» Ο νικητής του βραβείου καλύτερης φοιτητικής εργασίας μιλά για το έργο του.
Η «διεσπαρμένη παραγωγή» και όχι το «παραδοσιακό μοντέλο της κεντρικής παραγωγής ενέργειας» θα εξασφαλίσει καλύτερη αποθήκευση ενέργειας από τις Ανανεώσιμες Πηγές, βελτιώνοντας την απόδοση τους. Αυτό λέει στα “Χ.ν.” ο Μιχάλης Δακανάλης υποψήφιος διδάκτορας της σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Κρήτης.
Ο Μ. Δακανάλης κέρδισε το βραβείο καλύτερης φοιτητικής εργασίας και παρουσίασης στο διεθνές συνέδριο 12th International Conference on Modern Circuits Technologies στην Αθήνα και μίλησε στα “Χ.ν.” για το περιεχόμενο της δουλειάς του.
• Μίλησε μας για την εργασία σου, εξήγησε μας πως λειτουργεί;
Καταρχάς, η εν λόγω εργασία υλοποιήθηκε στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος ePOWER της Δράσης ΕΡΕΥΝΩ – ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ – ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ και συγχρηματοδοτήθηκε από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης (ΕΤΠΑ) της Ευρωπαϊκής Ένωσης και εθνικούς πόρους μέσω του Ε.Π. Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα & Καινοτομία. Σκοπός του έργου ePOWER είναι η ανάπτυξη ενός Έξυπνου Οικιακού Ηλεκτρονικού Μετατροπέα Ισχύος πολλαπλών εισόδων που θα αποτελεί τη διεπαφή μονάδων αποθήκευσης ενέργειας μικρής κλίμακας, καθώς και μικρής ισχύος φωτοβολταϊκών συστοιχιών, με το ηλεκτρικό δίκτυο. Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, με απλά λόγια, είναι οι διατάξεις οι οποίες διαχειρίζονται την ισχύ από διάφορες πηγές μετατρέποντας την τάση και την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος κατάλληλα έτσι ώστε να είναι αξιοποιήσιμη στην εκάστοτε εφαρμογή. Ο μετατροπέας που προτείνουμε εμείς έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να εγκαθίσταται σε μία οικία υποστηρίζοντας την σύνδεση μίας φωτοβολταϊκής συστοιχίας, μίας συστοιχίας μπαταριών, ενός ηλεκτρικού οχήματος και μίας μονάδας υπερπυκνωτών. Για να μπορέσει ωστόσο η ισχύς αυτών των πηγών να είναι αξιοποιήσιμη για την τροφοδοσία της οικίας αλλά και του ηλεκτρικού δικτύου, ο μετατροπέας θα πρέπει να μεταβάλλει τα διαφορετικά επίπεδα συνεχής τάσης που λαμβάνει στις εισόδους του καθώς και να τα μετατρέψει σε εναλλασσόμενη τάση με συγκεκριμένο πλάτος και συχνότητα (Στην Ελλάδα έχουμε τάση 220V και συχνότητα 50 Hz). Ο συγκεκριμένος μετατροπέας μάλιστα υποστηρίζει τριφασική έξοδο που σημαίνει ότι συνδέεται σε τριφασική εγκατάσταση. Επιπλέον προτείνουμε μία διαφορετική σχεδίαση σε σχέση με τις κλασικές σχεδιάσεις που υπάρχουν στο εμπόριο για να μειώσουμε το κόστος των εξαρτημάτων και τις απώλειες ισχύος. Η συγκεκριμένη σχεδίαση μάλιστα δημοσιεύτηκε στις αρχές του μήνα σε έγκριτο επιστημονικό περιοδικό. Εκτός όμως από τον βασικό του ρόλο, ο εν λόγω μετατροπέας ισχύος έχει και κάποιες έξυπνες λειτουργίες οι οποίες σε μεγάλο βαθμό αποτέλεσαν και το αντικείμενο της βραβευθείσας εργασίας. Τέτοιου είδους λειτουργίες αφορούν κυρίως στην διαχείριση ενέργειας μεταξύ των πηγών με στόχο την μείωση του κόστους. Με απλά λόγια, ο στόχος του αλγορίθμου διαχείρισης ενέργειας, είναι να πουλήσει όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια στο δίκτυο τις περιόδους της ημέρας όπου η τιμή της κιλοβατώρας είναι υψηλή και να αγοράσει ενέργεια από το δίκτυο τις περιόδους που η τιμή της κιλοβατώρας είναι χαμηλή. Ωστόσο, υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τις αποφάσεις και δυσκολεύουν το έργο του αλγορίθμου, όπως η παραγωγή της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η κατανάλωση των οικιακών φορτίων, οι τεχνικοί περιορισμοί των μονάδων αποθήκευσης αλλά και η χρήση του ηλεκτρικού οχήματος. Σχετικά με το ηλεκτρικό όχημα συγκεκριμένα, ο χρήστης μπορεί να επιλέγει τις ώρες που θα απουσιάζει από την οικία καθώς και το επιθυμητό επίπεδο φόρτισης που θέλει κατά την αναχώρησή του. Επιπλέον έχει αναπτυχθεί ένα γραφικό περιβάλλον σε υπολογιστή, το οποίο επιτρέπει στον χρήση να συνδέεται μέσω Wi-Fi με τον μετατροπέα με στόχο την επίβλεψη της σωστής λειτουργίας του αλγορίθμου αλλά και την παραμετροποίησή του ανάλογα με τις ανάγκες του, τα χαρακτηριστικά της οικίας, αλλά και των μονάδων που θα συνδέσει πάνω στον μετατροπέα.
Παρόλο που δεν αναφέρεται στην βραβευθείσα εργασία, ο μετατροπέας υποστηρίζει επιπλέον και την σύνδεση μία συστοιχίας υπερπυκνωτών. Οι υπερπυκνωτές μπορούν να αποθηκεύουν και να απελευθερώνουν ηλεκτρική ενέργεια με παρόμοιο τρόπο με τους συμβατικούς πυκνωτές έχοντας όμως πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα και ενεργειακή πυκνότητα. Επιπλέον, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σχέση με τις συμβατικές μπαταρίες ενώ υποστηρίζουν πολύ ταχύτερη φόρτιση και εκφόρτιση με υψηλή απόδοση. Γι’ αυτό τον λόγο οι υπερπυκνωτές αποτελούν ιδανική λύση έτσι ώστε ο μετατροπέας να μπορεί να παρέχει υποστήριξη του δικτύου σε περίπτωση διαταραχής της συχνότητας, καθώς κάτι τέτοιο απαιτεί την μέγιστη δυνατή ποσότητα ισχύος σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα.
• Τι έφερε αυτή τη βράβευση;
Κατά την γνώμη μου, ο λόγος που επιλέχθηκε η συγκεκριμένη εργασία είναι γιατί προτείνει μία ολοκληρωμένη λύση ενός συστήματος διαχείρισης ενέργειας, τόσο σε επίπεδο κυκλώματος όσο και σε επίπεδο αλγορίθμου. Συνεισφέρει στην αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας επιτρέποντας στα νοικοκυριά να είναι εκτός από καταναλωτές και παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας. Η προσέγγιση αυτή είναι ζωτικής σημασίας για τη μείωση του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια είναι αρκετά υψηλό. Επίσης πολύ σημαντικό ρόλο για την βράβευση της εργασίας πιστεύω πως έπαιξε η παρουσίαση απτών πειραματικών αποτελεσμάτων της λειτουργίας του μετατροπέα που προτείνουμε, αποδεικνύοντας ότι το εν λόγω σύστημα δεν είναι απλά ένα θεωρητικό μοντέλο αλλά μία πρακτική εφαρμογή.
• Κατά πόσο η προτασή συμβάλλει στην αύξηση της αποδοτικότητας και στη μείωση του κόστους;
Ο αλγόριθμος που προτείνουμε, στην προσπάθεια του να μειώσει το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας έρχεται αντιμέτωπος με πάρα πολλούς περιορισμούς που πρέπει να ικανοποιήσει. Γι’ αυτό τον λόγο δεν είναι εύκολο να προσδιοριστεί μια τιμή που να καταδεικνύει το ακριβές ποσοστό μείωσης του κόστους. Ωστόσο με βάση κάποιες αναλύσεις που έχει κάνει στην μεταπτυχιακή του εργασία ένας από τους συν-συγγραφείς της βραβευθείσας εργασίας κ. Ιάσονας Καλαϊτζάκης, μπορούμε να αναφέρουμε πως για μία μέση περίπτωση λειτουργίας, ο αλγόριθμος πετυχαίνει σημαντική μείωση του κόστους, της τάξεως του 24%.
• Η εργασία σου ήταν προφανώς αποτέλεσμα μελέτης και έρευνας, από που έλαβες τη γνώση για να την εκπονήσεις;
Στο ερευνητικό πρόγραμμα το οποίο και τμήμα του αποτέλεσε η συγκεκριμένη εργασία, εργαζόμουν τα δύο πρώτα χρόνια με τους συν-συγγραφείς της εργασίας κ. Ιάσονα Καλαϊτζάκη και κ. Γιάννη Ροδίτη, ενώ παράλληλα κάναμε το μεταπτυχιακό μας πάνω στο συγκεκριμένο ερευνητικό αντικείμενο. Με βάση τις γνώσεις που είχαμε αποκτήσει σε προπτυχιακό επίπεδο από την σχολή ΗΜΜΥ του Πολυτεχνείου Κρήτης, σε συνδυασμό με την έρευνα που κάναμε για την εκπόνηση των μεταπτυχιακών μας εργασιών, αλλά και με την βοήθεια των επιβλεπόντων καθηγητών της σχολής μας κ. Κουτρούλη Ευτύχιο και κ. Φώτη Κανέλλο μπορέσαμε να βγάλουμε εις πέρας το έργο το οποίο αναλάβαμε. Τον τελευταίο χρόνο εγώ συνεχίζω να εργάζομαι πάνω στο συγκεκριμένο ερευνητικό ενώ παράλληλα έχω ξεκινήσει διδακτορικές σπουδές.
• Πότε εκτιμάς πως θα έχουμε πιο συγκεκριμένα αποτελέσματα που θα εξασφαλίσουν την αποθήκευση της ενέργειας;
Πράγματι η αποθήκευση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα είναι από τα σημαντικότερα ζητήματα που καλείται να επιλύσει η επιστημονική κοινότητα έτσι ώστε να μπορέσουμε να εκμεταλλευτούμε πλήρως την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Επειδή η παραγωγή ενέργειας από τις ΑΠΕ εξαρτάται από περιβαλλοντικούς παράγοντες (π.χ. ηλιακή ακτινοβολία και άνεμος) το πλεόνασμα ενέργειας που εμφανίζεται σε περιόδους μεγάλης παραγωγής, δεν αξιοποιείται. Γι’ αυτό τον λόγο χρησιμοποιούνται μονάδες αποθήκευσης έτσι ώστε να αποθηκεύουν αυτό το πλεόνασμα και να το διοχετεύουν στο δίκτυο σε περιόδους αυξημένης ζήτησης, όταν οι ΑΠΕ δεν μπορούν να ανταποκριθούν.
Ωστόσο, ενώ υπάρχουν αποτελεσματικές τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας, η εφαρμογή τους σε μεγάλη κλίμακα εξακολουθεί να έχει πολλούς περιορισμούς. Για αυτόν τον λόγο, παρατηρείται η αναγκαιότητα να αποχωρήσουμε από το παραδοσιακό μοντέλο της κεντρικής παραγωγής ενέργειας και να επικεντρωθούμε στη λεγόμενη διεσπαρμένη παραγωγή. Δηλαδή την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από πολλές μικρότερες εγκαταστάσεις. Με τη διεσπαρμένη παραγωγή, η ανάγκη για μεγάλα συστήματα αποθήκευσης μειώνεται. Κάθε μικρή μονάδα παραγωγής ΑΠΕ μπορεί να λειτουργεί σε συνδυασμό με μικρές μονάδες αποθήκευσης, καθιστώντας το σύστημα πιο ευέλικτο και οικονομικό. Για να υλοποιηθεί κάτι τέτοιο απαιτούνται συστήματα σαν αυτό που προτείναμε στην βραβευθείσα εργασία.
Τέλος πολύ σημαντικό ρόλο στην αποθήκευση ενέργειας αναμένεται να διαδραματίσουν και τα ηλεκτρικά οχήματα. Αν το σκεφτούμε, το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας τα αυτοκίνητα μας βρίσκονται σταθμευμένα. Στην περίπτωση που μιλάμε για ηλεκτρικά οχήματα, μπορεί το δίκτυο να τα χρησιμοποιεί σαν μία πολύ μεγάλη κατανεμημένη μονάδα αποθήκευσης ενέργειας. Τα σύγχρονα ηλεκτρικά οχήματα έχουν μπαταρίες με πολύ μεγάλη χωρητικότητα και μπορούν να παρέχουν και να απορροφήσουν πολύ μεγάλη ισχύ. Έτσι έχουν την δυνατότητα να στηρίξουν το ηλεκτρικό δίκτυο κατά περιόδους υψηλής ζήτησης και να βοηθήσουν στην αποτροπή περιστατικών διακοπής ηλεκτροδότησης διασφαλίζοντας την σταθερότητα του δικτύου. Μία τέτοια μελέτη έκανα στην διπλωματική μου εργασία σε προπτυχιακό επίπεδο. Επίσης, όπως προτείναμε και στην βραβευθείσα εργασία τα κάθε ηλεκτρικό όχημα μπορεί ξεχωριστά να χρησιμοποιηθεί σε επίπεδο οικίας, σαν μία μονάδα αποθήκευσης, λαμβάνοντας υπόψιν κάποιους επιπλέον περιορισμούς με βάση τις ανάγκες του χρήστη.
Συμπερασματικά, πιστεύω ότι η λύση στο πρόβλημα της αποθήκευσης ενέργειας από τις ΑΠΕ θα έρθει από την αξιοποίηση των ήδη υπαρχουσών μονάδων αποθήκευσης και των ηλεκτρικών οχημάτων και όχι από την προσπάθεια για κατασκευή μονάδων αποθήκευσης μεγαλύτερης κλίμακας. Αυτός είναι και ο λόγος που το δικό μου ερευνητικό ενδιαφέρον αλλά και το σύστημα που προτείνουμε, στοχεύει στην αξιοποίηση της παραγωγής σε τοπικό επίπεδο. Έτσι, αν σε επίπεδο έρευνας εστιάσουμε προς αυτή την κατεύθυνση πιστεύω θα έχουμε αποτελέσματα πιο σύντομα απ’ όσο περιμένουμε.
