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