, τόσο αυξάνουν και οι δαπάνες ενσωματώσεως αυτών στο σύστημα. Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στο γεγονός ότι η αιολική ενέργεια είναι στοχαστικής φύσεως και διακοπτόμενη. Δια την διατήρηση υψηλής αξιοπιστίας στο σύστημα παρουσία αιολικής ενέργειας, ο χειριστής του συστήματος πρέπει να λάβει υπ’ όψιν την αιολική παραγωγή κατά την διάρκεια υψηλών και χαμηλών εντάσεων ανέμων,  την ικανότητα του συστήματος να επιβιώσει από σφάλματα του συστήματος όπως είναι η απώλεια μίας μονάδας παραγωγής ή μίας γραμμής μεταφοράς, την απαιτούμενη ισχύ εφεδρείας τύπου Ι, ΙΙ ή ΙΙΙ τον έλεγχο ή την ρύθμιση της αιολικής παραγωγής προς τα κάτω. Λόγω της μεταβλητότητας και της αβεβαιότητας της αιολικής παραγωγής, το κυρίαρχο μέρος του κόστους της αιολικής παραγωγής είναι η χρονική δέσμευση συμβατικών μονάδων εφεδρείας τύπου Ι, ΙΙ και ΙΙΙ κατά την λειτουργία. Γενικά διαπιστώθηκε ότι το κόστος αυτό αυξάνεται όσο αυξάνει η διείσδυση των αιολικών στο σύστημα.

Τέλος στην αναφορά [3] εξετάζεται η περίπτωση της Ιρλανδίας η οποία είναι συνδεδεμένη με το ηπειρωτικό σύστημα της Βρετανίας με μία μεταφορική ικανότητα ενός Γιγαβάτ (GW). Η Ιρλανδία έχει θέσει ως στόχο την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ, κυρίως αιολικά, να φθάσει το 40% έως το 2020. Οι αυξομειώσεις της αιολικής παραγωγής εξισορροπούνται από μονάδες αεριοστροβίλων των σταθμών Συνδυασμένου Κύκλου με φυσικό   αέριο.   Καθώς   αυξάνει   η   αιολική   παραγωγή,   οι   εν   λόγω   αεριοστρόβιλοι αυξομειώνουν εντονότερα την παραγωγή τους με αποτέλεσμα να φθείρονται ταχύτερα και να μειώνεται ο βαθμός αποδόσεώς τους, αυξάνοντας παράλληλα τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τις μονάδες αυτές.

Κατά την διάρκεια των ετών 2014 και 2015 η μέση διείσδυση των αιολικών ήταν 22%, οι αεριοστρόβιλοι παρήγαγαν 575 kg CO2 ανά Μεγαβατώρα (MWh) και η μέση απόδοση καυσίμου ήταν 32% συγκριτικά με την απόδοση σχεδιασμού των 55% στους σταθμούς Συνδυασμένου Κύκλου.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και αναλύσεων δίδονται επίσης γραφικά σε μηνιαία βάση στο παραπάνω σχήμα Από το σχήμα αυτό διαπιστώνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η μηνιαία διείσδυση των αιολικών, τόσο αυξάνουν οι εκπομπές CO2 από τις μονάδες αεριοστροβίλων, γεγονός ενδεικτικό της μειώσεως του βαθμού αποδόσεως αυτών.

2.3     Η αναγκαιότητα στρεφόμενης εφεδρείας Στον τομέα της αναγκαιότητας υπάρξεως εφεδρείας στρεφόμενης αδράνειας του συστήματος έχει γραφεί ένα πλήθος άρθρων εις την τεχνική και επιστημονική βιβλιογραφία. Στη συνέχεια παραθέτονται και αξιολογούνται τα συμπεράσματα τριών δημοσιεύσεων οι οποίες αποτυπώνουν ανάγλυφα το πρόβλημα ελλείψεως αυτής. 1.   European  Network  of  Transmission  System  Operators  for  Electricity,  (ENTSO-E), “Future system inertia”, by Erik Ørum, Mikko Kuivaniemi, Minna Laasonen, Alf Ivar Bruseth, Erik Alexander Jansson, Anders Danell, Katherine Elkington, Niklas Modig from Energinet.dk, Fingrid, Fingrid, Statnett, Statnett, Svenska kraftnät, Svenska kraftnät, Svenska kraftnät respectively, ENTSO-E Report 2015. 2.   AUSTRALIAN  ENERGY  MARKET  OPERATOR  (AEMO):  Black  system  South Australia 28 September 2016 – Final Report. 3.   Impact of Low Rotational Inertia on Power System Stability and Operation Andreas Ulbig, Theodor S. Borsche and Göran Andersson, Power Systems Laboratory, ETH Zurich, ulbig | borsche | andersson @eeh.ee.ethz.ch, arXiv:1312.6435v4 [math.OC] 22 Dec 2014 Η Ένωση Λειτουργών Συστημάτων Μεταφοράς Ηλεκτρισμού (ENTSO) έχει δημοσιεύσει αναλυτική έκθεση υπολογισμού της στρεφόμενης αδράνειας του συστήματος [1] και παρέχει οδηγίες προς τα μέλη του δια τον τρόπο εξασφαλίσεως αυτής. Στην αναφορά [2] γίνεται ανάλυση της καθολικής συσκοτίσεως του ηλεκτρικού συστήματος Νοτίου Αυστραλίας τον Σεπτέμβριο του 2016 η οποία αποδίδεται στην έλλειψη στρεφομένης εφεδρείας λόγω μεγάλης διεισδύσεως της αιολικής παραγωγής κατά τον χρόνο αυτό και μειωμένης συμμετοχής των μεγάλων ανθρακικών μονάδων βαρέως τύπου, οι οποίες εξασφάλιζαν την απαραίτητη στεφόμενη εφεδρεία. Τέλος στην αναφορά [3], Ελβετοί ερευνητές από το εργαστήριο ηλεκτρικών συστημάτων ισχύος του Πολυτεχνείου της Ζυρίχης εξετάζουν αναλυτικά τους κινδύνους απώλειας ευστάθειας και επομένως καταρρεύσεως των συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της βαθείας διεισδύσεως των μΑΠΕΣ (αιολικά, Φ/Β) εις το σύστημα. Η εργασία τους έχει τίτλο  "Επιπτώσεις της χαμηλής στροφικής αδρανείας εις την ευστάθεια και λειτουργία των ηλεκτρικών συστημάτων ισχύος". Οι επαΐοντες του εργαστηρίου Ανδρέας Ούλμπιχ, Θεόδωρος Μπόρστσε και Γκόραν Άντερσον εφήρμοσαν την απλή λογική και τις θεμελιώδεις μαθηματικές εξισώσεις των δυναμικών μεταβολών της ηλεκτρικής συχνότητας και απέδειξαν δια άλλη μία φορά, αλλά πρώτη φορά σε επίπεδο Ηπειρωτικής Ευρώπης, ότι η μεγάλη διείσδυση των ΑΠΕ (αιολικών, Φ/Β) θέτει σε κίνδυνο όχι μόνο μία χώρα αλλά ολόκληρο το διασυνδεδεμένο σύστημα της Ευρώπης!!! Η θεώρησή τους είναι εξαιρετικά απλή και πειστική. Εξέτασαν τα διάφορα μεταβατικά φαινόμενα τα οποία προκαλούνται από μία τυχαία πτώση μίας μονάδας ηλεκτροπαραγωγής, όταν το σύστημα χαρακτηρίζεται από χαμηλή στροφική αδράνεια Η (μετρούμενη σε δευτερόλεπτα). Η στροφική ή στρεφόμενη αδράνεια Η ορίζεται ως ο λόγος της κινητικής ενέργειας της στρεφόμενης ηλεκτρικής γεννήτριας (με 1000 έως 3000 στροφές ανά λεπτό) ως προς την ονοματική της ισχύ SB: Η = Eκιν / SB, όπου Εκιν =(1/2) J(2πf)^2 και J είναι η στροφική   ροπή αδρανείας της ηλεκτρογεννήτριας. Από τον ορισμό της και ως λόγος ενέργειας προς ισχύ, η στροφική αδράνεια Η έχει μονάδα χρόνου (σε δευτερόλεπτα) και φυσικώς  υποδηλώνει  τον  χρόνο  κατά  τον  οποίο  η  γεννήτρια  μπορεί  να  τροφοδοτεί  με ενέργεια το σύστημα αποκλειστικά και μόνο λόγω της αποθηκευμένης κινητικής ενέργειας σε αυτήν. Δια συνήθεις ηλεκτρογεννήτριες των συμβατικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής η στροφική αδράνεια κυμαίνεται περί τα 6 δευτερόλεπτα (Η ~ 6 s). Αντίθετα η στροφική αδράνεια των ΑΠΕ είναι μηδενική διότι αυτά δεν διαθέτουν κλασική ηλεκτρογεννήτρια αλλά είναι τα ίδια πηγή συνεχούς ρεύματος και παράγουν το εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω μετατροπέα ισχύος (inverter). Επομένως όσο αυξάνει η διείσδυση των ΑΠΕ η ισοδύναμη στρεφόμενη αδράνεια του συστήματος μειώνεται από τα 6s στα 4, 3, 2, 1 ή και 0 s όταν όλη η συμβατική ηλεκτροπαραγωγή θεωρητικά αντικατασταθεί με ΑΠΕ. Στην  έρευνά  τους  αυτή  εξετάζεται  η  περίπτωση  του  Γερμανικού  συστήματος  και  των βορείων γειτόνων αυτής (2ο Σύστημα) ισχύος περί τα 150.000 MW το οποίο διασυνδέεται με το σύστημα των γειτονικών χωρών (Ελβετίας, Αυστρίας, Ιταλίας) αντίστοιχης ισχύος (1ο Σύστημα), μέσω γραμμών μεταφοράς ισχύος περί τα 10.000 MW. Εξετάζεται η περίπτωση ξαφνικής απώλειας ηλεκτροπαραγωγικής ισχύος 3000 MW εις το 2ο σύστημα (δηλαδή της Γερμανίας) δηλαδή του 2% της ηλεκτροπαραγωγικής του ισχύος λόγω κάποιου σφάλματος (π.χ. βραχυκύκλωμα). Επιλύοντας  τις  σχετικές  μαθηματικές  εξισώσεις  με  την  βοήθεια  του  περιβάλλοντος Matlab/Simulink και για τα πρώτα 100 s αναλύονται τρεις περιπτώσεις ·    1η περίπτωση : αμφότερα συστήματα έχουν υψηλή στροφική αδράνεια με Η1 = Η2 = 6 s ·    2η περίπτωση :  το  1ο  σύστημα (το  Ελβετο/Ιταλικό)  έχει  υψηλή στροφική αδράνεια (Η1=6s) ενώ το 2ο σύστημα (Γερμανικό) έχει μειωμένη αδράνεια (Η2 = 3 s) λόγω λειτουργίας αρκετών ΑΠΕ ·    3η περίπτωση : το 1ο σύστημα συνεχίζει να έχει υψηλή στροφική αδράνεια (Η1=6 s) ενώ το 2ο σύστημα έχει ελάχιστη στρεφόμενη αδράνεια (Η1= 1s) λόγω υψηλής στιγμιαίας διεισδύσεως των ΑΠΕ εις το σύστημα και σε ποσοστό άνω του 50% (ερυθρές ή πορτοκαλόχροες γραμμές). Στη  συνέχεια εξετάστηκαν: α) οι επιπτώσεις εις την συχνότητα των δύο συστημάτων, β) οι επιπτώσεις εις την γραμμή μεταφοράς η οποία διασυνδέει τα δύο συστήματα και γ) ο ρυθμός μεταβολής μεταφερόμενης ισχύος εις την διασύνδεση αυτή. Διαπιστώνεται ότι όπως φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί, όσο μειώνεται η στροφική αδράνεια του 2ου συστήματος, τόσο αυξάνουν οι επιπτώσεις και εις τα δύο συστήματα. Π.χ. ενώ όταν η στροφική αδράνεια είναι υψηλή και στα δυο συστήματα Η1=Η2=6s) η μείωση της συχνότητας είναι της τάξεως των 0,4 Hz και γίνεται πιο ομαλά έναντι της περιπτώσεως Η2= 1s, όπου η μείωση αυτή φθάνει εις τα 0,5 Hz και μάλιστα ταχύτερα. Σημειώνεται ότι καθώς μειώνεται η συχνότητα τότε υπάρχει κίνδυνος γενικότερου μπλάκ άουτ, λόγω αυτομάτου αποκοπής πολλών φορτίων αλλά και γραμμών μεταφοράς.  Καταλήγοντας οι συγγραφείς προτείνουν ότι τρόπος αντιμετωπίσεως των φαινομένων αυτών σε περιπτώσεις χαμηλής στροφικής αδρανείας, δηλαδή υψηλής διεισδύσεως των αιολικών είναι η χρήση συστημάτων αποθηκεύσεως συσσωρευτών δια την εξομάλυνση και την αντιστάθμιση των ταχέων αυτών επικινδύνων δυναμικών φαινομένων.  3 Οι επιπτώσεις των μΑΠΕΣ στα αυτόνομα συστήματα Κρήτης και Ρόδου 3.1 Γενικά Προκειμένου να γίνουν αντιληπτά τα μεγέθη της υποβαθμίσεως του βαθμού αποδόσεως των θερμικών μηχανών ηλεκτροπαραγωγής παρουσία αιολικής παραγωγής εξετάζονται αναλυτικά η εξέλιξη της ηλεκτροπαραγωγής στα απομονωμένα και αυτόνομα συστήματα Κρήτης και Ρόδου. Τα στοιχεία ηλεκτροπαραγωγής κατά κατηγορία πηγών ενέργειας δίδονται αναλυτικά από τον ΔΕΔΔΗΕ στο διαδίκτυο. Τα στοιχεία καταναλώσεων καυσίμων ανά τύπο μονάδας και καυσίμου, συγκέντρωσε η κυρία Σόνια Περέζ μετά από επικοινωνία με την ΔΕΗ, την οποία την ευχαριστούμε διά αυτό. 3.2 Υποθέσεις και αποτελέσματα Στους Πίνακες 1α και 2α δίδονται τα στοιχεία ηλεκτροπαραγωγής και καταναλώσεων καυσίμων από το έτος 2011 έως το 2017 δια τα συστήματα της Κρήτης και της Ρόδου. Από τους Πίνακες αυτούς διαπιστώνεται ότι το ποσοστό των μΑΠΕΣ στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κατά την επταετία 2011 έως 2017κυμαίνεται από 20 έως 23,5% για την Κρήτη και από 8 έως 19% για την Ρόδο. Επομένως και στις δύο περιπτώσεις η διείσδυση των μΑΠΕΣ είναι σημαντική και αναμένεται να επηρεάζει αρνητικά τις θερμικές μονάδες. Στους Πίνακες 1β και 2β εξετάζεται και υπολογίζεται η υποθετική ηλεκτροπαραγωγή από τις ίδιες θερμικές μονάδες και με χρήση ιδίων ποσοτήτων καυσίμου χωρίς όμως την παρουσία και την αρνητική επίδραση των μΑΠΕΣ σε Κρήτη και Ρόδο αντιστοίχως.  Η στήλη 7 υπολογίζεται με πολλαπλασιασμό της καταναλώσεως μαζούτ (στήλη 1) επί την κατωτέρα θερμογόνο δύναμη του μαζούτ (11,28 MWh/tn) επί τον ονομαστικό βαθμό αποδόσεως της ηλεκτροπαραγωγής από μαζούτ ημ όταν οι μηχανές λειτουργούν υπό σταθερό και όχι μεταβαλλόμενο φορτίο. Αντίστοιχα υπολογίζεται η στήλη 8 όπου η κατωτέρα θερμογόνος δύναμη του ντήζελ ισούται με 10 tn/m3 και ην είναι ο ονομαστικός βαθμός αποδόσεως ηλεκτροπαραγωγής των μηχανών ντήζελ χωρίς μεταβλητό φορτίο. Εν προκειμένω λαμβάνονται συντηρητικά ημ (απόδοση μαζούτ)= 43,5% και ην (απόδοση ντήζελ)= 45%. Σημειώνεται ότι οι σύγχρονες μονάδες έχουν βαθμούς αποδόσεως ημ = 48% και ην= 50%. Επομένως οι ανωτέρω υποθέσεως δια τους βαθμούς αποδόσεως κρίνονται ως συντηρητικές. Διαπιστώνεται ότι η συνολική ηλεκτροπαραγωγή (στήλη 9) χωρίς ΑΠΕ είναι συγκριτικά μεγαλύτερη από εκείνη με ΑΠΕ και τούτο δια την ίδια ποσότητα καυσίμων (στήλη 10). Επομένως ένα είχαν στοιχειωδώς εκσυγχρονιστεί οι θερμικές μονάδες της Κρήτης θα είχαμε την σπατάλη που υποδεικνύεται από την στήλη 12 και δεν θα είχαμε αύξηση των εκπομπών CO2 όπως φαίνεται στην στήλη 13 η οποία υπολογίζεται ως : (13) = [(1) x 3,175 + (2) x 2,663] x (12)   Όπου οι εκπομπές CO2 από το μαζούτ ανέρχονται σε 3,175 tn CO2 ανά MWh ενέργειας καυσίμου και του ντήζελ σε 2,663 tn CO2 ανά MWh ενέργειας καυσίμου Δηλαδή η παρουσία κατά 22% περίπου των μΑΠΕΣ στο σύστημα της Κρήτης όχι μόνο δεν βοηθούν εις την μείωση των εκπομπών CO2 αλλά αντιθέτως οδηγούν στην αύξηση αυτών. Αντίστοιχα με την Κρήτη είναι ακριβώς και τα αποτελέσματα για το σύστημα της Ρόδου. 4 Συμπεράσματα Από την περίπτωση της Κρήτης και της Ρόδου που εξετάζεται ανωτέρω στο κεφάλαιο 3, επαληθεύονται πλήρως τα διεθνή δεδομένα αναφορικά με την αρνητική επίδραση των μΑΠΕΣ στον βαθμό αποδόσεως και στις εκπομπές CO2 των συμβατικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Βεβαίως αυτό ήταν σχετικά αναμενόμενο για τα αυτόνομα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής όπως είναι της Κρήτης και της Ρόδου, όταν παράλληλα με την εγκατάσταση των μΑΠΕΣ δεν λαμβάνονται μέτρα για την αναβάθμιση και εξισορρόπηση του δικτύου και των θερμικών μηχανών με αποτέλεσμα να έχουμε τα συστήματα της Κρήτης και της Ρόδου εις τα οποία οι ανεμογεννήτριες και τα φωτοβολταϊκά αντί να μειώνουν έστω και κατά τι τις εκπομπές CO2, οδηγούν ακριβώς προς την αντίθετη κατεύθυνση. [12] Η έρευνά μας αυτή επεκτείνεται οσονούπω και στο διασυνδεδεμένο σύστημα της χώρας προκειμένου τελικώς να ελεγχθεί και εκεί ο βαθμός επιτεύξεως της θεμελιακής υποθέσεως ότι οι μΑΠΕΣ μειώνουν τις εκπομπές του διοξειδίου του άνθρακα, και μάλιστα σε ποσοστό ανάλογα με τις παραγόμενες κιλοβατώρες από αυτές. Μεταβλητές ΑΠΕ Συστήματος (μΑΠΕΣ): μία άβολη αλήθεια από *Απόστολο Ευθυμιάδη, Δρ. Μηχανικό, Διπλ. Μηχ/γο-Ηλ/γο Μηχανικό,, Διαχειριστή εταιρείας τεχνικών-ενεργειακών συμβούλων «Τεχνομετρική επε» Επιμελητή Επιστημονικής Επιτροπής Μηχανολόγων ΤΕΕ, Ενεργειακό Σύμβουλο ΠΟΜΙΔΑ/UIPI ηλεκτρονικό ταχυδρομείο : apostolos.efthymiadis@technometrics.co.gr προς δημοσίευση στο Ηλεκτρονικό Περιοδικό «ΤΕΧΝΙΚΑ», Μάρτιος 2019 η έρευνα αυτή παρουσιάστηκε από το Δρ,Απόστολο Ευθυμιάδη στην Ημερίδα που έγινε στην Αθήνα, στις 1/12/2018 με θέμα Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας: Μύθοι και Αλήθειες. Ημερίδα, Αθήνα 1η Δεκεμβρίου 2018