מערכת מיקרו גריד
Download
Report
Transcript מערכת מיקרו גריד
תכנון וניהול טכנו-כלכלי של מערכת מיקרו גריד
ד"ר דוד ברלה ,ירון חיים ,עוז קלימיאן
1
המטרה:
לבחון את הכדאיות הכלכלית של הקמה ותפעול מערכת מיקרו גריד
למתחם הכולל מספר צרכנים שהספקם המצרפי מספר .MW
לבחינת הכדאיות פותח מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי (טכנו-
כלכלי) של מערכת מיקרו גריד הכולל שני מרכיבים:
שלב ההקמה בו נקבעים מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים מבוססי דלקים
פוסיליים ואנרגיה מתחדשת למערכת.
שלב הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערך מתקני הייצור הפרטיים
(בהעדפת מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת) ,בשילוב האפשרות של
צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית ,כך שיענה לדרישות האנרגטיות של
כלל העומסים במתחם ,המשתנות בזמן.
2
הנושאים שיוצגו:
הגדרת ואפיון מערכת מיקרו גריד
הצגת עקרונות המודל
שלב ההקמה
שלב הניהול ותפעול
הצגת תרחיש לדוגמא
סיכום
3
מערכת מיקרו גריד
מערכת מיקרו גריד הינה מערכת אנרגיה חשמלית (קטנה יחסית)
המסוגלת לקיים איזון של משאבי היצע וביקוש בתוך גבולות חשמליים
מוגדרים.
4
מערכת המיקרו גריד מטרתה לייעל טכנו-כלכלית את ייצור
ואספקת האנרגיה החשמלית למתחם נתון ,באופן המבטיח מענה
לדרישות האנרגיה ,עמידות ,אמינות וקיימות.
מערכת מיקרו גריד יכולה לפעול כמערכת סגורה המתפקדת
עצמאית כאי חשמלי או לחילופין כמערכת המשלבת בין ייצור
עצמי וצריכת אנרגיה (וגם החזרת אנרגיה) מרשת החשמל
הציבורית.
מערכת מיקרו גריד מתאימה לשרת צרכני אנרגיה בינוניים
כדוגמת יישוב קהילתי ,מתחם תעשייה ,קמפוס אוניברסיטאי,
קומפלקס בניינים ,בית חולים ,מחנה צבאי ,מתחם שלא נמצא
בתחום של רשת החשמל הציבורית וכדומה.
ניתן לראות במערכת מיקרו גריד כיחידת עומס מבוקרת אחת מול
הרשת הציבורית בפרט בהתייחס למערכת רשת חכמה.
5
הצגת המודל
השיקולים בתכנון ,תפעול וכדאיות מערכת מיקרו גריד כוללים היבטים רבים
המשתנים ממקום למקום ,כאשר המרכזיים בהם:
מאפייני העומסים לרבות דרישתם לאיכות ,אמינות ,גמישות וברות קיימא
נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים
ממדי שטחים פנויים במתחם (המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה מתחדשת)
רגולציה רלבנטית
מאפייני מתקני ייצור אנרגיה לרבות היבטי אספקת דלקים ומדיניות
שיקולים מימוניים ותמחיריים ,רגולטוריים ,חוזיים וניהול סיכונים
תעריפי עומס וזמן (תעו"ז)
היבטי פריסת רשת לרבות אמינות ,אבטחה ושרידות
טכנולוגיים וניהוליים
6
עקרונות המודל
המודל כולל שני מרכיבים:
שלב ההקמה -לקביעת מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים מבוססי דלקים
פוסיליים ואנרגיה מתחדשת.
שלב הניהול ובקרת התפעול הדינמי -של מערך מתקני הייצור
הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית ,כך
שיענה לדרישות האנרגטיות של כלל העומסים במתחם המשתנות
בזמן.
7
תרשים זרימה עקרוני
של אלגוריתם המודל
)
·
·
·
·
(:
שלב ההקמה
.
LCOE
LCOE
)
" (
LCOE
"
שלב הניהול
ובקרת התפעול
הדינמי
8
LCOE -
מרכיב ההקמה
קליטת הנתונים
קליטת נתונים קבועים (כבסיסי נתונים) שלא דרך ממשק המשתמש
הכוללים:
.1עקום צריכה ממוצע יומי אופייני (מוגדר כמערך של 48ערכי הספק חשמלי
המייצגים את הצריכה לאורך יממה בהפרשים של חצי שעה)
.2ריבית בנקאית נומינאלית שנתית
.3מחזור חיים
.4נתונים חשמליים נקובים של מתקני ייצור פוסיליים ומתקני ייצור מאנרגיה
מתחדשת רלבנטיים
.5עלויות רכישה והתקנת מתקני ייצור מבוססי האנרגיה פוסילית ואנרגיה
מתחדשת ביחידות של שקלים לקילוואט וכן נתונים רלבנטיים נוספים.
.6עלויות תפעול ואחזקה ( )O&Mשל מתקני ייצור מבוססי אנרגיה פוסילית
ואנרגיה מתחדשת ביחידות של שקלים לקילוואט-שעה.
9
קליטת נתונים ברי שינוי המוזנים באמצעות ממשק המשתמש:
.1הספק שיא של המתקן בקילוואט )(Maximum Facility Power
.2אזור ההתקנה בישראל -צפון/דרום )(Region
.3אופי מתקן הצריכה -מגורים/תעשייה )(Consumer Type
.4ימי צריכה מאפיינים בשנה )(Typical Days
.5סוג ושטחים מוקצים להתקנת יחידות PVביחידות מטר ריבועי (Area for
(PV Land/Roof
.6ממדי אורך ורוחב שדה מוקצים להתקנת טורבינות רוח ביחידות מטר
)(Wind Turbine Field Length & Wind Turbine Field Width
.7תעריפי הרשת הציבורית (חח"י) לפי תעו"ז ביחידות של שקלים לקילוואט-
שעה ((IEC Cost
.8מהירות הרוח אופיינית ביחידות מטר לשניה
.9זמני התחלת הפסקת חשמל ביום נתון (אופציה)
.10עונת השנה
10
קביעת מתקני ייצור האנרגיה
מרחב מתקני ייצור האנרגיה הפוסיליים
קביעת מתקני הייצור שיהוו את המרחב הפוסילי הרלבנטי במודל ממצאי
מתקני ייצור האנרגיה הפוסיליים המוזנים בשלב קליטת הנתונים ( דיזל
גנרטורים ,מיקרו טורבינות).
שלב זה מבוצע תחת הנחה של כיסוי אנרגטי נדרש על ידי מתקני ייצור אנרגיה
פוסיליים בלבד.
הקביעה מתבצעת על פי קריטריון הערכה השוואתית של כמות האנרגיה שכל
מתקן ייצור יכול לייצר ,במגבלות עקום הצריכה היומי האופייני ,בהתניה שחייב
לעבוד לפחות 3שעות ברצף (למניעת כיבויים והדלקות מרובים אשר מקצרים
את חיי המחוללים).
לגידול עתידי בצריכת האנרגיה ,הוגדר קו חוסם של ( 10%מייצג גידול של 2%
בשנה על פני 5שנים) מעל קו הצריכה האופייני .קו זה מכונה Graph
.Consumption Limit
11
תיאור מתווים עבור הספק מתחם של 5MWומתקני הייצור הפוסיליים
בתהליך קביעת מרחב מתקנים נבחרים בשלבים 2 , 1ו4-
max E450 , E700 , E1200 , E2500 , E3000 , E3500 = E2500
PGEN1
Graph_consumptioni = Graph_consumptioni−1 − PGENi-1
12
מתווים של הספק הצריכה האופייני של המתחם )(5MW
ומרחב נבחר של מתקני ייצור אנרגיה ממקורות פוסיליים
13
מרחב מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת
המודל המוצג מתייחס לשני סוגים של מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת:
טורבינות רוח ומערך פוטו וולטאי.
קביעת ההספק נקבעת בהתאם לאילוצי נתוני סביבה ושטח התקנה מיועד
הנקלטים באמצעות ממשק המשתמש וברי שינוי.
טורבינת רוח
הספק טורבינת הרוח תלוי במספר פרמטרים כאשר העיקריים בהם:
צפיפות האוויר ,קוטר הלהבים ,מקדם יעילות הטורבינה ומהירות הרוח.
הספק מוצא חשמלי של טורבינת רוח במודל מבוסס על טבלת המרה
ע"פ נתוני יצרן :הספק כפונקציה של מהירות רוח נתונה.
עקרון תכנון השדה 4 :קטרים של הלהבים בין הטורבינות ו 7 -קטרים
בין השורות .מינימום אורך שדה מיועד להתקנת טורבינה בודדת הוא כגודל שני קטרים של הרוטור
ואילו מינימום רוחב שדה להתקנת טורבינה בודדת הוא כגודל קוטר של הרוטור.
14
מערך פוטו וולטאי
הספק מוצא חשמלי של המתקנים הפוטו וולטאיים (קרקעי או על גג)
במודל מבוסס על:
• נתוני ממוצעי הקרינה ממדידות לווין לאזורים הנבחרים כתלות בשעות
היממה
• נצילויות המערכת הפוטו וולטאית מנתוני יצרן בהתאם לסוג המתקן
(קרקעי /גג מבנה)
• שטח פריסת הפנלים הנגזר משטח מוקצה למתקן
15
מתקני הייצור הפוטנציאליים להפעלה
קביעת מתקני הייצור הפוטנציאליים הפוסיליים שמהם ייקבע מי ומתי
יופעלו בפועל ,נעשה על פי שיקול כלכלי המבוסס על מדד של עלות
לקוט"ש של ייצור אנרגיה ע"י כל מתקן פרטי Levelized Cost Of
)Energy (LCOEהנתון ע"י:
₪
][ 𝑘𝑊ℎ
𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑙𝑎𝑢𝑛𝑛𝐴
𝑦𝑔𝑟𝑒𝑛𝐸_ 𝑙𝑎𝑢𝑛𝑛𝐴
= LCOE
חישוב ההוצאה השנתית Annual_Costב ₪ -נתון ע"י:
𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑒𝑙𝑢𝐹 𝐴𝑛𝑛𝑢𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 = 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 ∙ 𝐶𝑅𝐹 + 𝑂&𝑀_𝐶𝑜𝑠𝑡 +
כאשר:
-Capital_Costעלות מתקן ייצור האנרגיה ב₪ -
-[Operation & Management Cost] O&M_Costהוצאות ב ₪ -לתפעול ואחזקה שנתית
–Fule_Costעלויות הדלק (דיזל/גז) השנתיות ב( ₪ -מחושב רק למתקני ייצור מאנרגיה פוסילית)
16
- CRFמקדם החזר ההון Capital Recovery Factorהנתון ע"י:
i(1 i ) n
CRF
(1 i ) n 1
כאשר:
- iריבית נומינלית בנקאית שנתית
- nאורך חיי מערכת המיקרו גריד בשנים (בהנחת אורך חיים זהה של מתקן ייצור האנרגיה)
] Annual _Energy [kWhהאנרגיה השנתית מחושבת בהתבסס על
הספק מתקן הייצור (בפועל בהתחשב בנצילויות הרלבנטיות) לאורך
שעות עבודה צפויות ביממה אופיינית המוכפל ב 365 -ימים בשנה.
17
תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד
מערכת הניהול מנטרת ושולטת באופן רציף על מערך מתקני הייצור
הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית
בהתאם ,כתלות בצריכת האנרגיה הרגעית ,כמות האנרגיה הזמינה,
שעות היממה ,תנאי הסביבה ושיקולים טכנו-כלכליים.
בתהליך הניהול קיימת העדפה להפעיל את מתקני הייצור מאנרגיה
מתחדשת באם קיימים.
ההחלטה הכלכלית להפעיל את מתקני הייצור הפוסיליים או לצרוך
אנרגיה מהרשת הציבורית ,נקבעת על פי קריטריון LCOEניהולי,
בהנחת קיום מענה אנרגטי לדרישות הצרכן.
18
בשלב ראשון לכל מתקן ייצור אנרגיה פוטנציאלי בהספק נתון,
מחושבים שלושה ,LCOEכאשר כל אחד מהם מחושב לפי מקבצי
שעות הביקוש (מש"ב) לשפל גבע ופסגה.
המערכת בוחנת את עלויות ייצור האנרגיה החשמלית על ידי
המתקנים הפרטיים מול תעריפי הרכישה מהרשת הציבורית (חח"י )
לפי תעו"ז.
הניהול הינו על בסיס יומי ,בהתאם לתכנית צריכה יומית חצי שעתית
המוגשת מבעוד מועד (יום לפני) המפרטת את סך הצריכה המצרפית
של כלל הצרכנים ,החל משעה 00:00ועד לשעה ,24:00כנקבע
בספר אמות המידה.
19
תרשים ניהול פונקציונאלי
של מערכת המיקרו גריד
·
·
Pconsume>Prenuable
Pconsume<Prenuable
IEC Out
"
·
("
·
"
·
)
·
LCOE(Fossil) < KWh(EC)
AND
Pconsume > (Prenuable+fossil Power)
Grid alive
AND
One Fossil is active
LCOE(Fossil) > KWh(IEC)
OR
Pconsume<(Prenuable+fossil Power)
IEC Out
Grid alive
AND
Two Fossil are active
LCOE(Fossil) < KWh(IEC)
AND
Pconsume > (Prenuable+fossil Power)
תנאי המעבר נקבעים בהתאם
לשיקולים אנרגטיים ושיקוליי
. ניהולייםLCOE
LCOE(Fossil) > KWh(IEC)
OR
Pconsume<(Prenuable+fossil Power)
IEC Out
LCOE(Fossil) > KWh(IEC)
OR
Pconsume<(Prenuable+fossil Power)
IEC Out
LCOE(Fossil) < KWh(IEC)
AND
Pconsume > (Prenuable+fossil Power)
Grid alive
AND
All Fossil are active
20
ממשק משתמש
21
תרחיש דוגמא
נתונים בסיסיים:
• מתחם תעשייתי באזור צפון ישראל שהספקו המרבי של .5MW
• טורבינת הרוח שנבחרה היא מדגם ATB500של החברה האירופאית ATB WIND
בהספק נקוב .500KW
• הוגדרו שני סוגים של מתקנים סולאריים ,אחד קרקעי ואחד על גגות ,כאשר לכל אחד
מהם אופיינו פרמטרי נצילויות תלויי קרינה ומיקום .
• מיקרו טורבינות בהספקים של 450kW , 700kW , 1200kW :
• דיזל גנרטורים בהספקים של 2500kW , 3000kW , 3500kW :
נתונים בממשק:
22
תוצאות הרצת התרחיש
שלב הניהול
23
שלב ההקמה
סיכום
בהרצת תרחישים רבים ניתן להצביע כי:
שילוב מתקני ייצור אנרגיה פרטיים בגישה טכנו-כלכלית בשילוב צריכת אנרגיה
מהרשת הציבורית במקרים רבים מוזילה את עלויות צריכת האנרגיה של המתחם.
מתקני הייצור הפרטיים משתלבים בעיקר במקבצי שעות של פסגה שבהם תעריף
החשמל במערכת הציבורית גבוהה.
ככל שהספק הצריכה במתחם גדל ,ניתן לראות השתלבויות של מתקני הייצור
הפרטיים גם במקבצי שעות ביקוש של שפל וגבע .הדבר נובע מכך שככל שמשך
שעות העבודה גדל ,ה LCOE -הניהולי של המקורות הפרטיים קטן.
באמצעות המודל ניתן לבצע ניתוח רב שנתי לאורך חיי המערכת המאפשר
לבחון את הכדאיות הכלכלית של ההשקעה במערכת המיקרו גריד כנגד
החלופה של הזנת המתחם מהרשת הציבורית בלבד.
24
תודה על ההקשבה
25