Μεγάλη διείσδυση ΑΠΕ, εξηλεκτρισμός κλιματισμού και μετακινήσεων στα δίκτυα διανομής - Μικροδίκτυα

Με αφορμή την ανακοίνωση και ένταξη στο νόμο 4986/2022 του επιδοτούμενου προγράμματος εγκατάστασης 250.000 φωτοβολταϊκών στέγης σε νοικοκυριά, επιχειρήσεις και αγροτικές εκμεταλλεύσεις θα ήθελα να παρουσιάσω προτάσεις για τα μικροδίκτυα καθώς οι τοπικές μονάδες παραγωγής ΑΠΕ, η αποθήκευση και η ενσωμάτωση ευφυίας στα δίκτυα διανομής μαζί με τους έξυπνους μετρητές και η διαχείρισή τους συνθέτουν τα βασικά στοιχεία για την έναρξη δημιουργίας μικροδικτύων που θα πρέπει να οργανωθούν κατάλληλα προς όφελος όλων.  

Τί είναι τα μικροδίκτυα: 

Σύμφωνα με την ομάδα εργασίας CIGRE WG C6.22, τα μικροδίκτυα είναι συστήματα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας που περιέχουν φορτία και διεσπαρμένους ενεργειακούς πόρους, όπως μονάδες παραγωγής ΑΠΕ και συμβατικές, συσκευές αποθήκευσης και ελεγχόμενα φορτία που μπορούν να λειτουργήσουν με ελεγχόμενο, συντονισμένο τρόπο είτε ενώ είναι συνδεδεμένα στο κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο ή όταν είναι ηλεκτρικά απομονωμένα (νησιδοποίηση).

Το πρόγραμμα αφορά την προοδευτική εγκατάσταση 250.000 φωτοβολταϊκών συστημάτων στο δίκτυο διανομής. Ο σχεδιασμός του ΥΠΕΝ εξειδικεύεται και αφορά σε 100.000 φωτοβολταϊκά σε στέγες ιδιωτικών κατοικιών, 75.000 Φ/Β σε στέγες επιχειρήσεων και 75.000 σε στέγες αγροτικών εκμεταλλεύσεων. Το όριο μέγιστης ισχύος ανά Φ/Β σύστημα και κατηγορία έχει αναφερθεί ότι θε είναι τα 10 kWp. Aς υποθέσουμε, ότι ο μέσος όρος εγκατεστημένης ισχύος λόγω περιορισμένων ενεργειακών αναγκών και διαθέσιμων επιφανειών στις κατοικίες τελικά θα είναι 6 kWp, ενώ στις στέγες επιχειρήσεων και αγροτικών εκμεταλλεύσεων θα είναι 10 kWp, τότε η συνολική εγκατεστημένη ισχύς εκτιμάται σε 2100 MWp. Όπως έχει αναφερθεί, οι συνδέσεις για επιχειρήσεις και αγρότες τουλάχιστον θα φορούν συμβάσεις αυτοπαραγωγής. Ακόμη και αν οι εγκαταστάσεις για επιχειρήσεις και αγρότες θα αφορούν συμβάσεις αυτοπαραγωγής θα υπάρχουν ημέρες, όπως σαββατοκύριακα και αργίες, που το μεγαλύτερο μέρος της εγκατεστημένης ισχύος θα εγχέεται στο δίκτυο, αν δεν υπάρξουν μέτρα. Συνεπώς, δεδομένου του περιορισμένου ηλεκτρικού χώρου, για την συμμετοχή και επιδότηση από το πρόγραμμα θα πρέπει να τεθούν περιορισμοί στην εγκατεστημένη ισχύ ή και περιορισμοί στην ισχύ έγχυσης στο δίκτυο. Ο περιορισμός ισχύος έγχυσης θα μπορούσε να συνδυαστεί με μπαταρίες που θα απορροφούν την άλλως απορριφθείσα ενέργεια για χρήση ή/και έγχυση στο δίκτυο αργότερα. Άλλο ενδεχόμενο για την μείωση της ισχύος ανά Φ/Β σύστημα, χωρίς την υποχρέωση ταυτοχρονισμού παραγωγής και κατανάλωσης, ιδίως για τις κατοικίες, είναι η σύνδεση της επιτρεπόμενης εγκατεστημένης ισχύος με την κατανάλωση τα προηγούμενα χρόνια με αύξηση μέχρι 20% της ισχύος  με εκτιμώμενη ετήσια παραγωγή 1350 kWh/kWp και με ελάχιστη ισχύ του Φ/Β συστήματος τα 2-2.5 kWp. Μια τέτοια δυνατότητα θα βοηθούσε και τις ασθενέστερες οικονομικά ομάδες να συμμετέχουν στο πρόγραμμα χωρίς να απαιτείται ταυτοχρονισμός και σύστημα αποθήκευσης.

‘Έχει ανακοινωθεί ότι για τη σύνδεση των συστημάτων, υπάρχει διαθέσιμος ηλεκτρικός «χώρος», από την ισχύ 10 Μεγαβάτ που «απελευθερώθηκε» σε κάθε υποσταθμό του ΔΕΔΔΗΕ για εφαρμογές αυτοπαραγωγής και το πρόγραμμα «φωτοβολταϊκά στη στέγη». Ενώ πρόσφατα ανακοινώθηκε από τον ΔΕΔΔΗΕ πρόγραμμα αύξησης της εγκατεστημένης ισχύος σε υποσταθμούς ΥΤ/ΜΤ για σύνδεση νέων ΑΠΕ. Το έργο αφορά στην αύξηση της δυναμικότητας των υφιστάμενων υποσταθμών του δικτύου κατά 725 MVA και η διάρκεια υλοποίησης του έργου εκτιμάται σε 5 έτη. Συνεπώς, τα επόμενα 5 χρόνια θα δημιουργηθεί νέος ηλεκτρικός χώρος για ΑΠΕ που θα συνδεθούν στην Μέση Τάση και σε υποσταθμούς ΜΤ/ΧΤ που είναι συνδεδεμένοι σε αυτούς. Από τα προηγούμενα είναι κατανοητό ότι υπάρχει πρόνοια για επαύξηση της δυνατότητα απορρόφησης χωρίς βέβαια να αποκλείεται να υπάρχουν υποσταθμοί που να μην μπορέσουν να ανταποκριθούν στην ζήτηση σύνδεσης του νέου προγράμματος (συνολικά περί τα 2100 MWp) και όλων των έργων που έχουν ήδη προτεραιότητα. 

Συνεπώς, για να υπάρχει διαθέσιμος ηλεκτρικός χώρος στο δίκτυο διανομής, είναι ανάγκη και ευκαιρία να εξετασθούν από τον ΔΕΔΔΗΕ επιπλέον μέτρα και ρυθμίσεις των συστημάτων παραγωγής και αποθήκευσης, στην λειτουργία των μετασχηματιστών (μεταβολή τάσης) αλλά και την εγκατάσταση συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου στα κομβικά σημεία του δικτύου που θα επικοινωνούν με τα ενεργειακά κέντρα ελέγχου και θα ρυθμίζουν την λειτουργία τους, ώστε ανάλογα με την παραγωγή και την κατανάλωση το ηλεκτρικό δίκτυο να λειτουργεί εντός των προβλεπόμενων ορίων τάσης αλλά και να αποφεύγεται η συμφόρηση ισχύος στους κόμβους του δικτύου.  

Σημαντική παράμετρος στην ευέλικτη και αποδοτική λειτουργία του δικτύου θα παίξουν και οι έξυπνοι μετρητές οι οποίοι, όταν υπάρχει παραγωγή ΑΠΕ, έχουν την δυνατότητα να «ενθαρρύνουν» την κατανάλωση με κίνητρο την τιμή αγοράς, κυρίως συσκευών που θα έχουν την δυνατότητα να ανιχνεύουν μέσω σήματος αλλά και χειροκίνητα και να την αποθαρρύνουν σε αντίθετη περίπτωση (demand response - διαχείριση φορτίου). Όπως είναι γνωστό, βρίσκεται σε διαδικασία ο διαγωνισμός του ΔΕΔΔΗΕ για 7.7 εκατομμύρια έξυπνους μετρητές οι οποίοι αναμένεται να εγκατασταθούν σταδιακά από το 2023 μέχρι το 2030.

Αν ξαναδιαβάσουμε τώρα τον παραπάνω ορισμό του μικροδικτύου θα αντιληφθούμε ότι υλοποιούμε το μικροδίκτυο. Συνεπώς, υπάρχει η δυνατότητα για την «συμβατική» διαμόρφωση της λειτουργίας του δικτύου διανομής με νέες ρυθμίσεις και εξοπλισμό που περιγράφεται παραπάνω που αν υλοποιηθούν θα επιστρέψουν ίσως μια διείσδυση των ΑΠΕ της τάξης  του 50 με 60% της καταναλισκόμενης ενέργειας από την τρέχουσα που είναι κάτω από το 20%. Για την διείσδυση πάνω από 60% της καταναλισκόμενης ενέργειας θα χρειαστεί περισσότερη ευελιξία, ευφυία και αποθήκευση.

Πλεονεκτήματα Μικροδικτύων

• Τοπική παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές και αποδοτικότερη κατανάλωση της ενέργειας μειώνοντας τις απώλειες μεταφοράς,
• Αύξηση των τοπικών θέσεων εργασίας και ευημερίας, 
• Συμμετοχή των παραγωγών και καταναλωτών στην λειτουργία και αγορές ενέργειας 
• Ματαίωση επενδύσεων για την μεταφορά ενέργειας,
• Αύξηση της αξιοπιστίας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και ποιότητας ισχύος καθώς κακοκαιρίες και φυσικές καταστροφές σε άλλη περιφέρεια δεν θα επηρεάσουν την λειτουργία των,
• Παροχή ηλεκτρισμού με δυνατότητα προτεραιότητας σε κρίσιμες δημόσιες υπηρεσίες, επικοινωνίες, μονάδες υγείας και δημόσιο φωτισμό.

Η μεγάλη διείσδυση των οικονομικά βιώσιμων, μεταβλητής παραγωγής ΑΠΕ (ηλιακή και αιολική ενέργεια), που είναι διαθέσιμες παντού, στο μίγμα παραγωγής προϋποθέτει την αύξηση της ευελιξίας στην παραγωγή και την κατανάλωση, ώστε να είναι δυνατόν να εξισορροπούνται χωρίς να έχουμε αρνητική επίπτωση στις προσφερόμενες υπηρεσίες και την ποιότητα του ηλεκτρισμού. Και όλα αυτά ενώ προωθείται ο εξηλεκτρισμός των μεταφορών (ηλεκτροκίνηση- EV) και της ψύξης/θέρμανσης των χώρων, κλπ. 

Λειτουργία και διαχείριση δικτύων από κάτω (χαμηλή τάση) προς τα πάνω (μέση και υψηλή τάση)

Για να επιτευχθεί η μεγάλη διείσδυση ΑΠΕ και ο εξηλεκτρισμός υπηρεσιών, οι διαχειριστές των ηλεκτρικών συστημάτων και δικτύων, οι παραγωγοί και οι καταναλωτές πρέπει να μετασχηματιστούν τεχνικά και λειτουργικά με αυτοματοποιημένες διαδικασίες, ώστε να υπάρχει τοπικά και περιφερειακά ισορροπία μεταξύ παραγωγής, κατανάλωσης μέσω και των υπηρεσιών ευελιξίας που θα αναπτυχθούν περαιτέρω. 

Τα μέσα ευελιξίας και αποσυμφόρησης αφορούν τις νέες ή επαυξήσεις διασυνδέσεων των ηλεκτρικών συστημάτων, η ενίσχυση των ηλεκτρικών δικτύων, η εισαγωγή σε διάφορα επίπεδα του δικτύου μονάδων αποθήκευσης και έγχυσης/απορρόφησης της ενέργειας στα δίκτυα ανάλογα με τις ανάγκες. Οι υπηρεσίες αυτές θα πρέπει να ανταποκρίνονται σε όλες τις κλίμακες χρόνου (δευτερόλεπτο, ώρα, μέρα, μήνα, εποχή). Επιπλέον, σημαντική είναι η εισαγωγή αυτόματα ελεγχόμενων ηλεκτρικών συσκευών που προσθέτουν ευελιξία στην χρήση ενέργειας καθώς και η χρήση ηλεκτρικών συσκευών υψηλής απόδοσης. 

Για να λειτουργήσουν όλα τα παραπάνω χρειάζονται μετρήσεις για όλες τις μεταβλητές: παραγωγή, κατανάλωση, αποθήκευση, εισροή/εκροή από διασύνδεση και κόμβους του δικτύου, εκτίμηση της κατάστασης του δικτύου και των δυνατοτήτων ευελιξίας στην κατανάλωση, σε διάφορα επίπεδα του δικτύου, κατόπιν η επεξεργασία και λύση της δυνατότητας δυναμικής και στατικής ισορροπίας σε όλες τις κλίμακες χρόνου, σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο αμφίδρομα, από κάτω (χαμηλή τάση) προς τα πάνω (μέση και υψηλή τάση) και αντιστρόφως. 

Σημαντική παράμετρος είναι η επικοινωνία και συντονισμός ρυθμίσεων, σε διάφορα επίπεδα τάσης και ανάμεσα στους συμμετέχοντες στην αγορά ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να υπάρχει στιγμιαία ισορροπία αλλά και μέριμνα, μέσω πρόβλεψης των μεταβαλλόμενων μεγεθών, ώστε και τα επόμενα  λεπτά και ώρες  να ικανοποιείται η ισορροπία παραγωγής και κατανάλωσης. Το παραπάνω μοντέλο λειτουργίας της ηλεκτρικής αγοράς αποτελεί μια εκδοχή έξυπνου δικτύου που είναι απαραίτητο για την ενεργειακή μετάβαση σε μια κοινωνία έως μηδενικών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου με την μεγάλη ενσωμάτωση ΑΠΕ και εξηλεκτρισμό των δραστηριοτήτων μας.

«Έξυπνη» οργάνωση του δικτύου διανομής  – Το Μικροδίκτυο

Στο σχήμα 1 [1], παρουσιάζεται μια εκδοχή «έξυπνης» οργάνωσης του ηλεκτρικού δικτύου (που ονομάζεται και μικροδίκτυο) που χρειάζεται ανάπτυξη και  βρίσκεται κάτω από τον μετασχηματιστή μέσης τάσης. Για τον έλεγχο και λειτουργία του είναι απαραίτητες οι τοπικές μετρήσεις στον «έξυπνο» μετασχηματιστή αλλά και στα σημεία παραγωγής και κατανάλωσης μέσω της συγκέντρωσης των πληροφοριών των έξυπνων μετρητών. Ο έλεγχος του μικροδικτύου εφαρμόζεται με την διαχείριση της ενέργειας μέσω της συχνότητας του κατάντη δικτύου, επικοινωνία και ενημέρωση από το Σύστημα Διαχείρισης Μετρητικών Δεδομένων (Meter Data Managemen System -MDM System) και με το διαχειριστή με τα ανώτερα επίπεδα τάσης του δικτύου, μέσω της μονάδας ελέγχου του «έξυπνου μετασχηματιστή»  ώστε να υπάρχει συντονισμός και προγραμματισμός στην λειτουργία.

Η ιδέα που παρουσιάζεται παρακάτω αφορά την αλλαγή παραδείγματος λειτουργίας στα δίκτυα διανομής που ήδη αντιμετωπίζουν ή σύντομα θα αντιμετωπίσουν προβλήματα συμφόρησης, σταθερότητας και ελέγχου λόγω της μεγάλης διείσδυσης των ΑΠΕ (κυρίως ηλιακών), εξηλεκτρισμό του κλιματισμού και των ηλεκτρικών οχημάτων (EV), τα οποία θα οδηγήσουν σε προβλήματα ποιότητας και αξιοπιστίας στην λειτουργία του δικτύου.

 

Το προτεινόμενο σχέδιο έχει στόχο να ισορροπήσει την λειτουργία του δικτύου χαμηλής τάσης (μικροδικτύου), ελέγχοντας την μεγάλη διεσπαρμένη διείσδυση ΑΠΕ (ηλιακή, αιολική, κ.λπ.), τον μεγάλο αριθμό ελεγχόμενων φορτίων (συμπεριλαμβανομένης της σταθερής αποθήκευσης), την ηλεκτροκίνηση με σκοπό την ανάπτυξη βιώσιμων, αξιόπιστων, ευέλικτων δικτύων διανομής, διαφανή στα ανώτερα επίπεδα τάσης, ενώ καθιστά τους χρήστες ηλεκτρικής ενέργειας μέρος της λύσης.

Η ενσωμάτωση της παραγωγής ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ο αυξανόμενος αριθμός συστημάτων αποθήκευσης (συμπεριλαμβανομένων των EV) και ελεγχόμενων φορτίων δημιουργούν ζητήματα τάσης και συχνότητας και προβλήματα συμφόρησης στη λειτουργία των δικτύων διανομής που απαιτούν νέες προσεγγίσεις ώστε να εξασφαλίζεται ασφαλής, συντονισμένη και αποτελεσματική λειτουργία με το ανάντη δίκτυο αποφεύγοντας συμφορήσεις και βλάβες του ηλεκτρικού συστήματος. Αυτή η ιδέα στοχεύει να εξυπηρετήσει τη μετατόπιση της εστίασης από την παραδοσιακή κεντρική παραγωγή στο επερχόμενο πελατο-κεντρικό σύστημα ενέργειας και υπηρεσιών, στους διεσπαρμένους ενεργειακούς πόρους και το ψηφιοποιημένο ενεργειακό μέλλον.

Η προτεινόμενη ιδέα βασίζεται στην αποσύνδεση της συχνότητας του δικτύου μεταξύ ανάντη και κατάντη δικτύων διανομής και, εάν χρειάζεται, ακόμη και μεταξύ τμημάτων δικτύου στο ίδιο επίπεδο τάσης. Στα συνδεδεμένα με έξυπνο μετασχηματιστή τμήματα δικτύου, η ελεγχόμενη διακύμανση συχνότητας παρέχει σχεδόν όλες τις βασικές πληροφορίες που απαιτούνται για τον έλεγχό τους σε όλη τους την έκταση, καθώς η συχνότητα είναι η ίδια παντού σε αντίθεση με την τάση. Η τεχνική υλοποίηση της αποσύνδεσης συχνότητας μεταξύ του ανάντη δικτύου διανομής και των γειτονικών τμημάτων χαμηλότερης τάσης εκτελείται από μετατροπείς AC/DC/AC (τους οποίους αποκαλώ: “Frequency Decoupling Smart Transformer” – FDST ή Έξυπνο Μετασχηματιστή), επιτρέποντας διακύμανση συχνότητας στα κατάντη τμήματα του δικτύου, για ρύθμιση ροής ενεργού ισχύος, εναρμονισμένο έλεγχο και διαχείριση ενέργειας της διεσπαρμένη παραγωγής, ελεγχόμενων φορτίων (συμπεριλαμβανομένων των EV) και έλεγχο της διαθέσιμης χωρητικότητας αποθήκευσης.

Επιπλέον, η ρύθμιση της τάσης μπορεί να πραγματοποιηθεί σε δύο φάσεις, πρώτον στο σημείο σύνδεσης του Έξυπνου Μετασχηματιστή Αποσύνδεσης Συχνότητας και δεύτερον κατά μήκος του δίκτυο από τον τοπικό ελεγκτή της κάθε ελεγχόμενης μονάδας διεσπαρμένης παραγωγής ή αποθήκευσης. Ο έλεγχος του μικροδικτύου που προτείνεται δεν παρουσιάζει προβλήματα καθυστέρησης ή αξιοπιστίας στην επικοινωνία, καθώς εκμεταλλεύεται το ίδιο το δίκτυο και την συχνότητά του για να επικοινωνήσει την κατάσταση λειτουργίας του δικτύου. 

Υπάρχουν δυο φάσεις λειτουργίας: 

• η κανονική λειτουργία : εντός του επιτρεπόμενου παραθύρου λειτουργίας της συχνότητας και τάσης, κατά την διάρκεια της οποία εφαρμόζεται έλεγχος και η βέλτιστη χρήση των διεσπαρμένων ενεργειακών πόρων και η εξυπηρέτηση της κατανάλωσης μέχρι το σημείο που το επιτρέπει η διαθέσιμη ευελιξία, έτσι ώστε η συχνότητα και τάση του δικτύου να μην αποκλίνουν από τα επιτρεπόμενα όρια,
• το υποκείμενο «δίχτυ ασφαλείας» στην λειτουργία του δικτύου στα όρια και εκτός του παραθύρου συχνότητας και τάσης κανονικής λειτουργίας.

Εντός του προαναφερθέντος παραθύρου κανονικής λειτουργίας, μπορούν να εφαρμόζονται όλες οι επιτρεπτές επιχειρηματικές λειτουργίες διαχείρισης ενέργειας (π.χ. VPP, ενεργειακές κοινότητες, προμηθευτές, ...) χρησιμοποιώντας επίσης τη μεταβαλλόμενη συχνότητα δικτύου ως οδηγό της κατάστασης του δικτύου, ως προς την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου (μικροδίκτυο ή τμήμα) για να εφαρμόζεται η αποδοτικότερη ενεργειακή διαχείριση. Σε περίπτωση που η συχνότητα του δικτύου υπερβεί τα όρια του παραθύρου κανονικής λειτουργίας (π.χ. εκτός του παραθύρου 49,8 έως 50,2 Hz), τότε η διαδικασία «δίχτυ ασφαλείας» που είναι ενσωματωμένη στην έξυπνο μετασχηματιστή αναλαμβάνει ώστε όλες οι «ενεργές» συσκευές που είναι συνδεδεμένες στο δίκτυο, παρακολουθώντας τη συχνότητα του δικτύου, θα πρέπει ανάλογα με την ιδιότητά τους να αλλάζουν την ηλεκτρική τους κατάσταση για να αποκαταστήσουν τη στιγμιαία ισορροπία ισχύος και συνεπώς τη συχνότητα του μικροδικτύου (ή του τμήματος).

Για να υλοποιηθεί η ιδέα αυτή χρειάζεται να γίνει η ανάπτυξη του «έξυπνου» μετασχηματιστή καθώς και ο εξοπλισμός και το λογισμικό για τον έλεγχο της λειτουργίας και ευελιξίας των παραγωγών και καταναλωτών σε περιβάλλον υψηλής διείσδυσης μεταβλητών ΑΠΕ.

Αναφορά

[1]  Stathis Tselepis, «Apparatus and control method of self-organized operation of grid segments through a Frequency Decoupling Smart Transformer without new physical communication infrastructure», NIAGARA 2016 SYMPOSIUM ON MICROGRIDS, 20-21 October 2016, Niagara on the lake, Canada. Παρουσίαση πόστερ, https://microgrid-symposiums.org/niagara-agenda-and-presentations/

* Ο κ. Ευστάθιος Τσελεπής είναι Σύμβουλος Ενεργειακής Μετάβασης