Μελέτη και βελτιστοποίηση συστήματος παραγωγής και αποθήκευσης υδρογόνου με χρήση αιολικής ενέργειας και προσομοίωση της λειτουργίας σε Η/Υ με την βοήθεια του προγράμματος Homer Energy

Abstract

Βασικός σκοπός του ανθρώπου ανά τους αιώνες πέραν της εξασφάλισης της επιβίωσης του, ήταν και η βελτίωση της ποιότητας ζωής. Με την ανακάλυψη του ηλεκτρισμό και των εξαρτώμενων από αυτόν εφαρμογών του η καθημερινότητα του ανθρώπου βελτιώθηκε σχεδόν σε όλους τους τομείς ώστε να αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης ζωής τους τελευταίους αιώνες. Έτσι λοιπόν, αν και ο ηλεκτρισμός αποτελεί τον μεγαλύτερο μηχανισμό ανάπτυξης, η επίδραση του στη φύση είχε αρνητικά αποτελέσματα καθώς συνέβαλε σημαντικά στην μόλυνση του πλανήτη. Τις τελευταίες δεκαετίες γίνεται προσπάθεια μείωσης του περιβαλλοντικού προβλήματος που οφείλεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με την ανάπτυξη και εισαγωγή των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στον ενεργειακό τομέα. Μία από τις πιο πρόσφατες τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν λίγες δεκαετίες νωρίτερα αλλά σήμερα μελετάται η ευρεία εφαρμογή της στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είναι οι κυψέλες καυσίμου που βασίζουν την λειτουργία τους στην χρήση υδρογόνου το οποίο παράγεται από Α.Π.Ε. και αποθηκεύεται σε ειδικές δεξαμενές. Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η μελέτη του συστήματος παραγωγής και αποθήκευσης υδρογόνου με χρήση αιολικής ενέργειας στην περιοχή του Λαυρίου που πραγματοποιείται από το Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών και Εξοικονόμησης Ενέργειας στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού προγράμματος RES2H2. Πέραν της μελέτης , ακολουθεί προσομοίωση και βελτίωση του συστήματος αυτού με τη χρήση Η/Υ και τη βοήθεια του υπολογιστικού προγράμματος Homer Energy. Συγκεκριμένα στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχέση ανθρώπου – ενέργειας ανά τους αιώνες και η σταδιακή μετάβαση στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Ακολουθεί ιστορική αναδρομή γύρω από την τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, από την ανακάλυψη τους μέχρι σήμερα και αναλύεται η βασική αρχή λειτουργίας τους. Εν συνέχεια στο 2ο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στα καύσιμα των κυψελών καυσίμου και κυρίως στην εξέλιξη της τεχνολογίας του υδρογόνου και των τρόπων παραγωγής του, ενώ στο επόμενο κεφάλαιο η μελέτη επικεντρώνεται στα μέσα αποθήκευσης του υδρογόνου (κλασικές και νέες τεχνολογίες) και στο πως μπορεί να μεταφερθεί. Ιδιαίτερη έμφαση στα δύο επόμενα κεφάλαια δίνεται στο θερμοδυναμικό μοντέλο των κυψελών καυσίμου και γίνεται σύγκρισή τους με τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Αναλύονται τα χαρακτηριστικά τους, γίνεται διαχωρισμός τους ανάλογα με την περιοχή χρήσης, την θερμοκρασία λειτουργίας και αναφέρονται οι εμπορικές εφαρμογές τους. Ακόμη, παρουσιάζεται η διείσδυση της αιολικής ενέργειας στα συστήματα Α.Π.Ε. και μελετάται το απαραίτητο μαθηματικό υπόβαθρο. Παρουσιάζεται η εγχώρια και παγκόσμια ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας και γίνεται ιδιαίτερη αναφορά στην υπεράκτια εγκατάσταση ανεμογεννητριών που αποτελεί καινοτομία στον τομέα της παραγωγής ενέργειας από τη δύναμη του ανέμου. Στη συνέχεια, γίνεται μια πιο λεπτομερής περιγραφή της τεχνολογίας των ανεμογεννητριών, που έχει να κάνει με τα σχεδιαστικά και τα λειτουργικά κριτήρια, αλλά και με τις εφαρμογές τους. Τέλος, στο 8ο και 9ο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή του συστήματος παραγωγής και αποθήκευσης υδρογόνου με χρήση αιολικής ενέργειας που είναι εγκατεστημένο στο Λαύριο, παρουσιάζεται η χρησιμότητα και ο χώρος δραστηριοποίησης του προγράμματος Homer Energy και καταγράφονται τα συμπεράσματα της προσομοίωσης και της βελτίωσης του συστήματος.