Πρόγνωση παραγωγής αιολικής ενέργειας
Authors: Κολοκυθάς Κωνσταντίνος 
Published: February 2022

Η σύνθεση του δικτύου παραγωγής ενέργειας σε Ευρωπαϊκό επίπεδο βρίσκεται τα τελευταία χρόνια υπό την επίδραση διαρκών αλλαγών, καθώς οι καινούργιες τεχνολογίες παραγωγής από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν πλέον το μεγαλύτερο μερίδιο των νέων μονάδων παραγωγής. Στον τομέα αυτό των ανανεώσιμων πηγών, η αιολική ενέργεια, η ενέργεια δηλαδή που πηγάζει από τη ροή του αέρα, είναι κατά πολύ η πιο δυναμικά αναπτυσσόμενη, ακολουθούμενη από την ηλιακή. Αυτή η τάση, μεταξύ άλλων, γίνεται πιο έντονη από την δυνατότητα που παρέχει η χρήση του ανέμου για παραγωγή ενέργειας, προς την κατεύθυνση της επίτευξης των στόχων μείωσης των εκπομπών αερίων ρύπων, από τα υψηλά επίπεδα τεχνογνωσίας και τεχνολογίας στον τομέα αυτό, από την μεγαλύτερη κατανομή πηγών αιολικού δυναμικού καθώς και το μειωμένο κόστος παραγωγής ενέργειας. Η αιολική ενέργεια από τη φύση της είναι ασυνεχής, καθώς η πρωταρχική πηγή ενέργειας δεν μπορεί να ελεγχθεί και καθοριστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις μας. Αντιθέτως, το προφίλ της ακολουθεί μία στοχαστική κατανομή, εξαρτώμενο από την πηγή του ανέμου καθώς και την τεχνολογία κατασκευής της κάθε ανεμογεννήτριας. Επιπλέον, οι ανεμογεννήτριες δεν εγκαθίστανται εκεί όπου υπάρχει η ζήτηση για ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά εκεί όπου απαντώνται οι καλύτερες δυνατές συνθήκες για την παραγωγή αυτού του είδους ενέργειας. Τα χαρακτηριστικά αυτά της αιολικής ενέργειας κάνουν την ενσωμάτωσή της στο υπάρχον δίκτυο παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας αρκετά δύσκολη, ιδιαίτερα όταν εξετάζονται τα θέματα της ισορροπίας παραγωγής της, της σταθερότητας της τάσης του ηλεκτρικού ρεύματος όπως επίσης και των περιορισμών του δικτύου διανομής αυτής. Έτσι η αιολική ενέργεια συνθέτει μια ιδιαίτερη πρόκληση όχι μόνο για το περίπλοκο Ευρωπαϊκό δίκτυο διασύνδεσης αλλά και για το, πολύ μικρότερης κλίμακας, Ελληνικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, στο οποίο οι μονάδες εκμετάλλευσης αιολικής ενέργειας βρίσκονται σε πλήρη ανάπτυξη. Μεγάλο μέρος των προσπαθειών της επιστημονικής κοινότητας έχει αφιερωθεί στην πρόγνωση της αιολικής ενέργειας, είτε απευθείας είτε μέσω της πρόγνωσης του ανέμου, με βασικό στόχο την αύξηση της αξιοπιστίας τους διαμέσου της βελτίωσης απόδοσης των προτεινόμενων μεθόδων. Επιπρόσθετα, αν και συχνά το εύρος τιμών ή τα όρια των μεταβλητών του ανέμου (ταχύτητα ή διεύθυνση) αποτελούν το βασικό ενδιαφέρον, υπάρχουν περιπτώσεις όπου η γνώση της πιθανότητας εμφάνιση ακραίων τιμών αυτών είναι περισσότερο σημαντική. Σε τέτοιου είδους καταστάσεις που συνδυάζονται και με την ανάλυση κόστους (όπως στην περίπτωση των αιολικών πάρκων), η πρόγνωση εμφάνισης τέτοιων τιμών είναι πολύτιμη. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συνεισφορά στην βελτίωση εκτίμησης των παραμέτρων που επηρεάζουν την παραγωγή της αιολικής ενέργειας, μέσω της ανάπτυξης συγκεκριμένων μεθοδολογιών μελέτης και ανάλυσης πραγματικών δεδομένων, προερχόμενα από εν λειτουργία συστήματα παραγωγής αιολικής ενέργειας. Βασική ιδέα αποτελεί η διαχείριση και επεξεργασία των διαθέσιμων δεδομένων με τέτοιο τρόπο ώστε, η πληροφορία που εμπεριέχεται σε αυτά να χρησιμοποιηθεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Στόχος αρχικά είναι η κατανόηση της συμπεριφοράς του ανέμου σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία με τη βοήθεια διαθέσιμων δεδομένων ανέμου από την ίδια θέση και από γειτονικές περιοχές, καθώς και η συμπλήρωση των υπό εξέταση χρονοσειρών ανέμου. Η πρόγνωση της ταχύτητας ανέμου στο ύψος της ανεμογεννήτριας, καθώς και της παραγόμενης αιολικής ενέργειας αποτελεί το επόμενο θέμα που εξετάζεται. Τέλος μελετάται η σχέση μεταξύ έντονων καιρικών φαινομένων, όπως είναι οι καταιγίδες συνοδευόμενες από ηλεκτρική δραστηριότητα, και των απότομων αυξομειώσεων-ριπών στην ταχύτητα του ανέμου, στο ύψος των ανεμογεννητριών, καθώς και η δυνατότητα πρόγνωσης εκδήλωσής τους για το επόμενο χρονικό διάστημα. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων αποκάλυψε ότι η χρήση των τεχνιτών νευρωνικών δικτύων (ΤΝΔ) εμφανίζει την καλύτερη συμπεριφορά τόσο κατά την προσομοίωση της ταχύτητας του ανέμου και της εκτίμησής της σε ένα επιλεγμένο σημείο-στόχο, με τη χρήση χρονοσειρών αναφοράς από γειτονικές θέσεις, όσο και την πρόγνωση νέων τιμών. Σημαντικό στοιχείο στην ανάπτυξη των συγκεκριμένων προτύπων αποτελεί η κατάλληλη επιλογή του διανύσματος εισόδου, με την εφαρμογή της μεθόδου K-fold cross-validation σε συνδυασμό με τις συναρτήσεις αλληλο-συσχέτισης (Auto-Correlation Function, ACF) και μερικής αλληλο-συσχέτισης (Partial Auto-Correlation Function, PACF) των υπό εξέταση χρονοσειρών να οδηγούν σε σημαντική μείωση του αριθμού των δεδομένων καθώς και του αντίστοιχου χρόνου επεξεργασίας τους. Επιπλέον, οι προγνωστικές τιμές της ταχύτητας ανέμου εμφανίζουν περαιτέρω βελτίωση όταν χρησιμοποιούνται όχι μόνο δεκάλεπτες χρονοσειρές ταχύτητας ανέμου αλλά και της διεύθυνσής του, γεγονός που αξιολογείται με την εφαρμογή της μεθόδου σε τρεις διαφορετικές τοποθεσίες του ελλαδικού χώρου. Αναφορικά με τη πρόγνωση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, κρίσιμη παράμετρος αποδεικνύεται η χρησιμοποίηση της καμπύλης ιδανικής ισχύος της ανεμογεννήτριας η οποία σε συνδυασμό με τις προγνωστικές τιμές ταχύτητας ανέμου οδηγεί σε εκτιμήσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ακόμα μεγαλύτερης ακρίβειας. Τέλος, η ανάλυση της κατανομής των περιπτώσεων ριπών ανέμου σε σχέση με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις που παρατηρήθηκαν στην περιοχή μελέτης κατά το ίδιο χρονικό διάστημα παρουσιάζει παρόμοια εποχιακή αλλά και ημερήσια διακύμανση, με το 65% των παρατηρούμενων ριπών να σχετίζεται έμμεσα ή άμεσα με την ύπαρξη καταιγιδοφόρων νεφών συνοδευόμενα από ηλεκτρική δραστηριότητα. Από την άλλη, η πρόγνωση εμφάνισης των συγκεκριμένων συμβάντων για την επόμενη ώρα προσέγγισε ικανοποιητικά την πραγματική εικόνα, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα σχετικά έγκαιρης προειδοποίησης εκδήλωσης τέτοιου είδους φαινομένων στους λειτουργούς εγκαταστάσεων αιολικών πάρκων παρέχοντας τους μια πληροφορία ζωτικής σημασίας.