Αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την κάλυψη υδατικών και ενεργειακών αναγκών

Abstract

The subject of this PhD thesis is the design of autonomous, hybrid systems that produce power for the simultaneous cover of electrical energy and water with the use of Renewable Energy Sources (RES) and desalination with Reverse Osmosis (RO). More specific, the renewable technologies of photovoltaics and wind turbines are used, with battery array as an energy storage and with conventional diesel genset as a backup/auxiliary system. The design of a system that combines two different RES technologies with storage and simultaneous cover two different needs, is a technical challenge in which, within this thesis, is overcome by the use of design rules and energy dispatch priorities.Objective of this PhD thesis is the development of the appropriate methodology that will specify the basic design parameters of the various subsystems and it allow their evaluation.The methodology is applied with the use of a custom decision support software developed for the purposes of this thesis, in order to be easy to use and to export results with minimum effort and in short time.The methodology for the selection of the appropriate system is composed by 7 steps:•In the first step the calculation of the basic parameters for the energy subsystem takes place with the use of mean monthly values for meteorological data and steady demand for water and energy loads.•In the second step an preliminary viability analysis is calculated for alternative systems from the first step. The basic energy figures are estimated such as the energy delivered to the load from RES, the energy production from the auxiliary unit etc.•In the third step the systems are evaluate with the use of hourly simulation but taking into account different energy management rules.• In the fourth step sensitivity analysis is carried out for the cases/systems created in the first and third step. By changing the values of the RES potential, the installed power, the fuel cost and the battery array size.• In the fifth step risk analysis is applied to the proposed cases. The risk analysis is carried out with the Monte Carlo method, with uncertainty parameters the fuel price, the mean solar radiation, mean annual wind speed, water demand and energy demand. •In the sixth step the identification of dominant solutions within the proposed cases is held.•In the seventh step the final case selection is made with the help of Multi-Criteria Analysis (MCA) as to the 14 evaluation indicators.The methodology was applied in the design of a system with water and energy needs for a small and isolate community of 60 inhabitants in Tunis.

Αντικείμενο της διατριβής είναι ο σχεδιασμός αυτόνομων, υβριδικών συστημάτων παραγωγής ισχύος, για τη συνδυασμένη κάλυψη των αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας και νερού με χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) και αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται οι τεχνολογίες φωτοβολταϊκών και αιολικών συστημάτων, μονάδες αποθήκευσης ενέργειας (συσσωρευτές) και ενέργεια από συμβατικό ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος με καύσιμο πετρέλαιο. Ο σχεδιασμός ενός συστήματος που ενσωματώνει δύο τεχνολογίες ΑΠΕ με ταυτόχρονη αποθήκευση, και ταυτόχρονα προσφέρει ενέργεια για την κάλυψη δύο διαφορετικών αναγκών, αποτελεί σχεδιαστική πρόκληση, η οποία, στα πλαίσια της διατριβής, αντιμετωπίζεται με την χρήση κανόνων σχεδιασμού και προτεραιοτήτων κάλυψης των επιμέρους αναγκών.Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη της κατάλληλης μεθοδολογίας που θα επιτρέπει τον καθορισμό των βασικών σχεδιαστικών παραμέτρων των επιμέρους συστημάτων και της αξιολόγησής τους, με βάση τη διαθεσιμότητα των δεδομένων. Η μεθοδολογία υλοποιείται μέσω κατάλληλου λογισμικού υποστήριξης απόφασης (Decision Support System), το οποίο είναι εύχρηστο, λειτουργικό, και παρέχει γρήγορα αποτελέσματα.Η μεθοδολογία επιλογής του κατάλληλου συστήματος αποτελείται από 7 βήματα:•Στο πρώτο βήμα πραγματοποιείται ο υπολογισμός των βασικών μεγεθών των ενεργειακών υποσυστημάτων χρησιμοποιώντας μετεωρολογικά δεδομένα (μέσες μηνιαίες τιμές) και σταθερά φορτία ζήτησης νερού και ενέργειας.•Στο δεύτερο βήμα πραγματοποιείται ανάλυση βιωσιμότητας των προτεινόμενων συστημάτων του πρώτου βήματος. Εκτιμώνται τα βασικά ενεργειακά μεγέθη σε ετήσια βάση.•Στο τρίτο βήμα γίνεται περαιτέρω αξιολόγηση των συστημάτων του πρώτου βήματος με ωριαία προσομοίωση αλλά λαμβάνονται υπόψη και κανόνες ενεργειακής διαχείρισης. •Στο τέταρτο βήμα πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας για τα συστήματα που έχουν προκύψει από το πρώτο και το τρίτο βήμα. Εξετάζεται η επίδραση στους δείκτες αξιολόγησης: της μεταβολής του δυναμικού ΑΠΕ, του φορτίου , της εγκατεστημένης ισχύος των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των ανεμογεννητριών, της τιμής του καυσίμου και του μεγέθους του συσσωρευτή.•Στο πέμπτο βήμα πραγματοποιείται ανάλυση επικινδυνότητας για τα προτεινόμενα συστήματα με τη μέθοδο Monte Carlo με παραμέτρους αβεβαιότητας την τιμή του καυσίμου, την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, την ταχύτητα ανέμου, τη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας και τη ζήτηση νερού. •Στο έκτο βήμα πραγματοποιείται η εύρεση των κυρίαρχων (dominant solutions) συστημάτων μεταξύ όλων των προτεινόμενων συστημάτων.•Στο έβδομο βήμα γίνεται η τελική επιλογή του συστήματος, με τη χρήση πολυκριτηριακής ανάλυσης ως προς επιλεγμένους 14 δείκτες αξιολόγησης.Η μεθοδολογία της διατριβής εφαρμόστηκε στο σχεδιασμό συστήματος για την κάλυψη των αναγκών νερού μιας απομονωμένης κοινότητας 60 ατόμων στην Τυνησία.