Έξυπνη Ενέργεια και Συστήματα Έξυπνης Ενέργειας

Τα τελευταία χρόνια οι όροι «Έξυπνη ενέργεια» και «Συστήματα έξυπνης ενέργειας» έχουν χρησιμοποιηθεί για να εκφράσουν μία ευρύτερη προσέγγιση από τον όρο «Έξυπνο δίκτυο». Ενώ τα Έξυπνα Δίκτυα αναφέρονται κυρίως στην ηλεκτρική ενέργεια, τα Συστήματα Έξυπνης Ενέργειας έχουν μία γενική θεώρηση, συμπεριλαμβάνουν περισσότερες μορφές ενέργειας και εφαρμογές (ηλεκτρισμός, θέρμανση, ψύξη, βιομηχανία, κτίρια, μεταφορά, κλπ. ) και επιδιώκουν την επίτευξη αποδοτικότερων λύσεων.

Αρκετοί νέοι όροι και έννοιες έχουν προκύψει για την περιγραφή νέων εφαρμογών και τρόπων σχεδίασης των συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως π.χ. το Έξυπνο Δίκτυο, το Κτίριο Μηδενικής Κατανάλωσης Ενέργειας και η Αποθήκευση Υδρογόνου. Όλοι αυτοί οι όροι χρησιμοποιούνται και εφαρμόζονται εντός των ορίων της κάθε μίας μορφής ενέργειας και της κάθε κατηγορίας χρήσης της.

Ο όρος Έξυπνη Ενέργεια ή Έξυπνα Συστήματα Ενέργειας προέκυψε και χρησιμοποιήθηκε με σκοπό να προσφέρει τη βάση και ένα σημείο αναφοράς εκτός των ορίων της κάθε μίας μορφής ενέργειας, σε μία συνολική και ενιαία αντιμετώπιση στο πώς να σχεδιαστούν και να επιτευχθούν πιο επιτυχημένες και οικονομικότερες λύσεις στην εφαρμογή ενιαίων συστημάτων ενέργειας.

Σύμφωνα με έρευνα, μία αρχική εμφάνιση του όρου Έξυπνη Ενέργεια ή Συστήματα Έξυπνης Ενέργειας έγινε το 2009. Μέχρι το 2013 γίνεται περιορισμένη χρήση αυτού στη σχετική επιστημονική και τεχνική βιβλιογραφία, το 2014 ο όρος καθορίστηκε σαφέστερα κι από κει και πέρα υπάρχει αύξηση και ευρεία χρήση του.

Τεχνολογίες αιχμής στις διάφορες μορφές και τομείς χρήσης της ενέργειας.

1. Τεχνολογία αιχμής στον ηλεκτρισμό - Έξυπνα Δίκτυα.

Τα τελευταία χρόνια, η έννοια Έξυπνο Δίκτυο έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 2005 από τους Amin και Wollenberg στην εργασία τους "Προς ένα έξυπνο δίκτυο" [1]. Το άρθρο περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο τα βασικά στοιχεία και οι αρχές λειτουργίας των διασυνδεδεμένων συστημάτων ισχύος δημιουργήθηκαν πολύ πριν από τις λύσεις που προέκυψαν από τις τεχνολογίες της πληροφορικής. Σήμερα, η χρήση των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου και πληροφορικής γίνεται σε όλο το εύρος του τομέα της ενέργειας, αλλά δεν αξιοποιείται πλήρως το δυναμικό τους. Οι Amin και Wollenberg δεν συμπεριέλαβαν έναν επίσημο ορισμό του Έξυπνου Δικτύου, αλλά από την εργασία γίνεται σαφές ότι ένα έξυπνο δίκτυο είναι ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιεί σύγχρονη τεχνολογία πληροφορικής και επικοινωνίας το οποίο μπορεί να διαχειριστεί καλύτερα τις απαιτήσεις των καταναλώσεων και των πηγών του συνόλου των μορφών ενέργειας.

Αργότερα, ο προβληματισμός σχετικά με την ανάγκη αλλαγών στις μελλοντικές υποδομές ενέργειας συνδέθηκε συχνά με την έννοια του «Έξυπνου Δικτύου» σε μεγάλο αριθμό συγγραμμάτων και εργασιών. Πολλοί από τους συγγραφείς υποστηρίζουν την ανάγκη για ένα έξυπνα δίκτυα προκειμένου να διευκολυνθεί η καλύτερη ενσωμάτωση των διακυμάνσεων των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας [6]. Πολλές εργασίες Έξυπνων Δικτύων επικεντρώνονται στον καταναλωτή και στον τρόπο εμπλοκής του στην ενεργό διαχείριση του ισοζυγίου ισχύος καθώς και με την παροχή οικονομικών κινήτρων για τη λειτουργία του πλήθους των νέων απαιτήσεων, συμπεριλαμβανομένης της ανάπτυξης και του σχεδιασμού κατάλληλων συστημάτων πληροφοριών και επικοινωνιών στις αντλίες θερμότητας και στα ηλεκτρικά οχήματα [8,9].

Υπάρχουν τέσσερις πρόσφατοι ορισμοί στην αναφ. [3] για τα Έξυπνα Δίκτυα (από το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών, τον Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας και την Ευρωπαϊκή Ένωση). Παρόλο που υπάρχουν διαφορές μεταξύ τους, όλα αυτά ορίζουν σαφώς ότι το Έξυπνο Δίκτυο περιορίζεται στην ηλεκτρική μόνο μορφή ενέργειας. Ο τυπικός πυρήνας του ορισμού ενός Έξυπνου Δικτύου αποτελείται από μια αμφίδρομη ροή ισχύος, δηλαδή οι καταναλωτές πλέον παράγουν και διαθέτουν στο δίκτυο, το οποίο διαφέρει από το παραδοσιακό στο οποίο υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ των παραγωγών αφενός και των καταναλωτών από την άλλη και οδηγούσε σε μια ροή ισχύος προς μία μόνο κατεύθυνση.

2. Τεχνολογία αιχμής στο πλαίσιο των μεταφορών: Βιοκαύσιμα, Ηλεκτρικό Αυτοκίνητο και Αποθήκευση Υδρογόνου.

Η τεχνολογία αιχμής στις μεταφορές αφορά τα Βιοκαύσιμα την Αποθήκευση Υδρογόνου και το Ηλεκτρικό Αυτοκίνητο (EV). Οι περισσότερες έρευνες διεξάγονται για την αύξηση της παραγωγικότητας αυτών των τεχνολογιών.

3. Τεχνολογία αιχμής στον τομέα των κτιρίων: Κτίριο Μηδενικής Κατανάλωσης Ενέργειας και Εξοικονόμηση Ενέργειας.

Το κυρίαρχο πρότυπο είναι η ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο κτίριο, ενώ γίνονται προσπάθειες για την υιοθέτηση μιας ευρύτερης θεώρησης των κτιρίων ως ολοκληρωμένων μονάδων παραγωγής και κατανάλωσης ηλεκτρισμού καθώς και υποδομών θέρμανσης και ψύξης.

4. Τεχνολογία αιχμής στη βιομηχανία.

Για την τεχνολογία αιχμής στη βιομηχανία υπάρχουν σχετικά λίγες μελέτες σε σύγκριση με άλλους τομείς, ιδίως στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές επικεντρώνονται σε μέτρα αποδοτικότητας και την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων από τον ηλεκτρισμό Καμία μελέτη δεν έχει αποσαφηνίσει τις συνέργειες και τα οφέλη που προκύπτουν από την συγχώνευση των διεργασιών της βιομηχανικής παραγωγής με τους τομείς θέρμανσης, ψύξης και ηλεκτρικής ενέργειας. Η κεντρική ιδέα των Συστημάτων Έξυπνης Ενέργειας είναι ότι καλύτερες λύσεις μπορούν να βρεθούν όταν ενσωματωθούν οι διάφορες μορφές ενέργειας και τα διαφορετικά είδη δικτύων.

Οι βιομηχανικές καινοτομίες περιλαμβάνουν τα ακόλουθα [3,4]:

• Χρήση της απορριπτόμενης θερμότητας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και για τηλεθέρμανση.
• Χρήση τεχνολογίας Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού-Θερμότητας – ΣΗΘ (CHP).
• Οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται για ψύξη και θέρμανση.
• Η ηλεκτρική ενέργεια για θέρμανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξισορρόπηση της ισχύος για τις υπηρεσίες ηλεκτρικού δικτύου στη ρύθμιση των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας.
• Η Αποθήκευση Υδρογόνου αντί της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, είναι φθηνότερη και αποτελεσματικότερη.
• Η Ηλιακή Ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας στη βιομηχανική παραγωγή και στα κτίρια.
• Η απορριπτόμενη «άχρηστη» θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας μετατρέπεται σε «χρήσιμη» θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας κι επαναχρησιμοποιείται, ή μετατρέπεται σε ψύξη.

Βιβλιογραφία

[1] Amin SM, Wollenberg BF. Towards a smart grid. Power Energy Mag IEEE 2005;3:34e41. http://dx.doi.org/10.1109/MPAE.2005.1507024.

[2] Lund H, Andersen AN, Østergaard PA, Mathiesen BV, Connolly D. From electricity smart grids to smart energy systems - a market operation based approach and understanding. Energy 2012;42:96e102. http://dx.doi.org/10.1016/j.energy.2012.04.003.

[3] Lund H. Renewable energy systems - a smart energy systems approach to the choice and modeling of 100% renewable solutions. second ed. Academic Press; 2014.

[4] Connolly D, Lund H, Mathiesen BV, Østergaard PA, Moller B, Nielsen S, et al. € Smart energy systems: holistic and integrated energy systems for the era of 100% renewable energy. Aalborg: Aalborg University; 2013.

[5] Mendes G, Ioakimidis C, Ferrao P. On the planning and analysis of Integrated ~ Community Energy Systems: a review and survey of available tools. Renew Sustain Energy Rev 2011;15:4836e54. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.067.

[6] Orecchini F, Santiangeli A. Beyond smart grids e the need of intelligent energy networks for a higher global efficiency through energy vectors integration. Int J Hydrogen Energy 2011;36:8126e33. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.01.160.

[7] Wu YN, Chen J, Liu LR. Construction of Chinas smart grid information system analysis. Renew Sustain Energy Rev 2011;15:4236e41. http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.129.

[8] Ahn C, Li CT, Peng H. Optimal decentralized charging control algorithm for electrified vehicles connected to smart grid. J Power Sources 2011;196:10369e79. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.06.093.

[9] Kempton W, Tomic J. Vehicle-to-grid power implementation: from stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy. J Power Sources 2005;144:280e94. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.12.022.

Νίκος Στεργίου

6/4/2020