Μοντελοποίηση και ανάλυση της ευελιξίας ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων με μεγάλη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας
Authors: Κανναβού Μαρία 
Published: September 2021

Η παρούσα διατριβή αφορά τη μοντελοποίηση και ανάλυση των ζητημάτων ευελιξίας του ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος σε συνθήκες μεγάλης διείσδυσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Η ανάλυση των ζητημάτων ευελιξίας στο πλαίσιο της διατριβής περιλαμβάνει την παρουσίαση μιας προτεινόμενης τυπολογίας των διαφορετικών τύπων ευελιξίας, τα οποία χρειάζεται το ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα και της αντίστοιχης μεθοδολογίας υπολογισμού του κάθε τύπου παρεχόμενης ευελιξίας. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης του προβλήματος επέκτασης του ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος και ενός μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας των χονδρεμπορικών αγορών ηλεκτρισμού. Η ανάπτυξη των μοντέλων προσομοίωσης προσφέρει μέσω της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων της αριθμητικής εφαρμογής των μοντέλων, τη δυνατότητα μελέτης και διερεύνησης ερωτημάτων σχετικά με τις ανάγκες ευελιξίας των ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων. Η ανάγκη της ευελιξίας των ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων, παρόλο που σαν έννοια χρησιμοποιείται συστηματικά μόνο τα τελευταία χρόνια, προϋπήρχε καθώς η μεταβλητότητα και η αβεβαιότητα αποτελούν εγγενή χαρακτηριστικά του συστήματος. Σε προηγούμενες, αναφορικά με τη διείσδυση των ΑΠΕ, περιόδους οι προκλήσεις της λειτουργίας των ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων σχετίζονταν κυρίως με τη μεταβλητότητα και την αβεβαιότητα των επιπέδων ζήτησης ηλεκτρισμού και την τυχαία, μη-προγραμματισμένη, διαθεσιμότητα ελεγχόμενων μονάδων παραγωγής. Οι μονάδες ΑΠΕ μεταβλητής παραγωγής (αιολικά, φωτοβολταϊκά, μικρά Υ\Η κ.α.) αυξάνουν την μεταβλητότητα και αβεβαιότητα, καθώς η παραγωγή τους δεν μπορεί να ελεγχθεί, αλλά εξαρτάται από τα καιρικά φαινόμενα. Σε ηλεκτροπαραγωγικά συστήματα με σημαντική διείσδυση των ΑΠΕ μπορούμε να εντοπίσουμε διαφορετικούς τύπους διακυμάνσεων στην παραγωγή και ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίες διαφοροποιούνται ανάλογα με το χρονικό διάστημα στο οποίο παρατηρούνται (μεταξύ δευτερολέπτων, ωρών, ημερών, εποχών). Ένα δεύτερο στοιχείο που διαφοροποιεί τους τύπους διακυμάνσεων σχετίζεται με το βαθμό πρόβλεψης της διακύμανσης, αν πρόκειται δηλαδή για απρόβλεπτη ή προβλέψιμη, ως ένα βαθμό, διακύμανση. Κάθε τύπος διακύμανσης δημιουργεί διαφορετικές ανάγκες ευελιξίας (βραχυπρόθεσμη, πολύωρη και μακροπρόθεσμη) στο σύστημα, η κάθε μία από τις οποίες μπορεί να καλυφθεί από διαφορετικούς πόρους. Στην παρούσα διατριβή η έννοια της ευελιξίας ενός ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος ορίζεται ως «η δυνατότητα του συστήματος να ανταποκρίνεται τόσο στις προβλέψιμες όσο και στις απρόβλεπτες αλλαγές της παραγωγής και της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, με τρόπο τέτοιο ούτως ώστε να τηρούνται επαρκώς κάποια προκαθορισμένα κριτήρια αξιοπιστίας και να αποφεύγονται οι περικοπές είτε της ζήτησης είτε της παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ μεταβλητής παραγωγής». Τα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής και οι αγορές ηλεκτρισμού διανύουν μια μεταβατική περίοδο, η οποία έρχεται ως αποτελέσματα της ανάγκης για τη δραστική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στο πλαίσιο της αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Η διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), οι οποίες έχουν μηδενικό ανθρακικό αποτύπωμα, στα ηλεκτροπαραγωγικά συστήματα δημιουργεί μια σειρά προκλήσεις τόσο σε τεχνικό επίπεδο όσο και στο επίπεδο της οργάνωσης, λειτουργίας και ρύθμισης των αγορών ηλεκτρισμού. Ήδη σε αρκετά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής, αλλά ιδιαίτερα στα συστήματα του μέλλοντος, η διείσδυση μονάδων ΑΠΕ έχει μεταβάλλει σημαντικά την καμπύλη καθαρού φορτίου, το οποίο καλούνται να καλύψουν οι υπολειπόμενοι πόροι του συστήματος. Λόγω της μεταβολής της καμπύλης φορτίου, οι ευέλικτες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής αντιμετωπίζουν πιο συχνές εκκινήσεις και σβήσεις, λειτουργούν συχνότερα σε επίπεδα μερικής φόρτιση και καλούνται συχνά να αυξομειώσουν το φορτίο τους για λόγους εξισορρόπησης. Η δυνατότητα ευελιξίας του συστήματος επηρεάζεται σημαντικά από τις συνθήκες λειτουργίας των χονδρεμπορικών αγορών ηλεκτρισμού. Ιδιαίτερη σημασία έχει ο τρόπος διαχείρισης των διασυνδέσεων και η ευελιξία που δύναται να προσφέρει στο σύστημα η συμμετοχή των διασυνδέσεων σε όλα τα στάδια της αγοράς και η ενοποίηση των αγορών διαφορετικών χωρών. Επιπλέον, η διείσδυση των ΑΠΕ και οι ανάγκες ευελιξίας του συστήματος λόγω της μεταβλητής παραγωγής τους αυξάνει τη σημασία των αγορών εξισορρόπησης και εφεδρειών. Η σύζευξη των διαφορετικών σταδίων της αγοράς, η ενσωμάτωση των τεχνικών περιορισμών του συστήματος στις καθαρά ενεργειακές αγορές και η βέλτιστη χρήση των διασυνδέσεων μέσω της συμμετοχής τους σε όλα τα στάδια της αγοράς προσφέρουν σημαντική εξοικονόμησης κόστους και δίνουν τη δυνατότητα διαχείρισης των αναγκών ευελιξίας του συστήματος με τον πιο οικονομικά αποδοτικό τρόπο.Επιπρόσθετα, η αύξηση των ωρών πλεονάζουσας παραγωγής των μονάδων ΑΠΕ σε ώρες χαμηλής ζήτησης απαιτεί την ανάπτυξη εγκαταστάσεων αποθήκευσης και άλλων ευέλικτων μηχανισμών ζήτησης, προκειμένου να αποφευχθεί η περικοπή της παραγωγής των ΑΠΕ και να διευκολυνθεί η διείσδυσή τους στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα. Σε συστήματα χαμηλών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου οι ανάγκες μακροπρόθεσμης ευελιξίας αναδεικνύουν τη σημασία της χρήσης μονάδων αποθήκευσης με δυνατότητα πολυήμερης και εποχικής αποθήκευσης, όπως είναι οι μονάδες παραγωγής συνθετικών καυσίμων με βάση τον ηλεκτρισμό (Power-to-X). Ο ρόλος των μονάδων αποθήκευσης σε ένα σύστημα βασισμένο κατά κύριο λόγο σε μεταβλητές ΑΠΕ αναβαθμίζεται εξαιρετικά. Ωστόσο η χρήση των μονάδων αποθήκευσης για λόγους εξισορρόπησης δύναται να υποκατασταθεί από την αύξηση των διασυνοριακών ανταλλαγών ηλεκτρισμού, η οποία επιτυγχάνεται στο πλαίσιο της ενοποίησης των χονδρεμπορικών αγορών των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ). Η διατριβή εξετάζει το ερώτημα αυτό και καταλήγει πως η αλληλεπίδραση της ενίσχυσης των διασυνοριακών ροών και της λειτουργίας των μονάδων αποθήκευσης εμφανίζει υποκατάσταση αλλά και συμπληρωματικότητα. Η σχέση αυτή εξαρτάται από ένα πλήθος παραγόντων, όπως ο βαθμός ομοιομορφίας ή διαφοροποίησης του μείγματος ηλεκτροπαραγωγής του κάθε συστήματος, την αθροιστική καμπύλη προσφοράς της κάθε αγοράς υπό σύζευξης, καθώς και τη γεωγραφική θέση των μονάδων αποθήκευσης. Σε κάθε περίπτωση, παρά την αύξηση της διακύμανσης των χονδρεμπορικών τιμών ηλεκτρισμού λόγω της διείσδυσης των ΑΠΕ, η ενοποίηση των αγορών μέσω της χρήσης των διασυνδέσεων οδηγεί στην σύγκλιση των τιμών ηλεκτρισμού. Λόγω αυτού, η ανάκτηση του κεφαλαιουχικού κόστους των μονάδων αποθήκευσης δεν δύναται να επιτευχθεί στις χονδρεμπορικές αγορές ηλεκτρισμού, αλλά χρειάζεται επιπρόσθετα μέσα οικονομικής αποζημίωσης. Ένας τρόπος διασφάλισης της ανάκτησης του κεφαλαιουχικού κόστους επένδυσης των μονάδων αποθήκευσης είναι η ένταξη τους στη διαμόρφωση ευέλικτων χαρτοφυλακίων ηλεκτροπαραγωγής βασισμένα σε ΑΠΕ, τα οποία μπορούν να προσφέρουν ανταγωνιστικές τιμές και να συνάψουν διμερή συμβόλαια με καταναλωτές. Η σημαντική μείωση του κόστους επένδυσης σε τεχνολογίες ΑΠΕ τις καθιστά εξαιρετικά ανταγωνιστικές πηγές παραγωγής ηλεκτρισμού. Ωστόσο στη διαμόρφωση ενός χαρτοφυλακίου βασισμένου σε ΑΠΕ, είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός πόρου ευελιξίας, ο οποίος θα μπορεί να προσφέρει υπηρεσίες εξισορρόπησης και διαχείρισης της μεταβλητότητας και της αβεβαιότητας της παραγωγής των ΑΠΕ. Η μεγάλη μείωση του κόστους επένδυσης σε ΑΠΕ και η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρισμού από αυτές σε μικρή κλίμακα και με ανταγωνιστικές τιμές ανατρέπει και το παραδοσιακό επιχειρηματικό μοντέλο μεγάλων σε όγκο χαρτοφυλακίων παραγωγής ηλεκτρισμού. Η επίδραση των οικονομιών κλίμακας προσφέρει σημαντικά οφέλη στη μείωση του κόστους εξισορρόπησης και εφεδρειών ενός χαρτοφυλακίου βασισμένου σε ΑΠΕ, αλλά όχι στη μείωση του κόστους ενέργειας. Η σημασία των χονδρεμπορικών αγορών, οι οποίες προσφέρουν εξισορρόπησης και εφεδρείες, και η ανάγκη για τον επανασχεδιασμό των χονδρεμπορικών αγορών ηλεκτρισμού αναβαθμίζεται στο πλαίσιο της διείσδυσης των ΑΠΕ. Επίσης, η σημαντική αύξηση του σταθερού κόστους ενός χαρτοφυλακίου ηλεκτροπαραγωγής και η μείωση του μεταβλητού κόστους αντίστοιχα δημιουργεί την ανάγκη επαναπροσδιορισμού του τρόπου τιμολόγησης της ηλεκτρικής ενέργειας σε επίπεδο λιανικής πώλησης.