מאמר
תכנון וניהול טכנו-כלכלי של מערכת מיקרו גריד ד"ר דוד ברלה ,ירון חיים ,עוז קלימיאן אפקה המכללה האקדמית להנדסה בתל-אביב תקציר צרכני אנרגיה חשמלית בסדר גודל בינוני של מספר MWכדוגמת יישוב קהילתי ,מתחם תעשייה, קמפוס אוניברסיטאי ,קומפלקס בניינים ,מחנה צבאי וכדומה ,עלויות האנרגיה החשמלית שלהם גדולות ומשמעותיות .במטרה עיקרית לצמצם עלויות אלה ,צרכן כזה ,יכול לבחון הקמת מערכת מיקרו גריד המשלבת מתקני ייצור אנרגיה חשמלית פרטיים ,מערכות אגירה וחיבוריות לרשת החשמל הציבורית (חברת החשמל לישראל – חח"י) .בנוסף ,שילוב של מתקני ייצור אנרגיה מבוססי אנרגיה מתחדשת מאפשרים להשיג הפחתה בזיהום האוויר וגזי חממה. המאמר מציג מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי טכנו-כלכלי של מערכת מיקרו גריד למתחם הכולל מספר צרכנים שהספקם המצרפי מספר .MWהמודל כולל שני מרכיבים המקושרים זה בזה. הראשון ,הינו קביעת תמהיל מתקני ייצור אנרגיה פרטיים אופציונליים (מבוססי אנרגיה מתחדשת ודלקים פוסיליים) בהינתן התנהגותם הזמנית האופיינית המצרפית של כלל הצרכנים במתחם ,נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים ,ממדי שטחים פנויים במתחם (המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה מתחדשת) ,עלויות ונתונים תמחיריים ,תעריפי עומס וזמן (תעו"ז) .קביעת מתקני הייצור שיותקנו בפועל במערכת המיקרו גריד מבוסס על ניתוח השוואתי של חישובי Levelized Cost of Energy ) (LCOEבהשוואה לעלויות קילוואט-שעה (קוט"ש) המסופק ע"י הרשת הציבורית. המרכיב השני במודל מציג תהליך לניהול ובקרת התפעול הדינמי של כלל מתקני הייצור הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית ,על מנת לספק את הדרישות האנרגטיות של כלל העומסים במתחם ,המשתנות בזמן ,וזאת בגישה טכנו-כלכלית. המודל מאפשר לבחון את הכדאיות הכלכלית של הקמת ותפעול מערכת מיקרו גריד .ליישום המודל פותח אלגוריתם המיושם באמצעות שימוש בתוכנת MATLABהכולל ממשק משתמש. מבוא מערכת מיקרו גריד היא מערכת אנרגיה חשמלית קטנה יחסית המסוגלת לקיים איזון של משאבי היצע וביקוש שמטרתה לשמור על שירות יציב ואמין בתוך גבולות מוגדרים .מערכת זו יכולה לשרת צרכני אנרגיה בסדר גודל של מספר MWכדוגמת יישוב קהילתי ,מתחם תעשייה ,קמפוס אוניברסיטאי ,קומפלקס בניינים ,בית חולים ,מחנה צבאי וכדומה .מבנה אופייני של מערכת מיקרו גריד כולל מספר מתקני ייצור אנרגיה (מבוזרים על פי רוב) ,צרכנים ,מערכות אגירה ומערכת בקרה וניהול כמתואר באיור .1 איור :1מבנה עקרוני של מערכת מיקרו גריד 1 מטרתה של מערכת המיקרו גריד הוא לייעל טכנו-כלכלית את ייצור ואספקת האנרגיה החשמלית למתחם נתון ,באופן המבטיח מענה לדרישות האנרגיה ,עמידות ,אמינות וקיימות. מערכת מיקרו גריד יכולה לפעול כמערכת סגורה המתפקדת עצמאית כאי חשמלי או לחילופין כמערכת המשלבת בין ייצור עצמי וצריכת אנרגיה (וגם החזרת אנרגיה) מרשת החשמל הציבורית. ניתן לראות במערכת מיקרו גריד כיחידת עומס מבוקרת אחת מול הרשת הציבורית בפרט בהתייחס למערכת רשת חכמה. מערכת מיקרו גריד אופיינית יכולה לכלול קשת של מתקני ייצור אנרגיה חשמלית מקומיים כגון: גנרטורים (דיזל/גז) ,מיקרו טורבינות ,תאי דלק ,טורבינות רוח ,מערכות פוטו וולטאיות ,ביו-מסה, מערכות הידרו קטנות ,מערכות אגירת אנרגיה. השיקולים בתכנון ,תפעול וכדאיות מערכת מיקרו גריד כוללים היבטים רבים המשתנים ממקום למקום ,כאשר המרכזיים בהם: מאפייני העומסים לרבות דרישתם לאיכות ,אמינות ,גמישות וברות קיימא נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים ממדי שטחים פנויים במתחם (המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה מתחדשת) רגולציה רלבנטית מאפייני מתקני ייצור אנרגיה לרבות היבטי אספקת דלקים ומדיניות שיקולים מימוניים ותמחיריים ,חוזיים וניהול סיכונים תעריפי עומס וזמן (תעו"ז) היבטי פריסת רשת לרבות אמינות ,אבטחה ושרידות טכנולוגיים וניהוליים המאמר מציג מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי טכנו-כלכלי של מערכת מיקרו גריד למתחם שהספקו המצרפי מספר .MWהמודל כולל שני מרכיבים שהראשון בהם מתאר את שלב ההקמה בו נקבעים מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים (מבוססי דלקים פוסיליים אנרגיה מתחדשת) במערכת. תהליך קביעת מתקני הייצור מתבסס על השיקולים הבאים :התנהגותם הזמנית האופיינית המצרפית של כלל הצרכנים במתחם ,נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים ,ממדי שטחים פנויים במתחם (המיועדים למתקני ייצור מבוססי אנרגיה מתחדשת) ,עלויות ונתונים תמחיריים ,תעריפי עומס וזמן (תעו"ז) .קביעת מתקני הייצור שיותקנו במערכת המיקרו גריד מבוסס על ניתוח השוואתי של חישובי ) Levelized Cost of Energy (LCOEשל המתקנים בהשוואה לעלויות קילוואט-שעה (קוט"ש) כאשר האנרגיה מסופקת ע"י הרשת הציבורית. המרכיב השני במודל מתאר את תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערך מתקני הייצור הפרטיים (בהעדפת מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת) ,בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית ,כך שיענה לדרישות האנרגטיות של כלל העומסים במתחם המשתנות בזמן. תהליך הניהול מתקיים בגישה של יעילות טכנו-כלכלית. המודל מאפשר לבחון את הכדאיות הכלכלית של הקמת ותפעול מערכת מיקרו גריד .ליישום המודל פותח אלגוריתם המיושם באמצעות שימוש בתוכנת MATLABהכולל ממשק משתמש. הצגת המודל כאמור ,המודל כולל שני מרכיבים שהראשון בהם מתאר את שלב ההקמה בו נקבעים מרחב מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים הפוטנציאליים מתוך מרחב מקורות המוגדר מראש .המרכיב השני מתאר את תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד :מערך מתקני הייצור הפרטיים (בהעדפת מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת) בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית בהתאם לנדרש .מערכת הניהול מנטרת ושולטת באופן רציף על כל מרכיבי המערכת כתלות בצריכת האנרגיה הרגעית ,כמות האנרגיה הזמינה ,שעות היממה ותנאי הסביבה .באיור 2 מתואר תרשים זרימה עקרוני של אלגוריתם המודל על שני מרכיביו. 2 ) (: . ) LCOE LCOE " ( LCOE " LCOE - איור : 2תרשים זרימה עקרוני של אלגוריתם המודל המודל פותח תחת ההנחות הבאות: .1שינויי צריכת האנרגיה החשמלית של המתחם יכולים להיות מהירים .האלגוריתם אינו מתוכנן לתת מענה לשינויי צריכה נקודתיים מהירים. .2זמני הכניסה ויציאה מפעולה של מתקני ייצור אנרגיה חשמלית הם קצרים יחסית לפעולתם המתמשכת ולכן הם מוזנחים. .3הדלק בשימוש במודל הינו מסוג גז טבעי .העלויות המחושבות עבורו הן עלויות הולכה וחלוקה .עלויות הקמת תשתית לגז טבעי בלחץ נמוך אינם מחושבות. .4מחירי מתקני הייצור הפוסיליים הינם עבור הספק מותקן. .5שיקולי קוגנרציה ומכירת חום שיורי לצורך שיפור ביעילות ובעלויות לא נכללו. .6להדגמת ביצוע האלגוריתם שפותח נבחרים 4מתקני ייצור אנרגיה חשמלית מבוססי דלקים פוסיליים מתוך המגוון של מקורות ייצור אנרגיה חשמלית המוזנים למערכת. .7ריבית בנקאית נומינאלית שנתית 5% .8זמן חיי פרויקט 25שנה מרכיב ההקמה א .קליטת הנתונים .1לקביעת מאפייני הפעולה ותמהיל מתקני הייצור של מערכת המיקרו גריד נדרש לקלוט נתונים בסיסיים הנחלקים לשתי קבוצות .קבוצה ראשונה הם נתונים קבועים שקליטתם לתוכנת הניהול הינה כבסיסי נתונים קבועים (ולא דרך ממשק המשתמש) .בסיסי הנתונים כוללים: .2עקום צריכה ממוצע יומי אופייני (מוגדר כמערך של 48ערכי הספק חשמלי המייצגים את הצריכה לאורך יממה בהפרשים של חצי שעה) .3ריבית בנקאית נומינאלית שנתית .4מחזור חיים 3 .5הספקים חשמליים נקובים של מתקני ייצור פוסיליים ומתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת רלבנטיים ביחידות של kW .6עלויות רכישה והתקנת מתקני ייצור מבוססי האנרגיה פוסילית ואנרגיה מתחדשת – ביחידות של שקלים לקילוואט וכן נתונים רלבנטיים נוספים. .7עלויות תפעול ואחזקה ( )O&Mשל מתקני ייצור מבוססי אנרגיה פוסילית ואנרגיה מתחדשת ביחידות של שקלים לקילוואט-שעה קבוצת הנתונים השנייה מתארת פרמטרים שונים הנקבעים על ידי המשתמש וברי שינוי ,המוזנים באמצעות ממשק המשתמש: .8הספק שיא של המתקן בקילוואט )(Maximum Facility Power .9אזור ההתקנה בישראל -צפון/דרום )(Region .11אופי מתקן הצריכה -מגורים/תעשייה )(Consumer Type .11ימי צריכה מאפיינים בשנה )(Typical Days .12סוג ושטחים מוקצים להתקנת יחידות PVביחידות מטר ריבועי ((Area for PV Land/Roof .13ממדי אורך ורוחב שדה מוקצים להתקנת טורבינות רוח ביחידות מטר (Wind Turbine Field )Length & Wind Turbine Field Width .14תעריפי הרשת הציבורית (חח"י) לפי תעו"ז ביחידות של שקלים לקילוואט-שעה ((IEC Cost .15מהירות הרוח אופיינית ביחידות מטר לשניה .16זמני התחלת הפסקת חשמל ביום נתון .17עונת השנה ב .קביעת מתקני ייצור האנרגיה מרחב מתקני ייצור האנרגיה הפוסיליים מתוך מצאי מתקני ייצור האנרגיה הפוסיליים המוזנים בשלב קליטת הנתונים ( דיזל גנרטורים ,מיקרו טורבינות) ,נקבעים מתקני הייצור שיהוו את המרחב הפוסילי הרלבנטי במודל .שלב זה מבוצע תחת הנחה של כיסוי אנרגטי נדרש על ידי מתקני ייצור אנרגיה פוסיליים בלבד .הקביעה מתבצעת על פי קריטריון הערכה השוואתית של כמות האנרגיה שכל מתקן ייצור יכול לייצר ,במגבלות עקום הצריכה היומי האופייני. באיור 3מתואר גרף צריכת הספק חשמלי אופייני של המתחם לאורך יממה (מיוצר כאמור על בסיס נתוני הקליטה) ובהתאמה מתווי הספקי מתקני הייצור עבור כל מתקן ייצור אנרגיה מתוך מצאי המתקנים שנקלטו בשלב קליטת הנתונים .מתבצעת בדיקה של מספר השעות שיכול כל מתקן לעבוד בתוך גבולות שטח הצריכה תחת התניה שחייב לעבוד לפחות 3שעות ברצף .התניה זו נועדה לאפשר רצף של עבודה למניעת כיבויים והדלקות מרובים אשר מקצרים את חיי המחוללים .מתקן הייצור שיכול לייצר את האנרגיה המרבית (קרי בעל השטח מרבי ב )kWh -הוא המקור הנבחר. על מנת לאפשר גידול עתידי בצריכת האנרגיה ,הוגדר קו חוסם שהוא ( 11%מייצג גידול של 2% בשנה על פני 5שנים) מעל קו הצריכה האופייני .קו זה מכונה .Graph Consumption Limit לקביעת מתקן ייצור האנרגיה הראשון ,מחושבים האנרגיות לכלל מצאי מתקני הייצור בהינתן הספק צריכה מרבי של כ – , 5MWכמתואר באיור 3שלב :1 ]E450 = 450 ∙ 24 = 10800[KWh ]E700 = 700 ∙ 24 = 16800[KWh ]E1200 = 1200 ∙ 23 = 27600[KWh ]E2500 = 2500 ∙ 15.5 = 38750[KWh ]E3000 = 3000 ∙ 7.5 + 3000 ∙ 4 = 34500[KWh ]E3500 = 3500 ∙ 6 = 21000[KWh 4 שלב 4 שלב 1 שלב 2 איור :3תיאור מתווים של הספק המתחם ומתקני הייצור הפוסיליים בתהליך קביעת מתקנים נבחרים בשלבים 2 , 1ו4- מתקיים: max(E450 , E700 , E1200 , E2500 , E3000 , E3500 ) = E2500 האנרגיה המרבית מתקבלת ע"י מתקן ייצור בהספק של 2500kWולכן מתקן הייצור הראשון שיבחר הוא 2500kWהמסומן כ .PGEN1 - לבחירת מתקן ייצור שני ,מיוצר גרף צריכה חדש המהווה גרף הפרשי המאפיין את הצריכה הנותרת לאחר בחירת מתקן ייצור ראשון PGEN1כמתואר באיור 3שלב ,2כך שמתקיים: Graph_consumption2 = Graph_consumption1 − PGEN1 Graph_consumption2 Limit = Graph_consumption1 Limit − PGEN1 בתהליך דומה מותווים הספקי מתקני הייצור הרלבנטיים ,מחושבים האנרגיות בהתאמה ונקבע מתקן ייצור האנרגיה .PGEN2 התהליך חוזר על עצמו עד לכיסוי אנרגטי מרבי של גרף צריכת ההספק האופייני של המתחם לאורך יממה .באיור 4מתוארים המתווים של הספק צריכה אופייני למתחם ביממה ו 4 -מתקני ייצור אנרגיה פוסיליים אופציונאליים נבחרים בהינתן הספק צריכה מרבי של כ – .5MW איור :4מתווים של הספק הצריכה האופייני של המתחם ואפשרויות ייצור אנרגיה ממקורות פוסיליים מרחב מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת המודל המוצג במאמר מתייחס לשני סוגים של מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת :טורבינות רוח ומערך פוטו וולטאי .המרחב הרלבנטי במודל של מתקני ייצור מאנרגיה מתחדשת נקבעים בהתבסס על נתוני מצאי של מתקנים אלה בשלב קליטת בסיסי הנתונים .קביעת ההספק נקבעת בהתאם לאילוצי נתוני סביבה ושטח התקנה מיועד הנקלטים באמצעות ממשק המשתמש וברי שינוי. הספק טורבינת הרוח תלוי במספר פרמטרים כאשר העיקריים בהם :צפיפות האוויר ,קוטר הלהבים, מקדם יעילות הטורבינה ומהירות הרוח .הספק מוצא חשמלי של טורבינת רוח באלגוריתם זה מבוסס 5 על טבלת המרה של הספק כפונקציה של מהירות רוח נתונה ע"פ נתוני יצרן .בתכנון חוות טורבינות נהוגים כללי אצבע לסידור מערך הטורבינות :בין 3-5קטרים בין טורבינות באותה שורה ,ו5-9 - קטרים מרחק בין שורות .באלגוריתם המוצג במאמר המרחקים שנקבעו הם 4קטרים בין הטורבינות ו 7 -קטרים בין שורות .מינימום אורך שדה מיועד להתקנת טורבינה בודדת הוא כגודל שני קטרים של הרוטור ואילו מינימום רוחב שדה להתקנת טורבינה בודדת הוא כגודל קוטר של הרוטור. הספק המתקן הפוטו וולטאי תלוי במספר פרמטרים עיקריים :קרינת השמש ,שטח המתקן ונצילות המערכת .הספק מוצא חשמלי של המתקנים הפוטו וולטאיים (בהתקנה על קרקע או גג) באלגוריתם זה ,מבוסס על נתוני ממוצעי הקרינה ממדידות לווין לאזורים הנבחרים כתלות בשעות היממה , נצילויות המערכת הפוטו וולטאית מנתוני יצרן בהתאם לסוג המתקן (קרקעי /גג מבנה) ושטח פריסת הפנלים הנגזר משטח מוקצה למתקן. מתקני הייצור הפוטנציאליים להפעלה כאמור ,המודל מבוסס על שיקולים טכנו-כלכליים ועל כן בשלב הראשון קביעת מרחב מתקני הייצור מאנרגיה פוסילית נעשה על בסיס שיקולים אנרגטיים .קביעת מתקני הייצור הפוטנציאליים הפוסיליים שמהם ייקבע מי ומתי יופעלו בפועל ,נעשה על פי שיקול כלכלי המבוסס על מדד של עלות לקוט"ש של ייצור אנרגיה על ידי כל מתקן פרטי בהשוואה לתעריף רכישת האנרגיה מהרשת הציבורית. חישוב עלות לקוט"ש עבור מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים מבוסס על חישוב הפרמטר Levelized ) Cost Of Energy (LCOEלכל מתקן ייצור ,הנתון עי: ₪ ][ ⁄𝑘𝑊ℎ 𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑙𝑎𝑢𝑛𝑛𝐴 𝑦𝑔𝑟𝑒𝑛𝐸_ 𝑙𝑎𝑢𝑛𝑛𝐴 = LCOE חישוב ההוצאה השנתית Annual_Costב ₪ -נתון ע"י: 𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑒𝑙𝑢𝐹 𝐴𝑛𝑛𝑢𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 = 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 ∙ 𝐶𝑅𝐹 + 𝑂&𝑀_𝐶𝑜𝑠𝑡 + כאשר: - Capital_Costעלות מתקן ייצור האנרגיה ב₪ - - [Operation & Management Cost] O&M_Costהוצאות ב ₪ -לתפעול ואחזקה שנתית – Fule_Costעלויות הדלק (דיזל/גז) השנתיות ב( ₪ -מחושב רק למתקני ייצור מאנרגיה פוסילית) - CRFמקדם החזר ההון Capital Recovery Factorהנתון ע"י: i (1 i ) n CRF (1 i ) n 1 כאשר: – iריבית נומינלית בנקאית שנתית – nאורך חיי מערכת המיקרו גריד בשנים (בהנחת אורך חיים זהה של מתקן ייצור האנרגיה) האנרגיה השנתית ] Annual _Energy [kWhמחושבת בהתבסס על הספק מתקן הייצור (בפועל בהתחשב בנצילויות הרלבנטיות) לאורך שעות עבודה צפויות ביממה אופיינית המוכפל ב 365 -ימים בשנה. באופן דומה ,מחושב הפרמטר LCOEעבור מתקני הייצור מאנרגיה מתחדשת כאשר במקרה זה מתקיים: 𝑡𝑠𝑜𝐶_𝑀&𝑂 𝐴𝑛𝑛𝑢𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 = 𝐶𝑎𝑝𝑖𝑡𝑎𝑙_𝐶𝑜𝑠𝑡 ∙ 𝐶𝑅𝐹 + 6 תהליך הניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד המרכיב השני במודל מתאר את תהליך ניהול ובקרת התפעול הדינמי של מערכת המיקרו גריד: מערך מתקני הייצור הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית בהתאם. מערכת הניהול מנטרת ושולטת באופן רציף על כל מרכיבי המערכת כתלות בצריכת האנרגיה הרגעית ,כמות האנרגיה הזמינה ,שעות היממה ,תנאי הסביבה ושיקולים כלכליים. בתהליך הניהול קיימת העדפה להפעיל את מתקני הייצור מאנרגיה מתחדשת באם קיימים .ההחלטה הכלכלית להפעיל את מתקני הייצור הפוסיליים או לצרוך אנרגיה מהרשת הציבורית ,נקבעת על פי קריטריון LCOEניהולי ,בהנחת קיום מענה אנרגטי לדרישות הצרכן .המערכת בוחנת את עלויות ייצור האנרגיה החשמלית על ידי המתקנים הפרטיים מול תעריפי הרכישה מהרשת הציבורית (חח"י ) לפי תעריפי תעו"ז .לפיכך ,בשלב ראשון לכל מתקן ייצור אנרגיה פוטנציאלי בהספק נתון ,מחושבים שלושה ,LCOEכאשר כל אחד מהם מחושב לפי מקבצי שעות הביקוש (מש"ב) לשפל גבע ופסגה. העיקרון של חישוב ה LCOE -הניהולי לכל מש"ב דומה למוצג מעלה במאמר בהתאמה למקבץ השעות ביממה. באיור 5מתואר תרשים ניהול פונקציונאלי שתוכנית הניהול של מערכת המיקרו גריד מבצעת. התרשים מתאר מספר מצבי פעולה מרכזיים בהם המערכת יכולה להימצא (תלוי במספר מתקני ייצור האנרגיה וסוגיהם) ותנאי המעבר בניהם (כניסה ויציאה ממצב פעולה) .תנאי המעבר נקבעים בהתאם לשיקולים אנרגטיים ושיקוליי COEניהוליים. Pconsume>Prenuable Pconsume<Prenuable IEC Out " " ) "( )LCOE(Fossil) < KWh(EC AND )Pconsume > (Prenuable+fossil Power Grid alive AND One Fossil is active )LCOE(Fossil) > KWh(IEC OR )Pconsume<(Prenuable+fossil Power IEC Out )LCOE(Fossil) < KWh(IEC AND )Pconsume > (Prenuable+fossil Power Grid alive AND Two Fossil are active )LCOE(Fossil) > KWh(IEC OR )Pconsume<(Prenuable+fossil Power IEC Out )LCOE(Fossil) > KWh(IEC OR )Pconsume<(Prenuable+fossil Power )LCOE(Fossil) < KWh(IEC AND )Pconsume > (Prenuable+fossil Power IEC Out Grid alive AND All Fossil are active איור :5תרשים ניהול פונקציונאלי של מערכת המיקרו גריד 7 שלב ניהול המערכת מתקיים באופן שוטף על בסיס יומי ,בהתאם לתכנית צריכה יומית המוגדרת יום קודם ,ובהתאם לאנרגיה המסופקת ממקורות אנרגיה מתחדשת .האלגוריתם מנהל את פעולת (הפעלה והפסקה) של מקורות ייצור אנרגיה מבוססי אנרגיה פוסילית .תכנון הניהול היומי מבוסס על תוכנית צריכה יומית חצי שעתית המוגשת מבעוד מועד (יום לפני) המפרטת את סך הצריכה המצרפית של כלל הצרכנים ,החל משעה 11:11ועד לשעה ,24:11כנקבע בספר אמות המידה. במצב הפסקת חשמל של הרשת הציבורית כל מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים אשר פעלו טרם ההפסקה ימשיכו לעבוד .במידה והיו מתקני ייצור אנרגיה כבויים מערכת הניהול מפעילה אותם לצורך עמידה בדרישות צריכת האנרגיה של המתחם .באם המערכת הגריד לא תוכל לענות על דרישות האנרגיה תבוצע השלה של צרכנים פחות חיוניים ויופעלו מתקני ייצור בהתאמה לדרישות האנרגיה החדשות .יציאה ממצב זה עם חזרת קיום האפשרות לצרוך אנרגיה מהרשת הציבורית. ממשק משתמש כאמור נתונים קבועים למודל נקלטים מקבצי בסיסי נתונים שערוכים מראש לאחר איסוף נתונים רלבנטיים (נתונים על מתקני הייצור מאנרגיה פוסילית ואנרגיה מתחדשת ועוד) .הנתונים ברי השינוי נקלטים באמצעות ממשק המשתמש הכוללים נתוני צריכה מרביים ,אזור גיאוגרפי ונתוני סביבה של המתחם שעבורו מתוכנן המיקרו גריד ,סוג הצרכן של המתחם וכן תעריפים .באיור 6מתואר מסך ממשק המשתמש. אזור הזנת הנתונים בממשק מסומן כתחום ה Input Parameters -הכולל את השדות הבאים: – Region בחירת אזור בארץ דרום או צפון .משפיע על עלויות חלוקת הגז ובהתאם על עלויות ייצור האנרגיה ממתקני הייצור הפוסיליים הפרטיים. – Consumer Type בחירה בין סוגי צרכנים שונים המשפיע על גרף הצריכה האופייני. – Days Select בחירת ימים שונים לצורך הדגמת אופן עבודה של ניהול האנרגיה( .אינו משפיע על שלב ההקמה אך כן משפיע על גרף הצריכה בזמן ריצת ניהול האנרגיה) – IEC Cost תעריפי צריכת החשמל כפי שנקבעו ע"י הרשות לשירותים ציבוריים חשמל – Environmental Data נתוני סביבה כגון מהירות הרוח בגובה הציר של טורבינת הרוח – IEC Blackout הגדרת הפסקת חשמל ושעת התחלת הפסקת החשמל אזור הצגת התוצאות בממשק מסומן כתחום ה Results -המתאר את התוצאות המחושבות אחר הרצה ,כולל את השדות הבאים: – Installed Facility סוג מתקן הייצור מאנרגיה פוסילית והספקו – Working Hours Allocation פירוט פעולה בשעות פסגה ,גבע ושפל וסה"כ השעות שכל מתקן ייצור מאנרגיה פוסילית פועל ביממה – Renewable Results נתוני הספק של המתקן הפוטו וולטאי וטורבינות רוח שמותקנות לחיצה על לחצן Runבממשק מפעילה את הרצת הקוד תוך כדי התחשבות בנתוני הכניסה בממשק ובנתוני הסקר המקדים אשר הוזנו כבסיס נתונים ל .MATLAB כמו כן מוצגות תוצאות החישוב הבאות: -Daily Energy Cost from IEC עלות הצריכה הנדרשת למתחם והמסופקת מרשת החשמל הציבורית בלבד (בהינתן שמערכת הגריד לא מותקנת). - Daily Energy Cost from IEC&Micro-Grid עלות הייצור הכוללת במערכת המיקרו גריד ועלות שילוב הצריכה מרשת החשמל הציבורית. - Daily Energy Cost Saving החיסכון היומי מציג את הסכום שנחסך בכל יום כתוצאה משימוש במערכת המיקרו גריד .החיסכון מחושב ע"י ההפרש בין עלות הצריכה כאשר המתחם צורך את מלוא האנרגיה מרשת החשמל הציבורית ,לבין עלות הצריכה כאשר מערכת המיקרו גריד פעילה בשילוב צריכה מהרשת הציבורית על פי הנדרש. 8 איור :6מסך ממשק משתמש הצגה וניתוח תרחיש דוגמא התרחיש הבא מתאר ניתוח טכנו-כלכלי של מערכת מיקרו גריד להספק מרבי של 5MWשתותקן במתחם תעשייתי באזור צפון ישראל .כאמור ,בשלב הראשון נדרש להזין למערכת ההקמה בסיסי נתונים על מתקני ייצור האנרגיה החשמלית הרלבנטיים (נתונים טכניים ותמחיריים) ,התנהגות צריכה אופיינית עונתית של המתחם ,נתונים פיננסיים ונתוני סביבה וזאת על פי סקר מקדים. טורבינת הרוח שנבחרה היא מדגם ATB500של החברה האירופאית .ATB WINDנתוני הטורבינה הם :קוטר הרוטור 54מטר 3 ,להבים ,גובה הטורבינה 51או 71מטר ,הספק נקוב .500KW המערכת מוזנת בטבלה הכוללת נתוני ההמרה של מהירות רוח (בגובה מרכז הרוטור) להספק המוצא החשמלי ,המסופקת ע"י היצרן. הוגדרו שני סוגים של מתקנים סולאריים ,אחד קרקעי ואחד על גגות ,כאשר לכל אחד מהם אופיינו פרמטרי נצילויות תלויי קרינה ומיקום לאחר ביצוע סקר על נתוני מספר חברות מובילות בתחום. נבחרו מיקרו טורבינות בהספקים של 450kW , 700kW , 1200kW : נבחרו דיזל גנרטורים בהספקים של 2500kW , 3000kW , 3500kW : יתר הנתונים הוזנו בממשק המשתמש כמתואר באיור .7 איור :7נתונים שהוזנו בתרחיש במסך ממשק משתמש יובהר כי עלויות צריכת אנרגיה חשמלית מהרשת הציבורית בתקופת עונת המעבר נמוכות יותר מצריכה זהה בעונת הקיץ או החורף (המוגדרות בספר אמות המידה) .לפיכך ,לבחינת הכדאיות הכלכלית בתפעול מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים בהשוואה לרכישת האנרגיה מהרשת הציבורית נבחרו תעריפי עונת המעבר. 9 בהרצת האלגוריתם בממשק המשתמש התקבלו הגרפים שבאיור 8המתארים את בחירת מתקני ייצור האנרגיה בשלב ההקמה וכן את הניהול של מתקני הייצור הפרטיים וצריכת האנרגיה מהרשת הציבורית לאורך יממה אופיינית נבחרת. שלב ההקמה שלב הניהול איור :8תיאור מתקני ייצור האנרגיה נבחרים בשלב ההקמה והניהול היומי של מתקני הייצור בשלב ההקמה נבחרו מתקני ייצור אנרגיה מבוססי פוסילים :דיזל גנרטור בהספק מותקן של 3000kWושתי יחידות של מיקרו טורבינות בהספקים של 700kWו .450kWכמו-כן המערכת שילבה מתקן ייצור אנרגיה מתחדשת מסוג פוטו וולטאי ,כאשר המתקן הקרקעי בהספק של 1626kWומתקן הגגות בהספק של .337.5kWעבור מתקן ייצור אנרגיה מאנרגיית רוח ,המודל בדק ומצא שאין כדאיות כלכלית להקמת מערך שכזה. בשלב ניהול מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים שנבחרו (מהפוטנציאליים הנבחרים) המערכת שילבה את המתקן הפוטו וולטאי לכל אורך זמן קרינה רלבנטי .המערכת זיהתה תחומי זמן אשר בהם נדרש השלמת חוסרי אנרגיה על ידי רשת החשמל הארצית .משכי הפעולה האופטימליים של מתקני ייצור האנרגיה הפרטיים וכן שילוב על פי הצורך של צריכת אנרגיה מהרשת הציבורית התבצע על פי שיקולי הנדסיים ושיקולי LCOEניהוליים. ממצאי הניהול היומי לתרחיש הנתון הכוללים פירוט מתקני הייצור הפרטיים הנבחרים והספקם, פעולתם במש"ב ,סה"כ שעות פעולתם ביממה ועלויות התפעול של מערכת המיקרו גריד ועלות צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית מתוארים בממשק המשתמש שבאיור .9החיסכון היומי למקרה זה הוא 12,521ש"ח. איור :9נתוני תוצאות הרצת התרחיש בממשק המשתמש סיכום המאמר מציג מודל גנרי לתכנון וניהול אופטימלי טכנו-כלכלי של מערכת מיקרו גריד למתחם הכולל מספר צרכנים שהספקם המצרפי מספר .MWהמודל כאמור כולל שני מרכיבים שהראשון הינו קביעת תמהיל מתקני ייצור אנרגיה חשמלית פרטיים (מבוססי אנרגיה מתחדשת ודלקים פוסיליים) בהתייחס לצריכת ההספק האופייני היומי של הצרכנים במתחם ,נתוני סביבה גיאוגרפיים ואקלימיים, עליות ונתונים תמחיריים ,תעריפי עומס וזמן (תעו"ז) .קביעת מתקני הייצור שיותקנו בפועל במערכת 11 המיקרו גריד מבוסס על ניתוח השוואתי של חישובי ) Levelized Cost of Energy (LCOEבהשוואה לעלויות קילוואט -שעה (קוט"ש) המסופק ע"י הרשת הציבורית. המרכיב השני במודל מציג תהליך לניהול ובקרת התפעול הדינמי היומי של כלל מתקני הייצור הפרטיים בשילוב האפשרות של צריכת האנרגיה מהרשת הציבורית ,על מנת לספק את הדרישות האנרגטיות של כלל העומסים במתחם ,המשתנות בזמן וזאת בגישה טכנו-כלכלית בהתבסס גם על חישובי LCOEניהוליים. בהרצת תרחישים רבים ניתן להצביע כי: .1שילוב מתקני ייצור אנרגיה פרטיים עם האפשרות לצריכת אנרגיה מהרשת הציבורית במרבית המקרים מוזילה את עלויות צריכת האנרגיה של המתחם. .2מתקני הייצור הפרטיים משתלבים בעיקר במקבצי שעות של פסגה שבהם תעריף החשמל במערכת הציבורית גבוהה. .3ככל שהספק הצריכה במתחם גדל ,ניתן לראות השתלבויות של מתקני הייצור הפרטיים גם במקבצי שעות ביקוש של שפל וגבע .הדבר נובע מכך שככל שמשך שעות העבודה גדל ,ה- LCOEהניהולי של המקורות הפרטיים קטן. .4שילוב אנרגיה מטורבינות הרוח שנבחרו יכולה להתקיים במידה ולטורבינות קיים Capacity Factorהגבוה מ .35% -מתחת לזה עלויות הייצור גבוהות ביחס לתעריפי הרשת הציבורית בישראל. .5מתקני ייצור האנרגיה הפוטו וולטאי מייצרים את מירב האנרגיה בשעות פיסגה. ניתוח רב שנתי לאורך חיי המערכת ,מאפשר באמצעות המודל לבחון את הכדאיות הכלכלית של ההשקעה במערכת המיקרו גריד בכלל .ניתוח זה מתבסס על חישובי ),Net Present Value (NPV לשם השוואה בין שתי חלופות :בניית ותפעול מערכת מיקרו גריד המשלבת מתקני ייצור אנרגיה פרטיים עם השלמת אנרגיה חשמלית מהרשת הציבורית כנגד החלופה של הזנת המתחם מהרשת הציבורית בלבד. 11
© Copyright 2024