Modeliranje hibridnih autonomnih sustava napajanja

Zvonimir Meštrović, mag.ing.el.techn.inf

Program stručnog usavršavanja ovlaštenih inţenjera elektrotehnike u graditeljstvu

XVI. Tečaj

TVZ 15.veljače 2014.

Sadrţaj

• Uvod – Obnovljivi izvori energije

• Pregled tehnologija sustava napajanja

• Hibridni autonomni sustavi napajanja

• Modeliranje u programskom alatu Homer Energy

• Primjena Homera kod razvoja Končar Hybrid Box-a

Edison o energiji…

„Treba znati iskoristiti prirodne sile i na taj način dobiti svu potrebnu energiju. Sunčeve zrake su oblik energije, vjetar i morske struje su takoĎer energija. Koristimo li ih? O, ne! Palimo šume i ugljen, kao da podstanari pale ulazna vrata naše kuće za grijanje. Ţivimo kao divlji doseljenici koji ne shvaćaju da ova bogatstva pripadaju svima nama.” Thomas A. Edison, 1916.

Porast svjetske populacije

Ukupna potrošnja: 5x1020 J/god U snazi: 1.58x1013 W Svijet: ~2.2 kW/stan SAD: ~10 kW/stan EU: ~5 kW/stan

Projekcije proizvodnje energije

* Mtoe – milijun tona naftnog ekvivalenta

* 1 toe = 42 GJ

Izvor: Renewable Energy Scenario to 2040 AIP, EREC, 2005

Projekcije proizvodnje električne energije

Izvor: Renewable Energy Scenario to 2040 AIP, EREC, 2005

1.3 milijardi ljudi bez stalne opskrbe

električnom energijom!

Ulaganja u obnovljive izvore

Izvor:

REN

21 –

Glo

bal Sta

tus

report

2013

SAD EU KINA

mili

jard

e $

OIE- zapošljavanje

Zapošljavanje u EU OIE industriji – 2012

Industrija: Zaposlenih:

Biomasa 274,000

Biogoriva 109,000

Bioplin 71,000

Geotermalna energija 51,000

Male HE 24,000

Fotonapon 312,000

CSP 36,000

Sunčeva toplinska energija 32,000

Vjetar 270,000

Ukupno EU: 1,179,000

Izvor:

REN

21 –

Glo

bal Sta

tus

report

2013

* Svijet: 5.7 milijuna

Napajanje udaljenih objekata

Nepristupačni objekti Napajanje?!

Hibridni autonomni sustavi napajanja

Prednost korištenja OIE u autonomnim sustavima napajanja

• Ekološka prihvatljivost:

– smanjena emisija stakleničkih plinova

– pozitivan imidţ

• Ušteda na energentima

• Smanjeni troškovi odrţavanja

• Smanjena emisija buke

• Mogućnost instalacije opreme na osjetljivim lokacijama (turistička središta, nacionalni parkovi…)

Sustavi napajanja – tehnologije i rješenja

Izvor:

GSM

A, 2012.

Pregled raznih konfiguracija

Prednosti Nedostaci

DIESEL • Poznata tehnologija

• Minimalno zauzeće prostora

• Visoki OPEX

• CO2 emisije

• Buka

FOTONAPON • Jednostavno rješenje

• 100% čista energija

• Teško postizanje visoke pokrivenosti potrošnje (>95%)

FN + VJETAR • Veća dostupnost energije

• 100% čista energija

• Ovisnost o lokaciji

• Teško postizanje visoke pokrivenosti potrošnje (>95%)

DIESEL + BATERIJE

• Ušteda goriva

• Redukcija OPEX-a

• Mali prostorni zahtjevi

• I dalje potrošnja goriva (smanjena)

• Neadekvatno upravljanje rezultira učestalom zamjenom baterija

Pregled raznih konfiguracija (2)

Prednosti Nedostaci

FN + DIESEL

• 100% pokrivenost

• Mala potrošnja goriva

• Reducirani OPEX

• Veći tereti

• Nije 100% čista energija

• Rizik krađe goriva

FN + VJETAR

+ DIESEL

• 100% pokrivenost

• Mala potrošnja goriva

• Reducirani OPEX

• Veći tereti

• Nije 100% čista energija

• Rizik krađe goriva

• Potpuno održivo samo za

određene lokacije s dobrim

potencijalom vjetra

FN + VJETAR +

GORIVNI SVEŽANJ

• 100% pokrivenost

• 100% čista energija

• Tihi rad

• Praktički bez održavanja

• Viši CAPEX

Ocjene...

Fotonaponski pretvarači

Vjetroagregati Gorivni članci

Diesel agregat

Cijena 2 3 2 5

Troškovi odrţavanja 5 5 2 2

Pouzdanost 5 4 3 2

Dostupnost resursa 4 3 5 5

Predvidivost resursa 3 2 5 5

Otpornost na kraĎu/vandalizam

2 4 4 2

Standardna pitanja pri projektiranju sustava

• Koja kombinacija tehnologija je najisplativija?

• Kako dimenzionirati odreĎenu komponentu sustava?

• Da li je korištenje obnovljivih izvora opravdano?

• Kolika je isplativost projekta?

• Kako se mijenja isplativost projekta promjenom odreĎenih ulaznih parametara?

• ...

Homer Energy

• HOMER – Hybrid Optimization Model for Electric Renewables

• Razvijen u NREL (National Renewable Energy Laboratory)

– 1993. NREL Village – za osobne potrebe

– 2009. komercijalno dostupan

• Snaţan programski alat za dizajniranje, optimiranje i ekonomsku analizu energetskih sustava

– Off-grid

– On-grid

• HOMER modelira konvencionalne i obnovljive energetske sustave

– Naglasak na hibridnim sustavima

Homer Energy (2)

• HOMER simulira tisuće različitih korisnički definiranih konfiguracija za svaki sat u godini. Zatim tehnološki izvediva rješenja rangira prema troškovima!

• Vojska • Telekom • Bolnice • Sveučilišta • Otoci • Naftne kompanije • Plinske kompanije • Ekoturizam • Osobne potrebe • ...

• Fotonapon • Vjetroturbine • Biomasa • Diesel agregati • Gorivni sveţanj • Elektroliza • Baterije • Kogeneracija • Mreţa • Potrošnja/teret

Primjena HOMERA? Što se moţe modelirati?

HOMER - Osnovni koraci

• Simulacija

– Odabir načina korištenja izvora (generatora, baterija, mreţe...)

– Usporedba proizvodnje i potrošnje svaki sat kroz čitavu godinu

– Procjena cijene i opravdanosti sustava

• Optimizacija

– Simulacija svake odabrane konfiguracije

– OdreĎivanje najjeftinijeg rješenja

– Sortiranje po NPC (Neto sadašnji trošak)

• Analiza osjetljivosti

– Analiza ponašanja sustava mijenjanjem senzitivnih varijabli

– Što ako...

diesel gorivo poskupi za 10%

se brzina vjetra na lokaciji smanji za 5%

Projektiranje sustava

Primjer: Statički pristup dimenzioniranju postrojenja

• Telekomunikacijska bazna stanica

– 1 kW potrošnja

• Konfiguracija:

– Fotonaponski pretvarači

– Baterije za pohranu

• Dinamička simulacija (Homer) pokazuje da odabrano rješenje rezultira gubitkom napajanja tijekom 8.8 % vremena!

• Statički proračun ne uzima u obzir profil potrošnje i dostupnost resursa!!

Ulazni parametri: Godišnja potrošnja = 1kW * 365 * 24 = 8760 kWh Sunčevo zračenje (Zg) = 1000 kWh/kW Dimenzioniranje: Fotonapon: Baterije: 48 kWh

(2 dana autonomije)

kWP

kWP

FN

FN

76.8

/aproizvodnjGodišnja

potrošnjaGodišnja

Dinamički pristup dimenzioniranju sustava

Primjer modeliranja u HOMERU

Rezultati proračuna

• Homer prikazuje optimalna rješenja svake konfiguracije

– Rangira ih padajući po ukupnom NPC-u

Pronalaţenje optimalne konfiguracije

Pronalaţenje optimalne konfiguracije (2)

Konačno rješenje

• Konačno rješenje rezultat je optimiranja na višoj razini uzimajući u obzir i mnoge druge parametre koje Homer Energy ne moţe modelirati

– Polazišna točka su rezultati koje izbacuje Homer Energy

• Rezultat modeliranja u Homeru stvarni je sustav koji je razvijen u Končar - Institutu za elektrotehniku

– KONČAR – Hybrid Box®

• Navedeni sustav detaljno je opisan na sljedećim slajdovima ...

KONČAR – Hybrid Box®

• Proizvod razvijen u KONČAR Institutu za elektrotehniku u suradnji sa VIPnet d.o.o.

• Hibridni sustav koji objedinjuje:

– Energiju Sunca

– Energiju vjetra

– Gorivni sveţanj

– Baterijsku banku

Demo postrojenje u KONČAR Institutu d.d.

• Raspoloţivost >99% • Zelena energija • Tihi rad • Kompaktni dizajn • Modularna izvedba

Modularni dizajn

Končar Hybrid Box®

Končar FN 1.7

Končar VA 1

Modularni dizajn

Optimiranje za specifičnu lokaciju HOMER Energy

Bazna stanica Ladimirevci

Konfiguracija FN polje: 12.04 kWp

Vjetroagregati: 2 x 1 kW Gorivni sveţanj: 1.2 kW Baterijska banka: 2400 Ah, -48V

Zašto vodik?

Sustav upravljanja

Sustav upravljanja (2)

Maglovito razdoblje u baznoj stanici Ladimirevci tijekom

siječnja 2013.

Sustav monitoringa

Daljinski nadzor lokacije

Ostale reference – BS Novaki

Ostale reference – BS Ţupanja

Ostale reference – BS Vidulini

Ostale reference – BS Ţut

Hvala na paţnji!