Ευελιξία του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σημαίνει ότι το σύστημα μπορεί να ανταποκριθεί τόσο στις προβλέψιμες όσο και στις απρόβλεπτες αλλαγές της παραγωγής και της ζήτησης κατά τρόπο που να ανταποκρίνεται στα πρότυπα αξιοπιστίας αποφεύγοντας τις περικοπές. Η ικανότητα ενός συστήματος ηλεκτροπαραγωγής να αντιμετωπίσει τη μεταβλητότητα εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα των κατάλληλων πόρων, στα μέσα παραγωγής, την αποθήκευση ενέργειας, και τη δυνατότητα προσαρμογής της ζήτησης. Δεν είναι όλα τα μέσα παραγωγής κατάλληλα για την παροχή ευελιξίας ιδίως όταν η μεταβλητότητα είναι μεγάλη.
Τα μέσα παραγωγής που έχουν κατάλληλα χαρακτηριστικά ανόδου ή καθόδου φορτίου στο επιθυμητό χρονικό πλαίσιο μπορούν να χαρακτηριστούν ως άμεσοι φορείς παροχής υπηρεσιών ευελιξίας. Η αποθήκευση και η προσαρμογή της ζήτησης μπορούν να διευκολύνουν την αντιμετώπιση της μεταβλητότητας επειδή μεταθέτουν φορτίο μεταξύ χρονικών περιόδων και έτσι παρέχουν υπηρεσία ευελιξίας εμμέσως.
Η απαίτηση συγκεκριμένου βαθμού λειτουργικής ευελιξίας για ένα σύστημα ισχύος δεν περιλαμβάνονταν μεταξύ των χαρακτηριστικών του συστήματος που εξετάζονταν στο παρελθόν στο πλαίσιο του σχεδιασμού του συστήματος. Οι υπηρεσίες ευελιξίας δεν περιλαμβάνονταν στον συνήθη κατάλογο των επικουρικών υπηρεσιών και των σχετικών εφεδρειών. Στο παρελθόν τα συστήματα με μικρή συμβολή ανανεώσιμων πηγών χρειάζονταν μονάδες παραγωγής μόνο με δυνατότητα παρακολούθησης ομαλών μεταβολών του φορτίου με σχετικά μικρούς ρυθμούς ανόδου ή καθόδου φορτίου. Οι μεταβολές της ζήτησης φορτίου ήταν σε μεγάλο βαθμό προβλέψιμες και γενικά η μεταβλητότητα ήταν περιορισμένη εκτός από τις λίγες στιγμές ετήσιας αιχμής φορτίου.
Σήμερα όμως έχοντας την εμπειρία της μεγέθυνσης των μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ, κυρίως αιολικά και ηλιακά) και αναμένοντας εντυπωσιακή περαιτέρω άνοδο στο επόμενο διάστημα, υφίσταται αυξανόμενη ανησυχία σχετικά με την επάρκεια παροχής υπηρεσιών ευελιξίας. Η μεταβλητότητα του συστήματος θα γίνεται ολοένα και πιο υψηλή και απότομη. Είναι σήμερα αποδεκτό ότι στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας θα απαιτείται αυξανόμενη υπηρεσία ευελιξίας και σχετική εφεδρεία για τη διαχείριση με αξιόπιστο τρόπο της υψηλής διείσδυσης των μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών.
Η μεταβλητότητα και η αβεβαιότητα έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά (Σχήμα 1). Και οι δύο προκαλούν την ανάγκη για εφεδρείες και υπηρεσίες ευελιξίας. Ωστόσο, η μεταβλητότητα είναι συχνά προβλέψιμη, ενώ η αβεβαιότητα είναι εξ ορισμού στοχαστική. Η μεταβλητότητα συχνά έχει γνωστή ημερήσια περιοδικότητα, ενώ η αβεβαιότητα δεν έχει γνωστή περιοδικότητα. Συμβατικά, οι διαχειριστές συστημάτων χρησιμοποιούν λεπτομερή ανάλυση του χρόνου για την αβεβαιότητα (λεπτό με λεπτό ή 5 λεπτά), και μικρότερη ανάλυση του χρόνου για την μεταβλητότητα (π.χ. μισή ή μία ώρα). Τόσο η αιολική όσο και η ηλιακή ενέργεια προκαλούν μεταβλητότητα και αβεβαιότητα, αλλά είναι στατιστικά γνωστό ότι η αιολική ενέργεια αυξάνει περισσότερο την αβεβαιότητα ενώ η ηλιακή ενέργεια αυξάνει περισσότερο την μεταβλητότητα.
Η μέτρηση των δυνατοτήτων ευελιξίας των θερμοηλεκτρικών μονάδων αναφέρεται στις τεχνικές παραμέτρους λειτουργίας μονάδας, όπως οι ρυθμοί ανόδου ή καθόδου φορτίου, η ελάχιστη ισχύς λειτουργίας, ο χρόνος συγχρονισμού και σβέσης, ο ελάχιστος χρόνος παραμονής σε λειτουργία ή εκτός λειτουργίας και οι δυνατότητες παροχής εφεδρείας αυτόματα, με χειρισμό από τη διαχείριση του συστήματος.
Η μέτρηση της παροχής έμμεσης ευελιξίας από τα συστήματα αποθήκευσης, την προσαρμογή της ζήτησης και τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς αφορά στη μείωση των απαιτήσεων εφεδρείας ανόδου ή καθόδου του φορτίου των λοιπών μονάδων χάρις στη μείωση της αιχμής φορτίου ή τη μείωση της μεταβλητότητας του φορτίου. Η προσαρμογή των ροών φορτίου στις διασυνδέσεις, η οποία περιλαμβάνεται στα μέσα παροχής βοηθητικών υπηρεσιών μπορεί επίσης να παρέχει υπηρεσίες ευελιξίας υπό ορισμένες προϋποθέσεις.
Σε ένα σύστημα με υψηλή συμβολή μεταβλητών ΑΠΕ, συμβαίνουν τρία είδη μεταβλητότητας. Πρώτον, οι απρόβλεπτες μεταβολές σε σύντομα ή πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα. Δεύτερον, η σχετικά προβλέψιμη καθημερινή μεταβλητότητα σε διάστημα ωρών λόγω της ηλιακής ενέργειας ή και της προβλέψιμης μεταβλητότητας των αιολικών σε διάστημα μερικών ημερών λόγω μετεωρολογικών προγνώσεων. Τρίτον, ακραία γεγονότα, σχετικά απρόβλεπτα, όπως για παράδειγμα η πλήρης έλλειψη ανανεώσιμων πόρων σε μια χρονική περίοδο, η οποία και απαιτεί μεγάλες εφεδρείες του συστήματος.
Οι τρεις τύποι ευελιξίας απαιτούν διαφορετικούς πόρους. Η βραχυπρόθεσμη μεταβλητότητα απαιτεί εφεδρεία περιστρεφόμενης ισχύος και οι παραδοσιακές επικουρικές υπηρεσίες μπορούν να την αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά. Θα χρειάζονται όμως μεγέθυνση της εφεδρείας αυτής όσο αναπτύσσονται οι μεταβλητές ΑΠΕ. Η ωριαία καθημερινή (ή σε λίγες ημέρες) μεταβλητότητα απαιτεί πόρους ενέργειας που είναι σε θέση να λειτουργούν και να σβένουν με βάση ένα τυπικό ωριαίο χρονοδιάγραμμα και ταυτόχρονα να έχουν υψηλές δυνατότητες ανόδου ή καθόδου φορτίου. Με την αύξηση των ΑΠΕ, οι απαιτήσεις ρυθμών ανόδου ή καθόδου υπερβαίνουν τις παραδοσιακές απαιτήσεις για την παρακολούθηση της διακύμανσης του φορτίου ζήτησης. Σήμερα, το καθαρό φορτίο (ζήτησης μείον μεταβλητές ΑΠΕ) τείνει να κυμαίνεται πολύ περισσότερο και πιο γρήγορα από το παρελθόν. Ο τρίτος τύπος μεταβλητότητας αντιμετωπίζεται μόνο μέσω μακροχρόνιων εφεδρειών παραγωγής (εφεδρεία αντικατάστασης).
Οι πόροι που μπορούν να παρέχουν ευελιξία έχουν διαφορετικές δυνατότητες όσον αφορά τις τρεις κατηγορίες μεταβλητότητας. Μια τυπολογία έχει ως εξής:
Οι μονάδες αιχμής (αέριο ή πετρέλαιο, με υψηλό λειτουργικό κόστος αλλά χαμηλό κόστος κεφαλαίου) σπάνια χρησιμοποιούνται λόγω υψηλού μεταβλητού κόστους. Μπορούν να εξυπηρετήσουν μεγάλη βραχυπρόθεσμη μεταβλητότητα, καθώς έχουν μικρούς χρόνους έναρξης και υψηλούς ρυθμούς ανόδου ή καθόδου φορτίου. Ωστόσο, λόγω κόστους δεν είναι κατάλληλες για την παροχή πολύωρης ευελιξίας.
Οι μονάδες αεριοστροβίλων συνδυασμένου κύκλου (CCGT) είναι κατάλληλες για να παρέχουν ευελιξία για βραχυπρόθεσμη μεταβλητότητα, δεδομένου ότι βρίσκονται υπό τον αυτόματο έλεγχο παραγωγής, αλλά και είναι κατ’ εξοχήν κατάλληλες για την παροχή πολύωρης ευελιξίας, ιδίως για τη διαχείριση της ημερήσιας διακύμανσης της ηλιακής ενέργειας ή των μεταβολών των αιολικών πόρων σε διάστημα μίας ή περισσότερων ημερών. Οι μονάδες CCGT έχουν υψηλούς ρυθμούς ανόδου ή καθόδου φορτίου, όμως έχουν επίσης περιορισμούς στους ελάχιστους χρόνους παραμονής σε λειτουργία και σβέσης. Επομένως, το σύστημα πρέπει να σχεδιάσει ένα αποτελεσματικό ωριαίο χρονοδιάγραμμα εκκίνησης και τερματισμού λειτουργίας των CCGT ώστε να είναι διαθέσιμες για παροχή πολύωρων υπηρεσιών ευελιξίας.
Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί με αποθήκευση είναι κατάλληλοι για τη μείωση των φορτίων αιχμής πράγμα που διευκολύνει την αντιμετώπιση των απαιτήσεων πολύωρης ευελιξίας. Καθώς έχουν περιορισμό υδάτινων πόρων κατ’ έτος, δεν μπορούν να παρέχουν συστηματικά υπηρεσίες ανόδου φορτίου. Όμως είναι κατάλληλοι για να καλύψουν τη βραχυπρόθεσμη μεταβλητότητα.
Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που έχουν μειωμένες δυνατότητες συχνής σβέσης και εκκίνησης και έχουν μικρές δυνατότητες αυξομείωσης φορτίου (πυρηνικά και μονάδες στερεών καυσίμων) είναι προφανώς ακατάλληλες για παροχή υπηρεσιών ευελιξίας, ενώ όμως μπορούν να παρακολουθούν τις μικρές και σχετικά ομαλές διακυμάνσεις του φορτίου ζήτησης. Η διατήρηση της λειτουργίας των μονάδων αυτών σε επίπεδο ισχύος ανώτερο του τεχνικού ελαχίστου σε ένα σύστημα με μεγάλη συμμετοχή μεταβλητών ΑΠΕ μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την ευρεία χρήση αποθηκευτικών μέσων και της προσαρμογής της ζήτησης ώστε να μεταφερθούν φορτία (της καθαρής ζήτησης αφού αφαιρεθούν οι μεταβλητές ΑΠΕ) από την αιχμή στα χρονικά διαστήματα μειωμένου φορτίου. Οι παλαιές μονάδες στερεών καυσίμων μπορούν να παρέχουν μακροπρόθεσμη εφεδρεία υπό την προϋπόθεση ότι τα έξοδα συντήρησης είναι εύλογα.
Η προσαρμογή της ζήτησης, η υδροηλεκτρική άντληση, οι μπαταρίες και η χημική αποθήκευση μέσω της παραγωγής υδρογόνου ή τεχνητών υδρογονανθράκων είναι σε θέση να πραγματοποιούν καθημερινή μετατόπιση φορτίου, η οποία είναι πολύ χρήσιμη για την έμμεση αντιμετώπιση της ευελιξίας. Ωστόσο, δεν μπορούν να παρέχουν ευελιξία για πολύωρη άνοδο φορτίου.
Το Σχήμα 2 δείχνει ενδεικτικά ένα χρονικό προγραμματισμό λειτουργίας μίας μονάδας CCGT ώστε αυτή να παρέχει υπηρεσίες ευελιξίας οι οποίες περιλαμβάνουν υψηλό ρυθμό ανόδου φορτίου, υψηλό ρυθμό καθόδου φορτίου και σβέση κατά το διάστημα χαμηλού φορτίου καθαρής ζήτησης. Οι υπηρεσίες ταχείας ανόδου ή καθόδου φορτίου αναφέρονται ως RSP (ramping service provision). Προκειμένου να παρασχεθούν αυτές, η μονάδας πρέπει να προγραμματιστεί να λειτουργεί σε τεχνικό ελάχιστο άλλες ώρες. Το διάστημα αυτό σημειώνεται στο σχήμα ως RAP (ramping availability provision). Κατά τις ώρες αιχμής η μονάδα ίσως προσδιορίζει την οριακή τιμή συστήματος οπότε έχει αμιγώς εμπορική λειτουργία χωρίς παροχή υπηρεσίας ευελιξίας στο σύστημα. Η μονάδα έχει κατάλληλα τεχνικά χαρακτηριστικά που της επιτρέπουν να σβένει και να εκκινεί σε ημερήσια βάση ώστε να εξυπηρετηθεί η διατήρηση σε λειτουργία των τεχνικών ελαχίστων άλλων μονάδων οι οποίες δεν έχουν δυνατότητα ημερήσιας σβέσης και εκκίνησης.
Σχήμα 2: Παροχή υπηρεσιών ευελιξίας από μονάδα CCGT (πατήστε πάνω)
Το σχήμα του καθαρού φορτίου ζήτησης (Σχήμα 3) είναι η τυπική μεταβλητότητα συστήματος με σημαντική συμβολή ηλιακής ενέργειας. Με τη δύση του ηλίου δημιουργούνται απότομες και μεγάλες αιχμές φορτίου, ενώ μειώνεται σημαντικά το καθαρό φορτίο κατά τις ώρες μεγάλης ηλιοφάνειας. Τις νυκτερινές ώρες μειώνεται η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας.
Στην Ελλάδα έχουμε ήδη σημαντική μεταβολή του καθαρού φορτίου λόγω της ηλιακής ενέργειας, από το 2011 έως σήμερα (Σχήμα 3). Το καθαρό φορτίο μοιάζει με το σχήμα της πάπιας που παρατηρείται ήδη στην Καλιφόρνια (duck effect) όπου ήδη προστίθεται υπηρεσία ευελιξίας μεταξύ των επικουρικών υπηρεσιών. Η μεταβλητότητα ανόδου και καθόδου φορτίου θα μεγεθυνθεί σημαντικά με την αναμενόμενη επέκταση της ηλιακής ενέργειας στην Ελλάδα.
Για την αντιμετώπιση αυτών των μεταβολών είναι απαραίτητο να αλλάξει η μεθοδολογία μελετών επάρκειας ισχύος τις οποίες εκπονεί στην Ελλάδα ο διαχειριστής του συστήματος. Η νέα μεθοδολογία πρέπει να συμπεριλάβει πολλαπλές περιπτώσεις αστοχιών και όχι μόνο τον κίνδυνο μη εξυπηρέτησης του φορτίου ζήτησης κατά τις ώρες αιχμής.
Η επάρκεια ισχύος του συστήματος πρέπει να έχει τέσσερεις διαστάσεις:
1. Επάρκεια ισχύος για την ταχεία άνοδο φορτίου, μίας έως και τρεις ώρες,
2. Επάρκεια ισχύος για την ταχεία κάθοδο φορτίου, μίας έως και τρεις ώρες,
3. Κατάλληλος προγραμματισμός ώστε να αποφευχθεί ο κίνδυνος περικοπών ΑΠΕ κατά τη διάρκεια ελαχίστου φορτίου ώστε να εξυπηρετηθούν τα τεχνικά ελάχιστα μη ευέλικτων μονάδων,
4. Εξυπηρέτηση των αιχμών της ζήτησης.
Η κατάλληλη μεθοδολογία για την επάρκεια ισχύος προβλέπει την ποσοτική εκτίμηση τουλάχιστον τεσσάρων δεικτών πιθανότητας απώλειας αξιοπιστίας αντί του ενός (πιθανότητα μη εξυπηρέτησης φορτίου ζήτησης) που χρησιμοποιούν οι παραδοσιακές μελέτες επάρκειας. Πρότυπο υπολογισμού των πιθανοτικών δεικτών προτάθηκε για πρώτη φορά στην Ελλάδα στη μελέτη επάρκειας που εκπόνησαν από κοινού το ΕΜΠ και το ΑΠΘ για τη ΡΑΕ το 2015.
Σχήμα 3: Καμπύλη καθαρού φορτίου στο διασυνδεδεμένο σύστημα της Ελλάδας (πατήστε πάνω)
Είναι σχεδόν γενικευμένη η πεποίθηση ότι είναι δύσκολο να βασισθεί η παροχή επαρκούς ισχύος ευελιξίας αποκλειστικά σε μηχανισμούς της αγοράς στο πλαίσιο συστήματος με μεγάλη συμμετοχή μεταβλητών ΑΠΕ.
Οι λόγοι συνοψίζονται ως εξής:
α) οι χονδρεμπορικές αγορές υφίστανται μείωση οριακών τιμών συστήματος όσο αυξάνονται οι μεταβλητές ΑΠΕ λόγω μείωσης του καθαρού φορτίου και μείωσης του βαθμού χρησιμοποίησης των θερμικών μονάδων,
β) η παροχή υπηρεσιών ευελιξίας από έναν από τους ανταγωνιστές για ιδίους σκοπούς επιδέχεται δωρεάν εκμετάλλευση από τους άλλους ανταγωνιστές που δεν παρέχουν τέτοια υπηρεσία ενώ την έχουν και αυτοί ανάγκη (free riding),
γ) οι μονάδες CCGT καταπονούνται όταν παρέχουν εντατικά την υπηρεσία ευελιξίας ενώ δεν υφίσταται προφανής τρόπος ανάκτησης του επιπλέον κόστους συντήρησης αμιγώς από την αγορά,
δ) οι προσομοιώσεις και οι σχετικές οικονομικές αναλύσεις καταδεικνύουν ότι η επένδυση σε συστήματα αποθήκευσης ή σε προσαρμογή της ζήτησης δεν θα πραγματοποιηθεί αν χρηματοδοτηθεί αποκλειστικά από τη μεταβλητότητα των οριακών τιμών συστήματος (γιατί η μεταβλητότητα αυτή μειώνεται με την επέκταση των ΑΠΕ,
ε) η αβεβαιότητα ανάκτησης του κόστους των επενδύσεων εκτός ΑΠΕ μεγεθύνεται αφού οι τιμές των οργανωμένων αγορών μειώνεται λόγω των ΑΠΕ ενώ η εμφάνιση υψηλών τιμών άνω του μεταβλητού κόστους εμφανίζεται πολύ σπάνια σε κάθε έτος.
Σε αυτό το πλαίσιο των αγορών, η αξιοπιστία του συστήματος θα βρίσκεται σε αυξανόμενο κίνδυνο όσο μεγεθύνονται οι ΑΠΕ. Η μεγάλη συμβολή των ΑΠΕ (περίπου σε επίπεδο 50% απαιτείται στην Ελλάδα το 2030, όπως και στη λοιπή Ευρώπη) είναι Ευρωπαϊκή υποχρέωση και είναι απόλυτα αναγκαία για οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους. Στην Ελλάδα ιδίως, το ζήτημα της ευελιξίας είναι πιο έντονο λόγω της μεγάλης συμβολής της ηλιακής ενέργειας.
Είναι επομένως επιτακτική η ανάγκη το Κράτος να παρέμβει στην αγορά για την εξασφάλιση επαρκούς ισχύος ευελιξίας. Ο μόνος τρόπος παρέμβασης είναι η θέσπιση μηχανισμού αμοιβής επάρκειας ισχύος για την παροχή της υπηρεσίας ευελιξίας, καθώς και η προσθήκη εφεδρείας ευελιξίας στις επικουρικές υπηρεσίες του συστήματος.
Υπήρξε πρωτοποριακή για τα Ευρωπαϊκά δεδομένα η πρόταση από την Ελλάδα και τελικά η έγκριση το 2016 μεταβατικού μηχανισμού αμοιβής επάρκειας ισχύος αποκλειστικά για την παροχή της υπηρεσίας ευελιξίας. Η πρώτη εφαρμογή του μηχανισμού αυτού έχει λήξει και επί του παρόντος εκκρεμεί η έγκριση της εκ νέου εφαρμογής του ίδιου μηχανισμού για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Η εφαρμογή αυτή προϋποθέτει διενέργεια διαγωνιστικών διαδικασιών για τον προσδιορισμό της μοναδιαίας αμοιβής ισχύος.
Στο πλαίσιο της πορείας ανάπτυξης των ΑΠΕ για την εξυπηρέτηση των στόχων του 2020 και περαιτέρω του 2030 είναι απόλυτα αναγκαία η θέσπιση σε μόνιμη βάση μηχανισμού αμοιβής ισχύος ευελιξίας με βάση διαγωνιστικές διαδικασίες και επιλέξιμους παρόχους τις ευέλικτες θερμικές μονάδες, τα υδροηλεκτρικά, τα συστήματα αποθήκευσης και τη διαχείριση της ζήτησης.
----------------------
- Ο κ. Παντελής Κάπρος είναι Καθηγητής Ενεργειακής Οικονομίας στο ΕΜΠ
