8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΜΟΝΑΔΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΑΠΟ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗ ΣΤΟ ΕΚΕΤΑ Χ. Ζιώγου1, Δ. Ιψάκης1, Φ.Στεργιόπουλος1,2, Σ. Μπεζεργιάννη1, Σ.Παπαδοπούλου1,2, Σ.Βουτετάκης1 1 Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης (Ε.Κ.Ε.Τ.Α.), Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών (Ι.Τ.ΧΗ.Δ.), Τ.Θ. 60361, 57001 Θέρμη, Θεσσαλονίκη 2 Τμήμα Αυτοματισμού, Αλεξάνδρειο Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Θεσσαλονίκης (Α.Τ.Ε.Ι.Θ.), Τ.Θ. 141, 57400, Θεσσαλονίκη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσης μελέτης αποτελεί η αξιολόγηση του σχεδιασμού λειτουργίας και ο καθορισμός των τεχνικών εκείνων προδιαγραφών που διέπουν την εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου συστήματος παραγωγής υδρογόνου, μέσω ηλιακής ενέργειας. Η επιλογή των απαιτούμενων μετρήσεων, οι αισθητήρες και τα τελικά στοιχεία ελέγχου αποτελούν την βασική προϋπόθεση της αυτοματοποίησης και δημιουργίας μίας ευέλικτης δομής ελέγχου που συμπληρώνει το διάγραμμα ροής της διεργασίας. Η επιτήρηση της λειτουργίας του ολοκληρωμένου συστήματος, υλοποιούνται με τη βοήθεια ενός βιομηχανικού συστήματος Εποπτικού Ελέγχου και Ανάκτησης Δεδομένων (Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA) το οποίο και αναλύεται στα βασικά του μέρη. Επιπρόσθετα, η στρατηγική ελέγχου που προτείνεται προς εφαρμογή, αναπτύσσεται με βάση το μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης του συστήματος και σύμφωνα με τις αρχές του Ιεραρχικού Ελέγχου. Η αξιολόγησή της προκύπτει μέσω σεναρίων προσομοίωσης για χρονική διάρκεια ενός έτους, όπου και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για τις κρισιμότερες μεταβλητές λειτουργίας που διέπουν το σύνολο της εφαρμογής. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ανεξέλεγκτη χρήση των συμβατικών καυσίμων, έχει αναπόφευκτα οδηγήσει στη μείωση των αποθεμάτων τους και στην έξαρση του φαινομένου του θερμοκηπίου, όπως παρατηρείται τις τελευταίες δεκαετίες. Μία από τις πλέον υποσχόμενες λύσεις που αναμένεται να συμβάλλει σημαντικά στη ελάττωση των παραπάνω αρνητικών συνεπειών, αποτελεί η αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) σε συνδυασμό με το υδρογόνο, ως ενδιάμεσο φορέα ενέργειας [1]. Η διασύνδεση σε ολοκληρωμένα συστήματα πολλαπλών ηλεκτρικών διατάξεων (π.χ. φωτοβολταϊκών (Φ/Β) πάνελ, αντιστροφέων (inverters) και συσσωρευτών) με ηλεκτροχημικές διατάξεις (π.χ. μονάδα ηλεκτρόλυσης) δεν εμφανίζεται σε αναλυτικές μελέτες τις βιβλιογραφίας. Οι περισσότερες , εστιάζουν στην περιγραφή των επιμέρους υποσυστημάτων μαζί με τα ηλεκτρονικά τους τμήματα, ενώ άλλες που θεωρούν το αυτόνομο σύστημα ενέργειας ως μία οντότητα, δεν περιγράφουν τις τεχνικές και σχεδιαστικές λεπτομέρειες της ολοκλήρωσης του συστήματος, της διασύνδεσης των τμημάτων του, καθώς και τη συνολική λειτουργική του συμπεριφορά [2, 3]. Δύο από τα πιο ζωτικής σημασίας τμήματα για που 1 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 προϋποθέτουν την αξιόπιστη λειτουργία του συστήματος, αποτελεί το σύστημα ανάκτησης δεδομένων, όπως περιγράφηκε μερικώς από τους R.Sanchez et al. [4] σε ένα σύστημα αξιοποίησης ΑΠΕ, και το σύστημα ελέγχου που μελετήθηκε από τον Ø. Ulleberg [5]. Στόχος της εργασίας αποτελεί η παρουσίαση μίας συνολικής μελέτης που εστιάζει στη σχεδίαση του συστήματος αυτοματισμού και λειτουργίας που εφαρμόζεται στο αυτόνομο σύστημα παραγωγής ενέργειας που βρίσκεται εγκατεστημένο στον περιβάλλοντα χώρο του Εργαστηρίου Ανάπτυξης Ολοκληρωμένων Συστημάτων Διεργασιών (ΑΝΟΣΥΣ) του ΙΤΧΗΔ/ΕΚΕΤΑ στη Θέρμη Θεσσαλονίκης (σχήμα 1). Σχήμα 1: Σύστημα παραγωγής υδρογόνου με αξιοποίηση ηλιακής ενέργειας στο Ε.ΑΝ.Ο.ΣΥΣ. Με βάση την εμπειρία που έχει αποκτηθεί από τη λειτουργία αντίστοιχων αυτόνομων συστημάτων στο παρελθόν [1], η παρούσα μελέτη αναλώνεται πρωτίστως στην ενίσχυση της τεχνογνωσίας που αφορά τη διασύνδεση και την ολοκλήρωση (ηλεκτρική και χημική) των κύριων διατάξεων που συνθέτουν συστήματα αξιοποίησης Α.Π.Ε.. Παράλληλα, μέσω της ανάλυσης της δομής του συστήματος αυτοματισμού, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος λειτουργίας με βάση τη θεωρία του Ιεραρχικού Ελέγχου και το μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης [6] και αξιολογείται στα πλαίσια μίας παραμετρικής ανάλυσης ευαισθησίας χρησιμοποιώντας μία κύρια μεταβλητή ελέγχου του συστήματος. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Η μέθοδος παραγωγής υδρογόνου περιλαμβάνει την χρήση ηλιακής ενέργειας σε μονάδα ηλεκτρόλυσης νερού και απαιτεί το συνδυασμό πολλών υποσυστημάτων ώστε να εξυπηρετείται ο σκοπός ενός αυτόνομου και οικολογικά φιλικού συστήματος. Με βάση την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, τα φωτοβολταϊκά (Φ/Β) πάνελ παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, λόγω της συνεχόμενης μεταβολής των καιρικών συνθηκών (στοχαστικές μεταβλητές), απαιτείται η χρήση ενός συστήματος προσωρινής αποθήκευσης, το οποίο να μπορεί να αντισταθμίζει τα υψηλά και χαμηλά επίπεδα παραγωγής ενέργειας. Ένα από τα πλέον αξιόπιστα συστήματα που μπορούν να ανταπεξέλθουν στο συγκεκριμένο ρόλο αποτελούν οι συσσωρευτές μολύβδου-οξέος. Η διάταξη ηλεκτρόλυσης προϋποθέτει τη χρήση νερού υψηλής καθαρότητας το οποίο και τροφοδοτείται μέσω μίας αντλίας και μίας διάταξης απιονισμού. Το παραγόμενο υδρογόνο λόγω της εγγενούς υγρασίας, απαιτεί την αφύγρανση του (στήλες με πληρωτικό υλικό) πριν την τελική αποθήκευση. Για την τελευταία, υλοποιείται συμπιεστής και μονάδα φιαλών. Το σχήμα 2 παρουσιάζει το υποσύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος και αντίστοιχα, το σχήμα 3 παρουσιάζει το υποσύστημα παραγωγής υδρογόνου που μόλις περιγράφηκε. 2 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 Σχήμα 2: Ολοκληρωμένο Σύστημα Αξιοποίησης Α.Π.Ε. Σχήμα 3: Σύστημα Παραγωγής Υδρογόνου ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΣΥΝΔΕΣΗ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Κύρια πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί ένας Φ/Β σταθμός ισχύος 10kWp που αποτελείται από πλαίσια πολυκρυσταλλικού πυριτίου τοποθετημένα σε σταθερές βάσεις (βλ. σχήμα1). Η αρχιτεκτονική του ηλεκτρικού υποσυστήματος που εφαρμόστηκε είναι αυτή ενός 3 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 AC ζυγού (AC bus) και η όλη μεταφορά της ενέργειας τελείται μέσω ενός τριφασικού μικροδικτύου. Αυτό απαιτεί τη δημιουργία μίας κατάλληλης αλληλουχίας φάσεων και λεπτομερούς σχεδιαστικής ανάλυσης, έτσι ώστε να αποφευχθούν τυχόν ασυμμετρίες. Η DC ισχύς που παράγεται τροφοδοτείται σε 3 μονοφασικούς αντιστροφείς τύπου SMA SB 3300TL που αποτελούν τον κύριο AC ζυγό του υποσυστήματος. Επιπλέον, συσσωρευτές συνολικής χωρητικότητας 1.000Ah στα 24V συνδέονται στο σύστημα μέσω 3 φορτιστών/αντιστροφέων τύπου SMA SI 3324. Κάθε φορτιστής/αντιστροφέας, συνδέεται στην έξοδο του σε μία φάση του AC μικροδικτύου. Οι συσσωρευτές μπορούν είτε να παρέχουν ενέργεια σε περίπτωση έλλειψης, λόγω χαμηλής παραγωγής από τα Φ/Β πάνελ, ή να απορροφούν τυχόν περίσσευμα ενέργειας. Η κύρια πρόκληση είναι να διασφαλιστεί ότι η ηλεκτρική ενέργεια θα είναι πάντα διαθέσιμη, σε ένα κατάλληλο επίπεδο ώστε να εξασφαλίζεται η λειτουργία της μονάδας ηλεκτρόλυσης, χωρίς να διακυβεύεται η αξιοπιστία του συστήματος. Η ανάγκη για ανάκτηση δεδομένων και η διαχείριση της πληροφορίας, σύμφωνα με τις προδιαγραφές των επιμέρους διατάξεων προϋποθέτει τη χρήση ενός συστήματος αυτόματου ελέγχου με διακριτή λειτουργία που θα παρέχει υψηλού επιπέδου λειτουργίες εποπτείας. Η στρατηγική ελέγχου και η εποπτεία του συστήματος στηρίζεται σε ένα σύστημα Εποπτικού Ελέγχου και Ανάκτησης Δεδομένων (SCADA) υποστηριζόμενο από υπολογιστή (PC based automation), το οποίο επικοινωνεί με όλες τις επιμέρους διατάξεις, τα αισθητήρια και τα στοιχεία ελέγχου, ώστε να συγκεντρώνει τις απαραίτητες μετρήσεις και να διαβιβάζει τις αντίστοιχες εντολές. Η αρχιτεκτονική αυτοματισμού διαιρείται σε τρία επίπεδα, τα οποία υποστηρίζουν τη μετατροπή των πρωτογενών δεδομένων των συσκευών σε ένα σύνολο από χρήσιμα για το σύστημα ελέγχου δεδομένα και τελικά σε πληροφορία. Τα επίπεδα αυτά περιλαμβάνουν: α) Πρωτόκολλα επικοινωνίας επιπέδου πεδίου και συσκευής, β) μετάφραση δεδομένων σε μορφή συμβατή με τον ηλεκτρονικό υπολογιστή πρωτόκολλο OPC (OLE for Process Control), γ) πρόσβαση της βάσης δεδομένων του SCADA στα προηγούμενα δεδομένα με βάση το πρωτόκολλο OPC. Υπάρχουν τρεις διακριτές διαδικασίες και αντίστοιχα βήματα για τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος: 1) Η ολοκλήρωση του υλικού (hardware) 2) Η ολοκλήρωση του λογισμικού (software) 3) Η συνολική ολοκλήρωση και η λειτουργική δοκιμή (testing) του συστήματος. Διατάξεις υλικού από διαφορετικούς προμηθευτές πρέπει να συνδυαστούν ώστε να δημιουργηθεί η πλατφόρμα του υλικού. Επίσης πρέπει να αναπτυχθεί το απαραίτητο λογισμικό και να παραμετροποιηθεί στο τελικό σύστημα. Τέλος, αφού έχει γίνει η ολοκλήρωση του συστήματος, αυτό πρέπει να ελεγχθεί ώστε να διαπιστωθεί ότι ικανοποιεί τις απαιτήσεις που έχουν αρχικά προδιαγραφεί, να διορθωθούν τυχόν δυσλειτουργίες που θα προκύψουν από τις αλληλεπιδράσεις υποσυστημάτων και να επιβεβαιωθεί ότι η συμπεριφορά του είναι ικανοποιητική. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Η θεωρία του Ιεραρχικού Ελέγχου εφαρμόζεται κυρίως σε ολοκληρωμένα συστήματα και επιτρέπει τη μελέτη της ομαλής λειτουργίας τους μέσω μαθηματικών αλγορίθμων. Οι συγκεκριμένοι αλγόριθμοι: α) αναπτύσσονται στη βάση μίας μεταβλητής ελέγχου, β) λαμβάνουν υπόψη το μαθηματικό μοντέλο προσομοίωσης, γ) αποτελούν ένα σύνολο διακριτών αποφάσεων και δ) σχετίζονται με την ενεργοποίηση των εμπλεκόμενων υποσυστημάτων που συγκροτούν το ολοκληρωμένο σύστημα. Ο σχεδιασμός της λειτουργίας του ολοκληρωμένου συστήματος βασίζεται στη ροή αποφάσεων μεταξύ τριών επιπέδων όπως φαίνεται και στο σχήμα 4. Το στρατηγικό επίπεδο βρίσκεται στην κορυφή του Ιεραρχικού Ελέγχου και ελέγχει τη ροή αποφάσεων που σχετίζονται με την έναρξη, λειτουργία και παύση της διεργασίας ως 4 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 σύνολο [7]. Οι χρονικές σταθερές των αποφάσεων είναι της τάξεως των ωρών ή και ημερών. Το επίπεδο τακτικής αποτελεί ουσιαστικά τον έλεγχο επίβλεψης (supervisor control) των επιμέρους υποσυστημάτων και λαμβάνει ως είσοδο τις προτεινόμενες πληροφορίες του στρατηγικού επιπέδου και αναλύοντας τες προκαλεί την έναρξη ή παύση των αντίστοιχων υποσυστημάτων [8]. Οι χρονικές σταθερές των συγκεκριμένων αποφάσεων είναι της τάξης των λεπτών ή δευτερολέπτων. Τέλος, το επίπεδο λειτουργίας σχετίζεται με την ενεργοποίηση των μικροηλεκτρονικών μερών που υλοποιούν τις τελικές αποφάσεις των προηγούμενων επιπέδων. Μεταξύ άλλων περιλαμβάνει την εφαρμογή γνωστών συστημάτων ελέγχου όπως της συμβατικής PID ρύθμισης, της ρύθμισης προβλεπτικού ελέγχου και της ρύθμισης προσαρμοστικού ελέγχου [7]. Οι χρονικές σταθερές των συγκεκριμένων αποφάσεων είναι της τάξης των μικροδευτερολέπτων. Σχήμα 4: Σχήμα Λειτουργίας Ιεραρχικού Ελέγχου ενός ολοκληρωμένου συστήματος Οι αποφάσεις μεταξύ των επιπέδων έχουν ροή από το υψηλότερο προς το χαμηλότερο, ενώ επιτρέπεται η ροή πληροφοριών μεταξύ βαθμίδων του ίδιου επιπέδου (π.χ. επίπεδο τακτικής 1Æεπίπεδο τακτικής 2. Αντίστοιχα, τα αποτελέσματα λειτουργίας έχουν ροή από το χαμηλότερο προς το υψηλότερο επίπεδο [7]. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ο σχεδιασμός του ελέγχου λειτουργίας της ολοκληρωμένης μονάδας αξιοποίησης ηλιακής ενέργειας που περιλαμβάνει το σύνολο των αποφάσεων των δύο πρώτων επιπέδων. Το μαθηματικό μοντέλο των υποσυστημάτων παρουσιάζεται αναλυτικά στις αναφορές [1,6]. Διακρίνονται δύο βασικές λειτουργικές αρχές που καθορίζουν τον τρόπο λειτουργίας σύμφωνα πάντα με την παραγόμενη ισχύ από τα φωτοβολταϊκά συστήματα Ppv Ppv> μέγιστης ισχύος λειτουργίας της ηλεκτρόλυσης, Pmax,elec Ppv< ελάχιστης ισχύος λειτουργίας της ηλεκτρόλυσης, Pmin,elec. Η μεταβλητή ελέγχου σύμφωνα με την οποία λαμβάνονται οι λειτουργικές αποφάσεις του συστήματος, ονομάζεται Επίπεδο Φόρτισης του συσσωρευτή (State-Of-Charge, SOC). Η μεταβλητή αυτή είναι έμμεσα παρατηρήσιμη μέσω της τάσης, σε συνδυασμό με την χωρητικότητα, την φυσική κατάσταση και το ρεύμα που διαρρέει τον συσσωρευτή. Όπως, παρατηρείται και στο σχήμα 5, ορίζονται συγκεκριμένες τιμές (όρια) της μεταβλητής SOC (SOCelec , SOCmax , SOCmax_charge ) βάση των οποίων λαμβάνονται όλες οι λειτουργικές αποφάσεις του συστήματος παραγωγής υδρογόνου. 5 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 Το σχήμα 5 παρουσιάζει το σύνολο των αποφάσεων που εφαρμόζονται στο υπό μελέτη σύστημα και ακολουθούν οι διακριτές αποφάσεις λειτουργίας. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ SOCelec ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ SOCmax ΖΩΝΗ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΣΗΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΑΠΑΓΟΡΕΥΣΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ SOCmax_charge ΖΩΝΗ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΦΟΡΤΙΣΗ ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΗ Σχήμα 5: Αλγόριθμος λειτουργίας ηλιακής μονάδας παραγωγή υδρογόνου (- - - : λειτουργία βάσει αλγορίθμου ──: συνεχής λειτουργία). i) SOC < SOCelec: Tα ΦΒ καλύπτουν πλήρως τη φόρτιση του συσσωρευτή και δεν επιτρέπεται η λειτουργία της ηλεκτρόλυσης ii) SOCelec ≤ SOC ≤ SOCmax: Εάν στο προηγούμενο χρονικό βήμα λειτουργούσε η μονάδα ηλεκτρόλυσης, τότε συνεχίζει να λειτουργεί έως η κατάσταση φόρτισης του συσσωρευτή φτάσει στο σημείο SOCelec. Εάν η ηλεκτρόλυση δεν λάμβανε χώρα, τότε ο συσσωρευτής αξιοποιεί τη διαθέσιμη ισχύ. iii) SOCmax < SOC < SOCmax_charge α) Ppv < Pmin,elec: η διαφορά ισχύος Ppv - Pmin,elec παρέχεται από το συσσωρευτή στη μονάδα ηλεκτρόλυσης για λειτουργία στο ελάχιστο της όριο. β) Ppv >Pmax,ele.c Η μονάδα ηλεκτρόλυσης αξιοποιεί τη μέγιστη διαθέσιμη ισχύ που είναι ίση με Pmax,elec και η επιπλέον ισχύς Ppv -Pmax,elec χρησιμοποιείται για τη φόρτιση του συσσωρευτή έως το ανώτατο όριο SOCmax_charge. γ) Pmin,elec ≤ Ppv ≤ Pmax,elec: Τα ΦΒ καλύπτουν πλήρως τη λειτουργία της μονάδας ηλεκτρόλυσης iv) SOC ≥ SOCmax_charge: Η διαθέσιμη ισχύς παρέχεται προς τη μονάδα ηλεκτρόλυσης εφόσον βρίσκεται εντός των ορίων λειτουργίας της. Εάν καταγράφεται ισχύς υψηλότερη από Pmax,elec τότε η μονάδα ηλεκτρόλυσης αξιοποιεί τη μέγιστη δυνατή ισχύ της και η περίσσεια απορρίπτεται. Εάν η διαθέσιμη ισχύς είναι χαμηλότερη από Pmin,elec, τότε ο συσσωρευτής εκφορτίζει παρέχοντας την απαραίτητη ισχύ για την λειτουργία στο ελάχιστο της όριο. ΠΑΡΑΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΥΑΙΣΘΗΣΙΑΣ Το σενάριο προσομοιωμένης λειτουργίας περιλαμβάνει τη μελέτη της επίδρασης του επιπέδου SOCelec . Η βασική παράμετρος που αξιολογεί τη λειτουργία του συσσωρευτή και κυρίως το χρόνο ζωής του είναι ο αριθμός των επιτρεπτών κύκλων λειτουργίας του. Χαμηλές 6 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 τιμές του ποσοστού των κύκλων λειτουργίας υποδηλώνουν αντίστοιχα και υψηλότερο προσδοκώμενο χρόνο ζωής[1, 6]. Ο πίνακας 1 παρουσιάζει το ποσοστό των κύκλων λειτουργίας, την ενέργεια που απορρίπτεται, καθώς και το συνολικά αποθηκευμένο υδρογόνο στο τέλος μίας προσομοιωμένης λειτουργίας ενός έτους. Όπως παρατηρείται, καθώς το όριο SOCelec ελαττώνεται, ο συσσωρευτής αναγκάζεται να λειτουργήσει με έντονο τρόπο με αποτέλεσμα να αυξάνονται οι κύκλοι λειτουργίας του και να μικραίνει ο προσδοκώμενος χρόνος ζωής. Παράλληλα, το αποθηκευμένο υδρογόνο διατηρεί μία σχεδόν σταθερή τιμή που αντιστοιχεί κοντά σε 305-310 φιάλες των 50lt/150bar, ενώ η ενέργεια προς απόρριψη μειώνεται. Επομένως, η επιθυμητή τιμή για το όριο SOCelec μπορεί να βρίσκεται πάνω από το 84% καθώς οι χαμηλότερες τιμές θέτουν σε κίνδυνο τη λειτουργία του συσσωρευτή με συνέπεια αυξημένα κόστη συντήρησης και αντικατάστασης. Επιπρόσθετα, η παραγωγή υδρογόνου δεν φαίνεται να επηρεάζεται από την αλλαγή του ορίου SOCelec και επομένως δεν απαιτείται να λειτουργεί το σύστημα σε χαμηλότερες τιμές εκφόρτισης. Πίνακας 1: Κύκλοι λειτουργίας συσσωρευτή, ενέργεια προς απόρριψη και παραγωγή υδρογόνου SOCelec =87% SOCelec =84% SOCelec =80% Κύκλοι Λειτουργίας, % 6.24 6.74 11.88 Eloss, kWh H2, produced, Nm3 1323.1 1275.5 1140.3 1887.00 1877.20 1877.50 Ο σχεδιασμός της βέλτιστης λειτουργίας του αυτόνομου συστήματος αξιοποίησης ΑΠΕ, προκύπτει μέσω παραμετρικής ανάλυσης όλων των εμπλεκόμενων μεταβλητών κατάστασης (βαθμοί ελευθερίας), βελτιστοποίηση για την εύρεση των πλέον κατάλληλων τιμών τους και εν τέλει εφαρμογή τους στον αλγόριθμο λειτουργίας του σχήματος 5 [8]. ΕΠΙΛΟΓΟΣ Η παρούσα μελέτη ασχολήθηκε με την θεωρητική ανάπτυξη μίας συστηματικής μεθοδολογίας σχεδιασμού και ολοκλήρωσης του συστήματος αυτόματου ελέγχου που πρόκειται να υλοποιηθεί στην εγκατεστημένη μονάδα παραγωγής υδρογόνου στο εργαστήριο Ε.ΑΝ.Ο.ΣΥΣ. του Ε.Κ.Ε.Τ.Α.. Η παρακολούθηση του ολοκληρωμένου συστήματος βασίζεται στο βιομηχανικό εργαλείο SCADA, ενώ οι ηλεκτρικές συνδέσεις αποφασίσθηκαν μέσω της λεπτομερούς ανάλυσης των επιμέρους υποσυστημάτων και των κυριότερων χαρακτηριστικών τους. Ο αλγόριθμος βέλτιστης λειτουργίας που πρόκειται να ενσωματωθεί στο ολοκληρωμένο σύστημα αναπτύχθηκε σύμφωνα με την θεωρία του Ιεραρχικού Ελέγχου υπό μορφή διακριτών αποφάσεων και εφαρμόσθηκε στα πλαίσια μίας προσομοιωμένης λειτουργίας ενός έτους. Επόμενα βήματα της εφαρμογής θα αποτελέσουν η συλλογή των πειραματικών δεδομένων από την εν γένει λειτουργία του συστήματος και η σύγκριση τους με τα μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα μελέτη συγχρηματοδοτείται από το Ευρωπαϊκό Πρόγραμμα LIFE+ (LIFE08 ENV/GR/000569). Περισσότερες πληροφορίες μπορούν να αναζητηθούν από την ιστοσελίδα www.biofuels2g.gr. 7 of 8 8ο Πανελλήνιο Επιστημονικό Συνέδριο Χημικής Μηχανικής Θεσσαλονίκη, 26-28 Μαΐου 2011 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Voutetakis, S., Stergiopoulos, F., Seferlis, P., Papadopoulou, S., Ipsakis, D., Ziogou, C., Papadopoulos, A.I., Elmasides, C., Design of a Stand-Alone Power System using Renewable Energy Sources and Long-Term Hydrogen Storage, (2010), in Handbook of Sustainable Energy, W. H. Lee and V. G. Cho Eds, Nova Publishers, 1-88, Bergen, L. Pitt, A. Rowe., P. Wild, N. Djilali, , Experimental assessment of a residential scale renewable–regenerative energy system, Journal of Power Sources, Vol 186 (1), 2008, 158-166 Stefanopoulou, A., Suh, K.W. , Mechatronics in fuel cell systems, Control Engineering Practice, Volume 15 (3), 2007, 277-289 Roncero-Sánchez, P., Feliu-Batlle, V., García-Cerrada A., Design and comparison of statefeedback and predictive-integral current controllers for active- and reactive-power control in renewable energy systems, Control Engineering Practice, Volume 17 (2), 2009, 255-266 Ulleberg, Ø. ,The importance of control strategies in PV-hydrogen systems, Solar Energy, Volume 76 (1-3), 2004, 323–329 Ipsakis, D., Voutetakis, S., Seferlis, P., Stergiopoulos, F., Elmasides, C., Power management strategies for a stand-alone power system using renewable energy sources and hydrogen storage, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 34 (16), 2009, pp. 7081-7095 Moor, T., Raisch, J., Davoren, J.M., Admissibility Criteria for a Hierarchical Design of Hybrid Control Systems, Proceedings of IFAC Conference on Analysis and Design of Hybrid Systems, St. Malo, France 2003 pp. 389–394 Ιψάκης, Δ., Σχεδιασμός Βέλτιστης Λειτουργίας Ενεργειακών Συστημάτων με Αξιοποίηση Ανανεώσιμων και Εναλλακτικών Πηγών, Διδακτορική Διατριβή υποβληθείς στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Α.Π.Θ, 2011. 8 of 8