Συστήματα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού, θερμότητας και ψύξης σε θερμοκήπια: έλεγχος βιωσιμότητας και σχεδιασμός

Abstract

Main objective of the present thesis is the investigation of the economic viability and the effect of combined cooling, heating and power (CCHP) systems in the economic efficiency, the energetic and environmental behavior of modern greenhouses. For this purpose, a systematic investigation of the investment and operating viability of these systems was conducted, in comparison with three alternative combinations of technologies for heating and cooling, by using the Levelized Cost of Electricity (LCOE) as assessment indicator. During CCHP design in greenhouses, a comprehensive mathematical model was proposed, which describes the daily heating and cooling load of the facility during a whole year and calculates the required energy equipment capacity, along with the daily energy flows. The economic efficiency of the investment was identified with the Return on Investment (ROI) indicator, the energetic behavior with a modified primary energy savings ratio (MPESR), while the environmental behavior with the CO2 savings ratio (SRCO2). Internal combustion engine (ICE) was used as prime mover due to its extensive use, and the analysis was conducted for the case of Greece. However, it can be efficiently implemented in any country, with the use of appropriate technical, meteorological and economic characteristics. It was proved that among the economic parameters, the energy prices and the subsidies given for cogeneration promotion, showed the largest impact both on viability and the design, while among the technical parameters, the equipment efficiencies were very significant in the comparative analysis with alternative systems. Cogeneration was proved a cost-effective solution for greenhouses which, in combination with absorption chillers’ active cooling, extends the annual productivity and cash flows. However, significant differentiations were noticed among locations with different climatic characteristics and products with different cultivation requirements.

Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο έλεγχος οικονομικής βιωσιμότητας και η διερεύνηση της επίδρασης των συστημάτων συμπαραγωγής, ηλεκτρισμού, θερμότητας και ψύξης (ΣΗΘΨ) στην οικονομική απόδοση, την ενεργειακή και περιβαλλοντική συμπεριφορά σύγχρονων θερμοκηπίων. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε συστηματικός έλεγχος επενδυτικής και λειτουργικής βιωσιμότητας των εν λόγω συστημάτων, συγκριτικά με τρεις εναλλακτικούς συνδυασμούς τεχνολογιών για θέρμανση και ψύξη, επιλέγοντας το Σταθμισμένο Κόστος Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΚΠΗΕ, LCOE) ως δείκτη αξιολόγησης. Στο πλαίσιο του σχεδιασμού συμπαραγωγής σε θερμοκήπια, προτάθηκε ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο, το οποίο περιγράφει το ημερήσιο θερμικό και ψυκτικό φορτίο της εγκατάστασης κατά τη διάρκεια του έτους, και υπολογίζει το μέγεθος του απαιτούμενου εξοπλισμού μαζί με τις ημερήσιες ενεργειακές ροές. Η οικονομική απόδοση της επένδυσης προσδιορίστηκε με τον δείκτη επιστροφής της επένδυσης (Return on Investment, ROI), η ενεργειακή συμπεριφορά του θερμοκηπίου με έναν τροποποιημένο δείκτη εξοικονόμησης πρωτογενούς ενέργειας (Modified Primary Energy Savings Ratio, MPESR), ενώ η περιβαλλοντική συμπεριφορά με τον δείκτη μείωσης εκπομπών CO2, (CO2 Savings Ratio, SRCO2). Ως κινητήρας επιλέχθηκε η μηχανή εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) λόγω της ευρείας χρήσης της, και η ανάλυση εφαρμόστηκε για τα δεδομένα της Ελλάδας. Ωστόσο, μπορεί να εφαρμοστεί αποτελεσματικά σε οποιαδήποτε χώρα, χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα τεχνικά, μετεωρολογικά και οικονομικά χαρακτηριστικά. Αποδείχθηκε ότι από τις οικονομικές παραμέτρους, οι τιμές ενέργειας και οι επιδοτήσεις που δίνονται για την προώθηση της συμπαραγωγής έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση τόσο στη βιωσιμότητα όσο και στο σχεδιασμό, ενώ από τις τεχνικές παραμέτρους, οι αποδόσεις εξοπλισμού φάνηκαν καθοριστικές στη συγκριτική αξιολόγηση με εναλλακτικά συστήματα. Η συμπαραγωγή αποδείχθηκε μία οικονομικά αποδοτική λύση για τα θερμοκήπια, που σε συνδυασμό με την ενεργητική ψύξη με ψύκτες απορρόφησης, αυξάνει την ετήσια παραγωγικότητα και τις ταμειακές ροές, παρουσιάζοντας ωστόσο σημαντικές διαφοροποιήσεις ανάμεσα σε περιοχές με διαφορετικά κλιματικά χαρακτηριστικά, και προϊόντα με διαφορετικές προδιαγραφές καλλιέργειας.