Αποτελεσματικότητα των ήπιων μορφών ενέργειας στη χώρα μας και διεθνώς

1. Εισαγωγή

Η συζήτηση για την ενεργειακή στρατηγική της χώρας και τα απαραίτητα βήματα μετάβασης βρίσκεται με ένταση στο επίκεντρο και αντιτιθέμενες απόψεις και προτάσεις διατυπώνονται.

Η χώρα έχει αποδεχθεί τις πολιτικές μετάβασης σε καθαρές μορφές ενέργειας και τους ειδικούς στόχους για το 2030 και 2050 που έχουν συμφωνηθεί σε διεθνείς οργανισμούς. Αυτό κατά βάση δεν αμφισβητείται, αμφισβητείται όμως ο βηματισμός για την επίτευξη των στόχων.

Παράλληλα σε εξέλιξη βρίσκονται οι συζητήσεις για την αποτελεσματικότητα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της αιολικής και ηλιακής, με πολλούς να την αμφισβητούν και επομένως να θέτουν εν αμφιβόλω τις προαναφερόμενες πολιτικές και στόχους.

Αμφισβητείται επίσης η «καθαρότητα» των μορφών αυτών ενέργειας, αλλά αυτή είναι μια άλλη και μακρά συζήτηση και δεν αποτελεί μέρος του παρόντος σημειώματος. 

Εκείνο όμως που δεν μπορεί να αμφισβητηθεί είναι το γεγονός ότι οι ανανεώσιμες πηγές από μόνες τους δεν μπορούν να αποτελέσουν τη λύση στο ενεργειακό ισοζύγιο μιας οποιασδήποτε χώρας και μάλιστα χωρίς σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Ο άνεμος και ο ήλιος δεν παραγγέλλονται και δεν ελέγχονται ώστε η παραγωγή ενέργειας από αυτούς να συμβαδίζει με τη ζήτηση. Και οι δυο πηγές και ιδιαιτέρως ο άνεμος είναι στοχαστικά φαινόμενα και αδυνατούν να «προσαρμοστούν» στη ζήτηση και να σταθεροποιήσουν το ενεργειακό σύστημα παρέχοντας σταθερή συχνότητα και τάση που είναι αναγκαία στοιχεία ενός αποτελεσματικού δικτύου.

Ως εκ τούτου η διείσδυση τους στο δίκτυο δεν μπορεί να είναι απεριόριστη. Χρειάζονται μονάδες βάσης, χρειάζονται μονάδες γρήγορης απόκρισης που να ελέγχουν την ισχύ του δικτύου σε κάθε στιγμή ώστε να αποκρίνεται στη ζήτηση που επίσης είναι μεταβαλλόμενη και απρόβλεπτη σε μεγάλο βαθμό.

Η λειτουργία των σταθμών βάσης με τρόπο που να σταθεροποιούν το σύστημα δημιουργεί ένα κόστος δεδομένου ότι οι μονάδες αυτές εξαναγκάζονται να λειτουργούν  σε σημεία λειτουργίας μακριά από το βέλτιστο ή να λειτουργούν εν αναμονή ώστε να είναι έτοιμες να παρέμβουν στη σταθεροποίηση του δικτύου. Το κόστος αυτό θα πρέπει να συνυπολογισθεί στο κόστος της ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές για να έχουμε μια καθαρή εικόνα τουλάχιστον τι μας κοστίζουν.

Τα προαναφερόμενα δεν αφορούν μόνο τη χώρα μας, ισχύουν γενικώς και καθορίζουν την αποτελεσματικότητα των ήπιων μορφών ενέργειας διεθνώς.

Ανακύπτει όμως ένα θέμα αποτελεσματικότητας του Ελληνικού συστήματος των ΑΠΕ και ιδιαίτερα της αιολικής και ηλιακής ενέργειας σε σύγκριση με άλλες χώρες και άλλα αντίστοιχα συστήματα.

Στο σημείωμα αυτό θα επιχειρηθεί μια τέτοια σύγκριση με βάση αξιολόγησης τον συντελεστή αποτελεσματικότητας, όπως μεταφράζουμε εδώ τον όρο capacity factor. Δεν επιχειρείται μια ανάλυση σε βάθος, αλλά η παρουσίαση των δεδομένων και συγκρίσεις με άλλες χώρες και άλλα αντίστοιχα συστήματα.

2. Συντελεστές αποτελεσματικότητας (Capacity factors) εν γένει

Σε μια εγκατάσταση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Ρ MW η θεωρητική παραγωγική της δυνατότητα ανέρχεται σε Ρx8760 MWh ετησίως, όπου 8760 είναι οι ώρες ανά έτος. Αντίστοιχα σε μηνιαία βάση η θεωρητική ικανότητα παραγωγής ενέργειας θα είναι Ρx30x24 MWh.

Καμία μονάδα, οποιασδήποτε φύσης, περιλαμβανομένων των πυρηνικών δεν μπορεί να φθάσει το θεωρητικό αυτό επίπεδο, δεδομένων καθυστερήσεων, διακοπών λόγω συντήρησης, αποκατάστασης ζημιών, βέλτιστου βαθμού απόδοσης που συνήθως δεν βρίσκεται στη μέγιστη ισχύ, αλλά χαμηλότερα, αλλά και ζητήματα του δικτύου στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μονάδα.

Ο λόγος της πραγματικά παραγόμενης ενέργειας στη διάρκεια μιας περιόδου (μήνας, έτος κλπ) προς τη θεωρητικά δυνάμενη να παραχθεί ενέργεια, όπως επεξηγήθηκε προηγούμενα, προσδιορίζει τον συντελεστή αποτελεσματικότητας της μονάδας – σ.α. (capacity factor- cf).

Με αυτούς τους ορισμούς μια πυρηνική εγκατάσταση μπορεί να έχει cf που υπερβαίνει το 0.9, ενώ μια μονάδα με βάση το ΦΑ στην τάξη του 0.8. 

Να σημειώσουμε ότι οι συντελεστές αυτοί επιτυγχάνονται όταν λειτουργούν ως μονάδες βάσης και στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας τους. Όταν όμως λειτουργούν ως περιστρεφόμενη εφεδρεία (spinning reserve), σε μερικό φορτίο, με συντελεστή απόδοσης χαμηλότερο του βέλτιστου, αυξάνεται το κόστος ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας.

Είναι αυτό το πρόσθετο κόστος για το οποίο μιλήσαμε προηγούμενα και το οποίο κανονικά θα πρέπει να επιβαρύνει τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αλλά μέσω διαφόρων μηχανισμών μετακυλίεται στον καταναλωτή.

Στις ανανεώσιμες πηγές, όμως, για να επιτευχθεί συντελεστής αποτελεσματικότητας που να προσεγγίζει τη μονάδα, για μια αιολική εγκατάσταση και ανάλογα και με τον σχεδιασμό της ανεμογεννήτριας (Α/Γ), θα έπρεπε να φυσάει άνεμος με ταχύτητες από 15 έως 25 m/sec συνεχώς για όλη τη διάρκεια του έτους  ή σε μια Φ/Β εγκατάσταση να μεσουρανεί ο ήλιος επίσης συνεχώς, ημέρα και νύχτα.

Έτσι σε μια αιολική εγκατάσταση μια τυπική τιμή του cf είναι στην περιοχή του 0.3- 0.45 εξαρτώμενη και από το αιολικό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης και για μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μεταξύ 0.1 και 0.35, εξαρτώμενη επίσης και από το ηλιακό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης 

Ο πραγματικός συντελεστής αποτελεσματικότητας όμως δεν εξαρτάται μόνο από το διαθέσιμο αιολικό ή ηλιακό δυναμικό ή και από την ποιότητα της εγκατάστασης. 

Σε ένα δίκτυο με χαμηλή ευστάθεια ή και μέσα ελέγχου της ευστάθειας του, σε περιπτώσεις υψηλής παραγωγής, αναντίστοιχα με τη ζήτηση και που η προσαρμογή στη ζήτηση δεν μπορεί να γίνει με τις μονάδες βάσης πρώτης ή και δεύτερης εφεδρείας, μια αιολική μονάδα θα βγει εκτός σύνδεσης από το δίκτυο και η ενέργεια που παράγει θα απορριφθεί (curtailment). 

Αντίθετα για να ξαναμπεί η αιολική μονάδα στο δίκτυο απαιτείται να απορροφήσει ενέργεια από το δίκτυο για να ενεργοποιηθούν τα κυκλώματα της και να συντονισθεί με τη συχνότητα του δικτύου.

Πιο προβλέψιμη και λιγότερο επιρρεπής σε απόρριψη είναι η ηλιακή ενέργεια. 

Τόσο η απόρριψη ενέργειας, όσο και η απορρόφηση ενέργειας επανασύνδεσης συνιστούν απώλειες που μειώνουν τον συντελεστή αποτελεσματικότητας της μονάδας. 

Συνοψίζοντας, ο σ.α. για τα αιολικά συστήματα εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες:

• Από το αιολικό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης της μονάδας, όπως μπορεί να εκφραστεί από τη μέση ταχύτητα ανέμου
• Από την ποιότητα της εγκατάστασης, όπως μπορεί να εκφραστεί από τον συντελεστή απωλειών
• Από το δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένη και το ποσοστό απορριπτόμενης ενέργειας

Αντίστοιχα, για τα ηλιακά συστήματα, εξαρτάται από το ηλιακό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης, όπως εκφράζεται από την ηλιακή ακτινοβολία της περιοχής σε KWh/m2.έτος και φυσικά από την ποιότητα της εγκατάστασης και το δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένη.

Με αυτές τις διευκρινήσεις ο σ.α. μιας αιολικής ή Φ/Β μονάδας δεν μετριέται στιγμιαία, αλλά σε περιοδική βάση (ημερήσια, μηνιαία, ετήσια) και με βάση πραγματικά δεδομένα ήτοι πόσες πραγματικές kWh απέδωσε στο δίκτυο διαιρούμενες με πόσες θεωρητικές θα μπορούσε να παράγει με βάση την εγκατεστημένη ισχύ (ισχύς x 8760).

Το ίδιο ισχύει και για το εθνικό δίκτυο. Η εγκατεστημένη ισχύς προσδιορίζει τη θεωρητική ικανότητα παραγωγής για κάθε κατηγορία ανανεώσιμων πηγών, ενώ η καταγεγραμμένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας την πραγματική και ο λόγος της πραγματικής προς τη θεωρητική τον συντελεστή αποτελεσματικότητας.

Σε εθνικό επίπεδο ο σ.α. εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την γεωγραφική διασπορά των επί μέρους μονάδων δεδομένου ότι τόσο το αιολικό, όσο και το ηλιακό δυναμικό δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα. 

Θα πρέπει, επιπροσθέτως για τη χώρα μας, να τονίσουμε τη διάκριση μεταξύ διασυνδεδεμένου και μη διασυνδεδεμένου (νησιωτικού) δικτύου δεδομένου ότι το δεύτερο είναι ασθενές δίκτυο και αναμένεται η διείσδυση και η αποτελεσματικότητα των ΑΠΕ να είναι μικρότερη, οπότε και η διερεύνηση μας θα περιορισθεί κυρίως στο διασυνδεδεμένο (ηπειρωτικό) δίκτυο.

3. Στοιχεία αποδοτικότητας σε άλλες χώρες

Στους ακόλουθους πίνακες δίδονται στοιχεία από συστήματα αιολικής και Φ/Β παραγωγής σε χώρες κλειδιά.

Ο πίνακας 1 παρουσιάζει τις αποδόσεις του  συστήματος αιολικής ενέργειας υπεράκτιων εγκαταστάσεων της Δανίας, όπου ο σ.α. υπερβαίνει το 41%. Οι αποδόσεις αυτές είναι πολύ υψηλές, αλλά είναι γνωστό ότι στο θαλάσσιο περιβάλλον οι αιολικές εγκαταστάσεις είναι πιο αποδοτικές και ως εκ τούτου, το υπεράκτιο αιολικό  σύστημα της Δανίας δεν θα χρησιμοποιηθεί για συγκρίσεις. 

Ο πίνακας 2 δίδει τις αντίστοιχες αποδόσεις του Βρετανικού συστήματος από όπου φαίνεται ότι η μέση απόδοση ξεπερνά το 38%.

Το ίδιο συμβαίνει και στη Γερμανία, όπως προκύπτει από τον πίνακα 3 που ακολουθεί, ενώ ο πίνακας 4 δίδει στοιχεία από διαφορετικές κατηγορίες ΑΠΕ στις ΗΠΑ.

Πίνακας 1: Αποδόσεις του συστήματος υπεράκτιων εγκαταστάσεων της Δανίας*

*Στοιχεία από το https://energynumbers.info

Πίνακας 2: Αποδόσεις του συστήματος Αιολικών εγκαταστάσεων στη Μεγάλη Βρετανία*

*Στοιχεία από το https://energynumbers.info

Πίνακας 3: Αποδόσεις του συστήματος Αιολικών εγκαταστάσεων στη Γερμανία*

*Στοιχεία από το https://energynumbers.info

Πίνακας 4: Στοιχεία ενεργειακού συστήματος ΑΠΕ από USA*

*Στοιχεία από: US Energy Information Administration (EIA)

Στα επόμενα παρουσιάζονται στοιχεία του Ελληνικού συστήματος και θα επιχειρηθούν κάποιες πρώτες συγκρίσεις.

4. Συντελεστές αποδοτικότητας στο διασυνδεδεμένο ελληνικό δίκτυο

Με βάση τα στοιχεία του ΛΑΓΗΕ ο πίνακας 5 δίδει την εξέλιξη της εγκατεστημένης ισχύος για κάθε μήνα του έτους και στο σύνολο του έτους, καθώς και την ενέργεια που παρήχθη την αντίστοιχη περίοδο. Τα στοιχεία δίδονται για την αιολική, την ηλιακή και τους μικρούς ΥΗΣ.

Πίνακας 5: Στοιχεία εγκατεστημένης ισχύος και πραγματικής παραγωγής ενέργειας για διάφορες κατηγορίες ΑΠΕ το έτος 2018 (Διασυνδεδεμένο σύστημα)

Με βάση τα στοιχεία αυτά κατασκευάζεται ο πίνακας 6 όπου γίνεται ο υπολογισμός του συντελεστή αποτελεσματικότητας (capacity factor)  μηνιαία και στο σύνολο για το έτος 2018, για το διασυνδεδεμένο σύστημα της χώρας.

Πίνακας 6: Συντελεστής αποτελεσματικότητας (capacity factor)

Με βάση τον πίνακα 6 για το διασυνδεδεμένο σύστημα ο μέσος συντελεστής αποτελεσματικότητας  για την αιολική ενέργεια ανέρχεται σε 26.4% (0.264), ενώ για τα Φ/Β σε 16.6% (0.166).

Αντίστοιχη είναι η εικόνα και για άλλες χρονικές περιόδους. 

Επιπρόσθετα, ο πίνακας 7 περιλαμβάνει τα στοιχεία σχεδιασμού του νέου ΕΣΕΚ και δίδει τη συνολικά εγκατεστημένη ισχύ ανά κατηγορία ΑΠΕ με έτος βάσης  το 2020 και την εξέλιξη της μέχρι το 2030.

Στον πίνακα γίνεται επίσης υπολογισμός του cf για το έτος βάσης και για τα έτη μέχρι το 2030 (ο υπολογισμός από τον γράφοντα).

Πίνακας 7: Στοιχεία νέου ΕΣΕΚ για τις ΑΠΕ στη χώρα μας και υπολογισμός του cf*

*Στοιχεία από νέο ΕΣΕΚ και υπολογισμός cf δικός μου

Με βάση τα στοιχεία που παρατέθηκαν θα επιχειρηθούν ορισμένες συγκρίσεις για την αιολική και την ηλιακή ενέργεια.

4.1 Αιολική ενέργεια

Από τον πίνακα 3 που δίδει τις αποδόσεις του Γερμανικού συστήματος και του πίνακα 6 του ελληνικού η σύγκριση είναι ενδεικτική. Περίπου 38% για το Γερμανικό και 27% για το Ελληνικό σύστημα.

Σε σύγκριση για παράδειγμα με τη Γερμανία  1 MW εγκατεστημένης ισχύος στην Γερμανία θα αποδώσει ετησίως 3.36 GWh, ενώ 1 MW στην Ελλάδα μόλις 2.31 GWh. 

Αντίστροφα, για την ίδια απόδοση ενέργειας για κάθε 1 MW στην Γερμανία, στην Ελλάδα πρέπει να εγκατασταθούν 1.45 MW.

Ίδια εικόνα δίδεται και για το σύστημα των ΗΠΑ, ενώ καμία σύγκριση δεν μπορεί να γίνει με το σύστημα της Δανίας με τις πολύ υψηλές αποδόσεις.

Ποιες είναι όμως οι παράμετροι που καθορίζουν τον συντελεστή αποδοτικότητας;

• Το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής (χώρας), όπως μπορεί να εκφραστεί με τη μέση ταχύτητα ανέμου σε ετήσια βάση
• Ο συντελεστής απόδοσης (efficiency factor) που εκφράζει το ποσοστό της αιολικής ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική και είναι συνάρτηση του σχεδιασμού της Α/Γ
• Τον συντελεστή απωλειών στα κυκλώματα των Α/Γ και συνολικά της εγκατάστασης
• Την ποιότητα του δικτύου και την ικανότητα απορρόφησης της παραγόμενης ενέργειας ή αντίστοιχα το ποσοστό απορριπτόμενης ενέργειας (curtailment factor).

Συγκρίσεις του αιολικού δυναμικού της Γερμανίας με την Ελλάδα, όπως προκύπτει από τον χάρτη του σχήματος 1 μπορεί ως ένα βαθμό να δικαιολογήσει την μεγάλη διαφορά του cf  στις δυο χώρες, δεδομένου ότι η μέση ταχύτητα ανέμου είναι πολύ μεγαλύτερη σε σύγκριση με την Ελλάδα.

Μια πιθανή αιτία των χαμηλών αποδόσεων του Ελληνικού συστήματος είναι η γεωγραφική διασπορά των εγκατεστημένων μονάδων που δεν αξιοποιεί πλήρως την κατανομή του αιολικού δυναμικού της χώρας. Η διασύνδεση των νησιών του Αιγαίου, όπου και καταγράφεται υψηλό δυναμικό ενδέχεται να βελτιώσει την εικόνα.

Μια άλλη πιθανή αιτία μπορεί να βρίσκεται στην κατάσταση του δικτύου και στην ικανότητα του να απορροφήσει την παραγόμενη ενέργεια. Στοιχεία απορριπτόμενης ενέργειας αναζητήθηκαν αλλά δεν κατέστη δυνατόν να βρεθούν.

Απαιτείται μια συστηματική διερεύνηση, γεγονός πάντως είναι ότι η αποτελεσματικότητα του Ελληνικού συστήματος αιολικής ενέργειας είναι χαμηλή. 

Με αναφορά στον πίνακα 7 φαίνεται ότι το νέο ΕΣΕΚ ξεκινά με cf=23% που είναι μικρός σε σύγκριση με τα πραγματικά δεδομένα αλλά μπορεί να δικαιολογηθεί γιατί τα στοιχεία αυτού του πίνακα αναφέρονται σε ολόκληρη τη χώρα και όχι μόνο στο διασυνδεδεμένο δίκτυο. Για τα επόμενα χρόνια προβλέπει μια μικρή βελτίωση στο 28% το έτος 2030 που δεν είναι σημαντική για να προσεγγίσει συστήματα άλλων χωρών. 

Σε κάθε περίπτωση όμως το ΕΣΕΚ δεν αναφέρει αιτίες χαμηλού cf και μέτρα βελτίωσης. Ιδιαίτερη σημασία θα έχει η διερεύνηση των παραμέτρων που προαναφέρθηκαν, άλλων εκτός του αιολικού δυναμικού που θα αποκαλύψει αδυναμίες των εγκαταστάσεων που γίνονται στη χώρα μας, αλλά και αδυναμίες του δικτύου που πρέπει να βελτιωθούν πριν μπουν, ή για να μπουν εφικτοί και αποτελεσματικοί στόχοι.

Σχήμα 1: Ευρωπαϊκός χάρτης αιολικού δυναμικού

4.2 Φωτοβολταϊκά

Και στην περίπτωση αυτή ο cf εξαρτάται από τις ακόλουθες παραμέτρους:

• Το ηλιακό δυναμικό μιας περιοχής (χώρας)
• Τον συντελεστή απωλειών
• Την κατάσταση του δικτύου

Ακριβής σύγκριση μεταξύ διαφορετικών περιοχών ή χωρών θα πρέπει να λάβει υπόψη την μέση ηλιακή ακτινοβολία των περιοχών υπό σύγκριση (σχήμα 2).

Σχήμα 2: Ευρωπαϊκός χάρτης ηλιακού δυναμικού 

Από τον πίνακα 3 προκύπτει ότι ο cf στα φωτοβολταϊκά στη χώρα μας είναι της τάξης του 16.7 %. Ο συντελεστής αυτός είναι υψηλός σε σχέση με τη  Γερμανία που είναι στην τάξη του 11%, είναι μικρός όμως σε σχέση με τις περισσότερες πολιτείες των ΗΠΑ, όπως φαίνεται από τον πίνακα 8.

Ο πίνακας 8 δίδει στοιχεία των αποδόσεων Φ/Β εγκαταστάσεων σε διάφορες πολιτείες των ΗΠΑ. Από τον πίνακα φαίνεται   εγκαταστάσεις σε πολιτείες με χαμηλό cf, όμοιο με τον Ελληνικό, συνίστανται σε μονάδες μικρής ισχύος, ενώ η βασική ισχύς κατανέμεται σε περιοχές (Πολιτείες) με παρατηρούμενη μεγάλη ηλιακή ακτινοβολία.  

Από τον πίνακα 7 προκύπτει ότι ο σχεδιασμός του νέου ΕΣΕΚ γίνεται με cf= 0.18 (18%) ο οποίος παραμένει σταθερός σε όλη τη διάρκεια του σχεδιασμού. Ενδέχεται ο υψηλότερος συντελεστής να οφείλεται στο γεγονός ότι ο πίνακας 7 αναφέρεται σε ολόκληρη τη χώρα και όχι μόνο στο διασυνδεμένο δίκτυο.

Γεγονός όμως είναι ότι ο cf παραμένει σταθερός σε όλη τη διάρκεια υλοποίησης του προγράμματος μέχρι το 2030. Σημαίνει αυτό ότι δεν υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης;

Πίνακας 8: Αποδόσεις του ηλιακού συστήματος των ΗΠΑ

Σκοπός του παρόντος σημειώματος δεν ήταν να αναλύσει σε βάθος και σε έκταση το ζήτημα της αποτελεσματικότητας του συστήματος των ΑΠΕ στη χώρα μας, αλλά να παραθέσει τα στοιχεία και ή δυνατόν να αναδείξει το θέμα και να προκαλέσει την αναγκαία συζήτηση και διερεύνηση του ζητήματος από τους αρμόδιους φορείς και την πολιτική ηγεσία.

Είναι όμως σαφές ότι όταν τίθεται σε εφαρμογή ένα τόσο εκτεταμένο πρόγραμμα διείσδυσης των ΑΠΕ στη χώρα μας, όταν το πρόγραμμα αυτό προβλέπει τεράστιες επενδύσεις στον τομέα, το ζήτημα της αποτελεσματικότητας τους δεν μπορεί να παραβλέπεται.

- Δρ. Α. Δασκαλάκης, Θαλάσσια Ενεργειακά Συστήματα ΑΕ