Τεχνοοικονομική μελέτη του έλεγχου ταχείας συχνότητας δικτύου μέσω οχημάτων κυψελών καυσίμου σε μη-διασυνδεδεμένο νησί
Φόρτωση...
Ημερομηνία
2026-10-09
Συγγραφείς
Τίτλος Εφημερίδας
Περιοδικό ISSN
Τίτλος τόμου
Εκδότης
ΕΛΜΕΠΑ, Σχολή Μηχανικών (ΣΜΗΧ), Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Περίληψη
Η παρούσα μελέτη εστιάζει σε μια καινοτόμα προσέγγιση για τη παροχή ταχείας απόκρισης συχνότητας (Fast Frequency Response) σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, μέσω της χρήσης ενός στόλου ηλεκτρικών οχημάτων κυψέλης καυσίμου (FCEVs). Μεγάλη έμφαση δίνεται σε οχήματα βαρείας χρήσης, καθώς εξαιτίας της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας του υδρογόνου και της ικανότητας τους παροχής ισχύος, έχουν τη δυνατότητα αποτελεσματικής συμβολής στην εξισορρόπηση του συστήματος. Η δυνατότητα τους να μεταβάλλουν ταχύτητα την ισχύ των κυψελών τους επιτρέπει την παροχή εικονικής αδράνειας (Virtual Inertia), παρέχοντας στο σύστημα την κρίσιμη στήριξη κατά τη διάρκεια διαταραχών, ιδιαίτερα σε απομονωμένα συστήματα.
Η υλοποίηση της παραπάνω διαδικασίας γίνεται μέσω αμφίδρομων μετατροπέων (inverters), οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την μετατροπή του συνεχούς ρεύματος (DC) της ηλεκτροχημικής αντίδρασης σε εναλλασσόμενο (AC), εναρμονισμένο με τις προδιαγραφές του δικτύου. Μέσω της μεθόδου droop control γίνεται η ρύθμιση της ισχύος, όπου η έγχυση ενέργειας είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη μεταβολή της συχνότητας, με σκοπό την εξασφάλιση των κρίσιμων πρωτευουσών εφεδρειών.
Από προσομοιώσεις σε ένα μοντέλο αυτόνομου νησιωτικού δικτύου, εξετάζονται διάφορα σενάρια απόκρισης. Μέσω των σεναρίων σταθεροποίησης καταδείχτηκε ότι η ταχεία απόκριση των οχημάτων περιορίζει τις διακυμάνσεις της συχνότητας σε περιπτώσεις αιχμής φορτίου, αποφεύγοντας την ενεργοποίηση των συστημάτων απόρριψης φορτίων.
Στο πιο κρίσιμο σενάριο διαταραχής εξετάστηκε η λειτουργία ενός στόλου 250 μονάδων, σε ταυτόχρονη αύξηση του φορτίου και απώλειας της μεγαλύτερης θερμικής μονάδας (20 MW). Παρά το γεγονός ότι οι αεριοστρόβιλοι έφτασαν στα μέγιστα όρια ισχύος τους, ο στόλος των οχημάτων απέτρεψε το blackout. Η συχνότητα του δικτύου επανήλθε στα φυσιολογικά επίπεδα σταδιακά και με αργό ρυθμό καθώς βασίστηκε αποκλειστικά στους ήδη επιβαρυμένους αεριοστροβίλους. Η παραπάνω ανάλυση απέδειξε τη σημασία του στρατηγικού σχεδιασμού των πόρων και του συντονισμού μεταξύ των οχημάτων και των θερμικών μονάδων.
Η τεχνοοικονομική αξιολόγηση τονίζει την υψηλή βιωσιμότητα της λύσης. Για ένα δίκτυο 100 MW ένας στόλος 100 οχημάτων κρίθηκε επαρκής. Με τη κατανάλωση να ανέρχεται σε 0,3 kg υδρογόνου ανά όχημα και συνολικό κόστος 150 ευρώ, η λύση είναι εξαιρετικά σημαντική, με το κόστος να είναι τρεις φορές μικρότερο συγκριτικά έναντι των κλασικών μπαταριών. Στην περίπτωση της αύξησης του φορτίου ταυτοχρόνως με την απώλεια της μεγαλύτερης γεννήτριας (20 MW), η ανάγκη για ισχύ αυξήθηκε σημαντικά, με την απαίτηση συμβολής 250 φορτηγών. Σε αυτό το σημείο πρέπει να αναδειχτεί ένας κρίσιμος περιορισμό, ενώ τα FCEVs αποτρέπουν το άμεσο blackout προσφέροντας εικονική αδράνεια, η πλήρη ανάκαμψη της συχνότητας καθυστερεί. Αυτό γίνεται διότι οι αεριοστρόβιλοι που απομένουν, λειτουργούν στο μέγιστο της ισχύς τους. Αδυνατούν να καλύψουν το ενεργειακό έλλειμα μόλις εξαντληθεί το διαθέσιμο υδρογόνο των οχημάτων.
Μέσω της μελέτης συμπεραίνεται ότι ένας στόλος 100 οχημάτων αποτελούν τη βάση για την οικονομικά αποδοτική παροχή επικουρικών υπηρεσιών, αλλά για σοβαρές βλάβες απαιτείται μεγαλύτερος αριθμός οχημάτων και χρειάζεται συντονισμός των αποθεμάτων υδρογόνου. Χωρίς την άμεση παρέμβαση των οχημάτων, το σύστημα καταλήγει σε κατάρρευση πριν προλάβουν οι θερμικές μονάδες να αντιδράσουν.
Η παρούσα μεθοδολογία και τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης αποτελούν προϊόν πρωτότυπης έρευνας του γράφοντος σε συνεργασία με τους Ε. Πομποδάκη και Γ.Ορφανουδάκη, η οποία δημοσιεύθηκε στο διεθνές περιοδικό Hydrogen (MDPI), έχοντας περάσει από τη διαδικασία επιστημονικής αξιολόγησης.
This study focuses on an innovative approach for providing Fast Frequency Response (FFR) in power systems by leveraging a fleet of Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs). Significant emphasis is placed on heavy-duty vehicles, which, due to the high energy density of hydrogen and their substantial power injection capability, can effectively contribute to system balancing. Their ability to rapidly modulate the output power of their fuel cells enables the provision of Virtual Inertia, offering critical support to the grid during disturbances, particularly in isolated systems. The implementation of this process is achieved through bidirectional inverters, which are responsible for converting the Direct Current (DC) produced by the electrochemical reaction into Alternating Current (AC), fully synchronized with grid specifications. Power regulation is managed via the droop control method, where power injection is inversely proportional to the frequency deviation, aiming to secure essential primary reserves. Various response scenarios were examined through simulations on an autonomous island grid model. The stabilization scenarios demonstrated that the rapid response of the vehicles limits frequency fluctuations during peak load conditions, preventing the activation of Under-Frequency Load Shedding (UFLS) systems. In the most critical disturbance scenario, the operation of a 250-unit fleet was tested under a simultaneous load increase and the loss of the largest thermal unit (20 MW). Despite the marginal state of the gas turbines, the FCEV fleet prevented a blackout; however, frequency recovery was gradual due to limited hydrogen reserves. This analysis proved the importance of strategic resource planning and coordination between vehicles and thermal units. The techno-economic evaluation highlights the high viability of the solution. For a 100 MW grid, a fleet of 100 vehicles was deemed sufficient for standard operations. With consumption amounting to 0.3 kg of hydrogen per vehicle and a total daily cost of 150 euros, the solution is highly significant, with costs being three times lower than those of conventional battery storage. In the event of a simultaneous load increase and the loss of the largest generator (20 MW), power demand increased significantly, requiring the contribution of 250 trucks. At this point, a critical limitation must be highlighted: while FCEVs prevent an immediate blackout by providing virtual inertia, full frequency recovery is delayed because the remaining gas turbines operate at maximum capacity. They are unable to cover the energy deficit once the vehicles' available hydrogen is exhausted. The study concludes that a fleet of 100 vehicles forms the basis for economically efficient ancillary services, but severe contingencies require a larger number of vehicles and meticulous coordination of hydrogen reserves. Without the immediate intervention of the vehicles, the system would collapse before thermal units could react. The methodology and results of this study are the product of original research by the author in collaboration with E. Pompodakis and G. Orfanoudakis, published in the international journal Hydrogen (MDPI) following a peer-review process.
This study focuses on an innovative approach for providing Fast Frequency Response (FFR) in power systems by leveraging a fleet of Fuel Cell Electric Vehicles (FCEVs). Significant emphasis is placed on heavy-duty vehicles, which, due to the high energy density of hydrogen and their substantial power injection capability, can effectively contribute to system balancing. Their ability to rapidly modulate the output power of their fuel cells enables the provision of Virtual Inertia, offering critical support to the grid during disturbances, particularly in isolated systems. The implementation of this process is achieved through bidirectional inverters, which are responsible for converting the Direct Current (DC) produced by the electrochemical reaction into Alternating Current (AC), fully synchronized with grid specifications. Power regulation is managed via the droop control method, where power injection is inversely proportional to the frequency deviation, aiming to secure essential primary reserves. Various response scenarios were examined through simulations on an autonomous island grid model. The stabilization scenarios demonstrated that the rapid response of the vehicles limits frequency fluctuations during peak load conditions, preventing the activation of Under-Frequency Load Shedding (UFLS) systems. In the most critical disturbance scenario, the operation of a 250-unit fleet was tested under a simultaneous load increase and the loss of the largest thermal unit (20 MW). Despite the marginal state of the gas turbines, the FCEV fleet prevented a blackout; however, frequency recovery was gradual due to limited hydrogen reserves. This analysis proved the importance of strategic resource planning and coordination between vehicles and thermal units. The techno-economic evaluation highlights the high viability of the solution. For a 100 MW grid, a fleet of 100 vehicles was deemed sufficient for standard operations. With consumption amounting to 0.3 kg of hydrogen per vehicle and a total daily cost of 150 euros, the solution is highly significant, with costs being three times lower than those of conventional battery storage. In the event of a simultaneous load increase and the loss of the largest generator (20 MW), power demand increased significantly, requiring the contribution of 250 trucks. At this point, a critical limitation must be highlighted: while FCEVs prevent an immediate blackout by providing virtual inertia, full frequency recovery is delayed because the remaining gas turbines operate at maximum capacity. They are unable to cover the energy deficit once the vehicles' available hydrogen is exhausted. The study concludes that a fleet of 100 vehicles forms the basis for economically efficient ancillary services, but severe contingencies require a larger number of vehicles and meticulous coordination of hydrogen reserves. Without the immediate intervention of the vehicles, the system would collapse before thermal units could react. The methodology and results of this study are the product of original research by the author in collaboration with E. Pompodakis and G. Orfanoudakis, published in the international journal Hydrogen (MDPI) following a peer-review process.
Περιγραφή
Λέξεις-κλειδιά
Μη-διασυνδεμένα νησιά, Ηλεκτρικό όχημα κυψελών καυσίμου, Non-interconnected islands, Fuel cell electric vehicle, MATLAB-simulink, Vehicle-to-Grid