Στο σύγχρονο κόσμο, υπάρχει μια συνεχής παγκόσμια ανάγκη για περισσότερη ενέργεια, η οποία ταυτόχρονα πρέπει να είναι «καθαρότερη» από την ενέργεια που παράγεται από τις συμβατικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής. Αυτό υπαγορεύει την ανάγκη για όλο και αυξανόμενη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), η εκτεταμένη χρήση των οποίων στα σημερινά ηλεκτρικά δίκτυα μπορεί αδιαμφισβήτητα να ελαχιστοποιήσει την απειλή του φαινομένου του θερμοκηπίου και της κλιματικής αλλαγής. Η απρόβλεπτη φύση των ΑΠΕ, η απαίτηση των χρηστών για επαρκή ενέργεια όταν τη χρειαστούν με αδυναμία ακριβούς πρόβλεψης της ζήτησης σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να καταναλώνεται υποχρεωτικά την ίδια ακριβώς στιγμή που παράγεται, είναι από τα σημαντικότερα προβλήματα του σημερινού δικτύου. Καθίσταται προφανές ότι η αποθήκευση ενέργειας είναι αναγκαία και απαραίτητη κατά την παραγωγή, μεταφορά και κατανάλωση της παραγόμενης ενέργειας καθώς επιτρέπει σημαντικά μεγαλύτερη ενσωμάτωση ΑΠΕ στο ενεργειακό μείγμα των καταναλωτών.

Για να υπάρξει αποδοτική χρήση της παραγώμενης ηλεκτρικής ενέργειας από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, είναι απαραίτητη προϋπόθεση η αποθήκευσή της σε κατάλληλα συστήματα. Επί του παρόντος, η μόνη διαθέσιμη εμπορική εφαρμογή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας για κτίρια κατοικιών και γραφείων αφορά λύσεις συστημάτων μπαταρίας. Τα πιο σύγχρονα από αυτά κάνουν χρήση κελιών ιόντων λιθίου βελτιώνοντας πολλά από τα προβλήματα παλαιότερων χημειών μπαταρίας όπως λόγου χάριν μόλυβδου-οξέος. Παρόλα αυτά πολλά από τα εγγενή προβλήματα των μπαταριών εξακολουθούν να υπάρχουν με κυριότερο τη σχετικά γρήγορη φθορά με αποτέλεσμα την μειωμένη απόδοση όσο και συνολικό χρόνο ζωής τους. Επιπλέον, τα συστήματα αυτά είναι ιδιαίτερα ογκώδη και βαριά και η εγκατάστασή τους προϋποθέτει την ύπαρξη κατάλληλου χώρου. Στις μονοκατοικίες υπάρχει τόσο ο απαραίτητος υπέργειος χώρος, όσο και χώροι υπογείων στα οποία τοποθετούνται μέχρι σήμερα οι μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας. Σε αντίθεση, στις πολυκατοικίες δεν υπάρχει ο αντίστοιχος χώρος ούτε η ευελιξία κάθε διαμέρισμα να έχει τη δική του ξεχωριστή μονάδα αποθήκευσης ενέργειας.

Αντίθετα με τις μπαταρίες, η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας στους πυκνωτές, επιτυγχάνεται μέσω ηλεκτροστατικών φαινομένων που επιτρέπουν την πολύ γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση των στοιχείων αυτών (2000-15000 W/kg). Επιπλέον προτέρημα των πυκνωτών που προκύπτει και πάλι από την ηλεκτροστατικής φύσης διεργασία αποθήκευσης ενέργειας αποτελεί το γεγονός ότι οι πυκνωτές διατηρούν υψηλή απόδοση για πολύ περισσότερους κύκλους (μέχρι και 100.000 κύκλους φόρτισης αποφόρτισης) σε σχέση με τις μπαταρίες. Η διαθέσιμη ενέργεια των πυκνωτών από την άλλη πλευρά παρά τις σημαντικές βελτιώσεις των τελευταίων 10 χρόνων, εξακολουθεί να παραμένει πολύ χαμηλή και πιο συγκεκριμένα περίπου 15-20 φορές χαμηλότερη από μία μπαταρία ίδιας μάζας. Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό πως οι δύο τεχνολογίες (μπαταρίες και πυκνωτές) έχουν διαφορετικό τρόπο λειτουργίας και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της καθεμιάς κάνουν κάθε συσκευή κατάλληλη για διαφορετική εφαρμογή και σκοπό.

Η ανάπτυξη ενός οικονομικότερου και αποδοτικότερου συστήματος οικιακής αποθήκευσης ενέργειας είναι μεγάλης σημασίας καθώς επιτρέπει σημαντικά μεγαλύτερη ενσωμάτωση ΑΠΕ στο ενεργειακό μείγμα των καταναλωτών.

H Pleione Energy έχει σχεδιάσει και αναπτύξει ένα καινοτόμο σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο βελτιώνει τόσο τα προβλήματα απόδοσης που σχετίζονται με τη χρήση μπαταριών όσο και τα προβλήματα εργονομικής εγκατάστασης συστημάτων αποθήκευσης σε νέα αλλά και υφιστάμενα κτήρια.

Πιο συγκεκριμένα, αντικείμενο του έργου είναι ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η κατασκευή πρότυπου Υβριδικού Συστήματος Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας διασυνδεδεμένο τόσο με το δίκτυο όσο και με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Σκοπός του προτεινόμενου συστήματος είναι η μείωση του κόστους αποθήκευσης ενέργειας ανά κιλοβατώρα για το χρήστη, κάνοντας την αποθήκευση περίσσειας ενέργειας από ΑΠΕ περισσότερο προσιτή και οικονομικά βιώσιμη σαν επένδυση. Στο παρόν έργο, ερευνάται και υλοποιείται ο ιδανικότερος τρόπος αυτομάτου ελέγχου ενός τέτοιου συστήματος που δίνει τη δυνατότητα μέγιστης εκμετάλλευσης των χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων αποθήκευσης ελαχιστοποιώντας τις φθορές από απότομες εναλλαγές, μεγιστοποιώντας τους διαθέσιμους κύκλους λειτουργίας του συστήματος και εξασφαλίζοντας μέγιστη ασφάλεια. Τέλος, το σύστημα είναι σχεδιασμένο ώστε να ενσωματώνεται σε νεκρούς χώρους κτηρίων, αυξάνοντας την εργονομία και την ευκολία εγκατάστασης τέτοιων συστημάτων είτε κατά την κατασκευή νέων κτηρίων, είτε κατά την ανακαίνιση παλιών.

Αγορά στόχος αποτελούν τα πράσινα κτίρια (πολυκατοικίες), δεδομένου ότι σύμφωνα με την οδηγία της ΕΕ, όλα τα νέα κτίρια πρέπει να έχουν σχεδόν μηδενική κατανάλωση ενέργειας έως τις 31 Δεκεμβρίου 2020.

Η πιλοτική εγκατάσταση του ενθέτου υβριδικού συστήματος αποθήκευσης ενέργειας θα υλοποιηθεί στο Τεχνολογικό και Επιστημονικό Πάρκο Αττικής (ΤΕΠΑ) «ΛΕΥΚΙΠΠΟΣ» του Εθνικού Κέντρου Έρευνας Φυσικών Επιστημών (ΕΚΕΦΕ) «Δημόκριτος», ύστερα από αμοιβαία συμφωνία μεταξύ της Pleione Energy και των αρμόδιων φορέων του «ΕΚΕΦΕ» Δημόκριτος.

Τα σημαντικότερα οφέλη που θα προκύψουν από την εγκατάσταση του συστήματος είναι:

Introduction

Linking household renewable energy production (e.g PVs) with efficient energy utilization demands increased energy storage solutions. Currently, decentralized energy storage is accomplished using household or neighborhood UPS systems that mainly employ battery arrays. Low-cost battery chemistries such as Ni-Cd suffer from poor cyclability and low energy density while more advanced lithium-based systems provide high energy density but with increased degradation leading to an operational life of no more than 5000 cycles (average of 5 years).

This project seeks to design and develop a Grid-Connected Hybrid Energy Storage System (HESS) that aims to combine high energy density Lithium-ion battery cells with high power density supercapacitor cells to reduce the size (cost) of the battery and extend its life by avoiding deep discharge through high currents, while avoiding issues that arise from using batteries (overheating, fast degradation, etc.).

Furthermore, the proposed energy storage system will be designed in a way that facilitates extensive and safe integration in buildings’ inert spacing and sectioning elements. Thus, enhancing the overall energy efficiency of the building it pertains.

The target market of Green Buildings is proposed since according to EU’s 2012 Energy Efficiency Directive all new buildings must be nearly zero energy buildings by 31 December 2020.

Primary goal is to demonstrate that such a hybrid system can in fact reduce the cost per stored kWh for the user (compared to only battery-based systems) while performing the following tasks:

Expected Results:

Ο συνδυασμός δύο διαφορετικών τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας και η ενσωμάτωση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της καθεμιάς σε ένα κοινό υβριδικό σύστημα επιτρέπει τη βέλτιστη προσαρμογή στα φορτία που απαιτούνται από τον καταναλωτή μειώνοντας έτσι το βάθος εκφώρτισης των κελιών και τα πολύ υψηλά στιγμιαία ρεύματα, τα οποία οδηγούν σε πρόωρη φθορά των εμπορικά διαθέσιμων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας. Ως εκ τούτου, το DIS απαιτεί λιγότερους ημερήσιους κύκλους λειτουργίας προκειμένου να εξυπηρετεί τις ανάγκες του χρήστη, επιτυγχάνοντας αθροιστικά μεγαλύτερο χρόνο ζωής.

Κύριος στόχος του έργου DIS είναι η μείωση του κόστους αποθήκευσης ενέργειας ανά κιλοβατώρα kWh για το χρήστη, σε σύγκριση με τα συστήματα που βασίζονται μόνο σε κελιά μπαταρίας, κάνοντας την αποθήκευση περίσσειας ενέργειας από ΑΠΕ περισσότερο προσιτή και οικονομικά βιώσιμη σαν επένδυση.

Πιο συγκεκριμένα, θα δοθεί έμφαση:

• στην εύρεση του ιδανικότερου τρόπος αυτομάτου ελέγχου ενός τέτοιου συστήματος που θα δίνει τη δυνατότητα μέγιστης εκμετάλλευσης των χαρακτηριστικών των επιμέρους στοιχείων αποθήκευσης ελαχιστοποιώντας τις φθορές από απότομες εναλλαγές, μεγιστοποιώντας τους διαθέσιμους κύκλους λειτουργίας του συστήματος και εξασφαλίζοντας μέγιστη ασφάλεια
• στην ανάπτυξη κατάλληλου σχεδιασμού που θα διευκολύνει την ασφαλή ενσωμάτωση του συστήματος στα κτήρια που προορίζεται
• στην ανάπτυξη ένθετων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας φιλικότερα για το περιβάλλον και με βελτιωμένη ασφάλεια.

Το σύστημα θα μπορεί να εκτελεί τις ακόλουθες εργασίες:

1. Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ για μεγιστοποίηση της αυτοκατανάλωσης του κτιρίου (οικιακοί/εμπορικοί καταναλωτές Χαμηλής Τάσης (ΧΤ)).
2. Χρονική μεταβολή του φορτίου: η κατανάλωση ενέργειας μετατοπίζεται από ώρες αιχμής σε ώρες χαμηλής τιμής του δικτύου
3. Εφεδρική τροφοδοσία ρεύματος από το χρήστη
4. Δυνατότητα παροχής υπηρεσιών σταθερότητας δικτύου: Χρησιμοποιώντας υπερπυκνωτές, το σύστημα μπορεί να παρέχει υπηρεσίες σταθερότητας δικτύου (πχ. Συχνότητα τάσης)

Προσέγγιση έργου

Το έργο DIS είναι οργανωμένο σε:

• Επτά (7) ενότητες εργασίας (ΕΕ)
• Έντεκα (11) υποενότητες εργασίας (ΥΕ)
• Εννιά (9) παραδοτέα
• Τρία (3) ορόσημα

Οι δραστηριότητες αυτές στηριζόμενες στην βέλτιστη κατανομή εργασιών, χρόνου και πόρων (ανθρώπινων και υλικών), εξασφαλίζουν την αρτιότητα στην υλοποίηση του προτεινόμενου ερευνητικού σχεδίου. Οι ΕΕ καθώς και η αλληλεπίδραση ανάμεσά τους φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα, ενώ θα μπορούσαμε να τις χωρίσουμε σε 3 βασικά στάδια:

Το πρώτο στάδιο αφορά τη διερεύνηση και αποτύπωση των προδιαγραφών λειτουργίας εμπορικών συστημάτων οικιακής αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Παράλληλα θα διερευνηθούν και θα αποτυπωθούν οι εναλλακτικές ενσωμάτωσης και εγκατάστασης του υβριδικού συστήματος αποθήκευσης στους νεκρούς χώρους των κτηρίων (γυψοσανίδες, προσόψεις, κ.λπ.), καθώς και οι ιδιαίτερες προδιαγραφές ασφαλείας που πρέπει να τηρεί το τελικό σύστημα βάσει ευρωπαϊκών και διεθνών προτύπων.

Το δεύτερο στάδιο ενσωματώνει τον κύριο όγκο εργασιών και αφορά το σχεδιασμό του ένθετου υβριδικού συστήματος, την ανάπτυξη και τον εκτενή έλεγχο του πρωτότυπου, καθώς και την αίτηση προστασίας πνευματικών δικαιωμάτων του συστήματος. Τέλος, η εταιρεία θα αποφανθεί σε εξειδικευμένα εργαστήρια για τον έλεγχο απόδοσης και ασφαλούς λειτουργίας του συστήματος, τα οποία θα υποβάλλουν το σύστημα σε εντατικούς κύκλους λειτουργίας, προσομοιώνοντας τόσο τις κανονικές συνθήκες στις οποίες αναμένεται αυτό να λειτουργεί, όσο και πιο ακραίες συνθήκες. Οι έλεγχοι αυτοί είναι κατάλληλα σχεδιασμένοι ώστε να τηρούνται οι Ευρωπαϊκές προδιαγραφές ασφαλείας και να υπάρχουν οι δικλείδες ασφαλείας που ένα τέτοιο σύστημα οφείλει να έχει.

Το τρίτο στάδιο αφορά το σχεδιασμό, ανάπτυξη και έλεγχο της πιλοτικής εγκατάστασης που θα ενσωματώνει το σύστημα αποθήκευσης μέσα σε ένθετο πλαίσιο πραγματικού και λειτουργικού κτηρίου. Παράλληλα με την ανάπτυξη της πιλοτικής εγκατάστασης, θα αναπτυχθεί επιχειρηματικό σχέδιο το οποίο θα περιλαμβάνει μια σειρά κατάλληλων ενεργειών προώθησης marketing και εμπορικής αξιοποίησης του τελικού συστήματος.

Η επιτυχής ενσωμάτωση και λειτουργία του συστήματος σε πραγματικές συνθήκες αποτελεί εξαιρετική πηγή διάχυσης και διαφήμισης των αποτελεσμάτων καθώς αποδεικνύει με τον καλλίτερο τρόπο τα ανταγωνίστηκα πλεονεκτήματα πάνω στα οποία θα βασιστεί η προώθηση του προϊόντος.