Η SmartRUE, τα “ευφυή” δίκτυα και η πράσινη μετάβαση

Σε μια ιδανική «μεταλιγνιτική» εποχή οι πολίτες θα έχουν ενεργό ρόλο στην παραγωγή, αποθήκευση, πώληση και γενικά στη διαχείριση καθαρής ενέργειας, θα είναι μέλη ενεργειακών κοινοτήτων, θα απολαμβάνουν τα οφέλη της χρήσης “έξυπνων” δικτύων (smart grids), αλλά και μικροδικτύων, αποκτώντας ενεργειακή ανεξαρτησία, σε περιπτώσεις βλαβών στο κεντρικό δίκτυο, και επιτυγχάνοντας βελτίωση του κόστους της. Επιπλέον, θα έχουν στα σπίτια τους “ευφυείς” μετρητές ηλεκτρικού ρεύματος και ελεγκτές φορτίων (πράκτορες) χωρίς κεντρικό έλεγχο, που θα αντιλαμβάνονται την κατάσταση του δικτύου από τους γειτονικούς μετρητές και θα αποφασίζουν αυτόνομα ποιες καταναλώσεις θα απομονώσουν, κάνοντας χρονική μετάθεση φορτίου, χωρίς επιπτώσεις στην ποιότητα και με την μικρότερη επιβάρυνση του δικτύου. Φανταστείτε ακόμη ένα “έξυπνο” οικιακό δίκτυο που θα αποθηκεύει σε συσσωρευτές (μπαταρίες) την υπερεπαρκή ποσότητα παραγόμενης ενέργειας για να τη χρησιμοποιήσει όταν χρειαστεί, όπως για παράδειγμα, για τη φόρτιση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου, ακόμα και τη νύχτα ή σε ένα “έξυπνο” πλυντήριο, που τίθεται αυτομάτως σε λειτουργία την ώρα που το φορτίο του ηλεκτρικού επανέρχεται σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο.

Και αν όλα αυτά φαντάζουν για κάποιους πολύ μακρινά ή ουτοπικά, για τα μέλη της ομάδας SmartRUE του Εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας στη Σχολή Ηλεκτρολόγων και μηχανικών Η/Υ του ΕΜΠ, είναι απλά η καθημερινότητά τους. Αυτή την καθημερινότητα περιγράφει σήμερα στο startupper μέσα από τον χώρο της, η ομάδα που επικεντρώνεται ερευνητικά στην ενεργειακή μετάβαση. Η SmartRUE (από το Smart grids Research Unit of the Electrical and Computer Engineering School) συστάθηκε και λειτουργεί υπό την εποπτεία του καθηγητή Νίκου Χατζηαργυρίου και αποτελείται από 40 άτομα, μεταδιδακτορικούς επιστήμονες, διδακτορικούς και μεταπτυχιακούς φοιτητές και συνεργάτες-ερευνητές με υψηλή εξειδίκευση, ενώ υποστηρίζεται τεχνικά και διοικητικά από το προσωπικό του Εργαστηρίου ΣΗΕ του ΕΜΠ.

Ο εμπνευστής και ιδρυτής της ομάδας, καθηγητής Χατζηαργυρίου έχει συμπεριληφθεί για 3 συνεχόμενα έτη (2016-2019) στο 1% των ερευνητών με τις περισσότερες αναφορές δημοσιεύσεων παγκοσμίως (Highly Cited Research), δηλ. στη λίστα του οργανισμού Thomson Reuters με τους επιστήμονες με τη μεγαλύτερη επιρροή παγκοσμίως με την έρευνά τους, έχει διατελέσει πρόεδρος και διευθύνων σύμβουλος του ΔΕΔΔΗΕ και θεωρείται ένας από τους πρωτεργάτες των μικροδικτύων, αφού συντόνισε κατά τη δεκαετία του 2000 τα πρώτα ευρωπαϊκά ερευνητικά προγράμματα για τα μικροδίκτυα.

Στα πλαίσια αυτά έγιναν και οι πρώτες πιλοτικές εγκαταστάσεις μικροδικτύων στην Ευρώπη, ανάμεσά τους και το μικροδίκτυο στην περιοχή της Γαϊδουρόμαντρας, της Κύθνου το οποίο φτιάχτηκε από το ΚΑΠΕ και ενισχύθηκε με ευφυείς ελεγκτές φορτίου και άλλες καινοτόμες εφαρμογές. Ο καθηγητής ξαναγυρίζει τώρα στη Κύθνο με την ομάδα του για νέες πιλοτικές εφαρμογές που σχεδιάζονται σε μη διασυνδεδεμένο νησιωτικό ηλεκτρικό σύστημα. Αξίζει να σημειωθεί πως ο ίδιος τιμήθηκε το 2020 με ένα από τα πλέον σημαντικά διεθνή βραβεία, το Global Energy Prize για την προσφορά του στον χώρο της ενέργειας.

“Ευφυή” δίκτυα από μια έξυπνη ομάδα

Σε μια προσπάθεια ορισμού των “έξυπνων” δικτύων ο Καθ. Χατζηαργυρίου περιγράφει δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να ενσωματώσουν έξυπνα τις ενέργειες όλων των διασυνδεδεμένων σε αυτά χρηστών-παραγωγών, καταναλωτών και εκείνων που κάνουν και τα δύο, προκειμένου να παρέχουν αποτελεσματικά βιώσιμο, οικονομικό και ασφαλή τροφοδοσίας ηλεκτρικής ενέργειας. Τα μικροδίκτυα που ανήκουν στα “έξυπνα” δίκτυα, είναι δίκτυα χαμηλής και μέσης τάσης που περιλαμβάνουν τοπικές πηγές ΑΠΕ, μπαταρίες και ευέλικτα φορτία με τη λειτουργία τους να υπόκειται σε διαρκή έλεγχο. Στα μικροδίκτυα βασίζονται οι ενεργειακές κοινότητες, με τις οποίες ασχολούνται αρκετά μέλη της ομάδας, όπως ο υποψήφιος διδάκτορας Αλέξανδρος Χρόνης, ο οποίος εργάζεται πάνω στο τεχνικό και στο κοινωνικό κομμάτι δημιουργίας μιας κοινότητας. Τα μέλη της ομάδας έχουν μάλιστα συστήσει και τη δική τους ενεργειακή κοινότητα. Το βασικό πλεονέκτημα και ταυτόχρονα χαρακτηριστικό των μικροδικτύων είναι ότι μπορούν να δουλεύουν είτε διασυνδεδεμένα με το δίκτυο, είτε αυτόνομα, παρέχοντας μεγαλύτερη ασφάλεια και αξιοπιστία στην κατανάλωση, ακόμα και σε περιπτώσεις που το δίκτυο αντιμετωπίζει προβλήματα.

Όσα περιγράφει ο καθηγητής τα βλέπει κάποιος μέσα στο εργαστήριο σε μικρογραφία. Στην ταράτσα του κτιρίου υπάρχουν φωτοβολταικά πάνελ, αλλά και μια μικρή ανεμογεννήτρια που κατασκευάζουν μόνοι τους οι ερευνητές για τις ανάγκες των πειραμάτων τους. Όλα συνδέονται με δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης μέσω μετατροπέων ισχύος και τροφοδοτούν το βασικό μέρος του εργαστηρίου που είναι ένα μικροδίκτυο, που επιπλέον περιλαμβάνει μπαταρίες, ελεγχόμενα φορτία και ελεγχόμενη διασύνδεση με το τοπικό δίκτυο. Οι μετατροπείς ελέγχονται κατάλληλα ώστε να επιτρέπουν τη λειτουργία του συστήματος, είτε με το διασυνδεδεμένο δίκτυο (grid-tied), ή σε αυτόνομη (island) λειτουργία με γρήγορη μετάβαση από την μία κατάσταση στην άλλη. Στο εργαστήριο έχουν κατασκευαστεί ανεμογεννήτριες για φόρτιση συσσωρευτών ή για σύνδεση στο δίκτυο, με διαμέτρους πτερωτής μέχρι και 4.3 μέτρα. Αυτή τη γνώση τη μεταφέρουν επίσης τα μέλη της ομάδας σε μαθητές γυμνασίων και λυκείων μέσα από εκπαιδευτικά σεμινάρια και εργαστήρια κατασκευής ανεμογεννητριών σε σχολεία. Ήδη μέχρι στιγμής έχουν επισκεφθεί 6-7 σχολεία. Στον εξοπλισμό του εργαστηρίου συμπεριλαμβάνεται κι ένας 3D εκτυπωτής στον οποίο οι ερευνητές εκτυπώνουν πτερύγια ανεμογεννητριών.

Ο καθηγητής με την ομάδα του έχουν εγκαταστήσει φωτοβολταικά πάνελς και μικρές ανεμογεννήτριες και έχουν οργανώσει εκπαιδευτικά σεμινάρια σε αναπτυσσόμενες χώρες στην Αιθιοπία, στο Νεπάλ, στην Ινδία, στη Λ. Αμερική και σε άλλα σημεία του πλανήτη. Αυτή τη στιγμή μάλιστα «τρέχουν» ένα αρκετά φιλόδοξο Ευρωπαϊκό πρόγραμμα εγκατάστασης μικροδικτύων σε περιβάλλοντα με άγριες κλιματικές συνθήκες σε απομονωμένες περιοχές στην Ινδία, ως προϊόν Ινδοευρωπαϊκής συνεργασίας μαζί με Δανούς και Άγγλους συναδέλφους τους.

Το εργαστήριο διαθέτει επίσης και μια συσκευή προσομοίωσης ηλιακής ακτινοβολίας για πειράματα σε φωτοβολταικά πάνελ σε ειδικές συνθήκες λειτουργίας ή όταν ο καιρός δεν το επιτρέπει. Για προσομοίωση προσφέρεται και μια πολύτιμη συσκευή Real time digital simulator που βρίσκεται σε περίοπτη θέση μέσα στο εργαστήριο. «Είναι δύσκολη η μελέτη ενός μεγάλου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, για αυτό κάνουμε προσομοίωση σε υπολογιστή», εξηγεί ο διδακτορικός ερευνητής Δημήτριος Λαγός που ασχολείται με προσομοιώσεις σε πραγματικό χρόνο, με έλεγχο ηλεκτρονικών ισχύος, με διασπαρμένη παραγωγή και με μικροδίκτυα, και συνεχίζει: «Κατασκευάζουμε κατάλληλα μοντέλα και τα «τρέχουμε» σε real time σε ισχυρούς παράλληλους επεξεργαστές. Η προσομοίωση αυτή μας επιτρέπει να μελετάμε τη συμπεριφορά δικτύων σε πραγματικό χρόνο, δίνοντάς μας και τη δυνατότητα σύνδεσης πραγματικών συσκευών ισχύος στα προσομοιωμένα ηλεκτρικά δίκτυα. Έτσι συνδυάζουμε τα πλεονεκτήματα της προσομοίωσης (ευελιξία, ασφάλεια) και των εργαστηριακών δοκιμών με χρήση της πραγματικής συσκευής». Τη σύνδεση του εξοπλισμού στη μονάδα προσομοίωσης έχει αναλάβει, μεταξύ άλλων, η υποψήφια διδάκτορας Άλκηστις Κόντου η οποία είναι ειδική στα ηλεκτρονικά ισχύος και ελέγχει τους αντιστροφείς στα σημεία σύνδεσης  των ΑΠΕ στο δίκτυο.

Μικροδίκτυα για ανθεκτικότητα

Ο καθηγητής με τη SmartRUE  έχουν πειραματιστεί με μικρές διασπαρμένες μονάδες παραγωγής ενέργειας κι έχουν εγκαταστήσει μικροδίκτυα σε διάφορα μέρη, όπως σε έναν παραθαλάσσιο κατασκηνωτικό συνεταιρισμό 170 μικρών λυόμενων κατοικιών στην Ραφήνα. Το σύστημα που έχει σχεδιασθεί από το ΕΜΠ επιτρέπει στις διασπαρμένες μονάδες και σε συσκευές κατανάλωσης να «διαπραγματεύονται» χωρίς κεντρικό έλεγχο με στόχο τη βέλτιστη κατανομή της διαθέσιμης ενέργειας και βασίζεται σε λογισμικό, το οποίο υλοποιείται σε “ευφυείς” ελεγκτές φορτίου (πράκτορες). «Ο ελεγκτής είναι επεκτάσιμος με διάφορες σειριακές και μία USB θύρα και έχει την δυνατότητα όχι μόνο να παρακολουθεί αλλά και να ελέγχει αρκετές συσκευές. Είναι σχεδιασμένος για εσωτερική εγκατάσταση και είναι εξοπλισμένος με μια οθόνη στην οποία εμφανίζονται μηνύματα στον καταναλωτή σχετικά με την κατάσταση του συστήματος, την κατανάλωση και το κόστος της ενέργειας. Οι πληροφορίες αυτές είναι επίσης διαθέσιμες σε αυτούς μέσω του διαδικτύου», εξηγεί ο καθηγητής Χατζηαργυρίου, δείχνοντας μου τέτοιους “έξυπνους μετρητές” μέσα στο εργαστήριο.

Ακούγοντας κάποιος για “ευφυή” δίκτυα και μικροδίκτυα δεν μπορεί να μη ρωτήσει για τη δυνατότητα μεταμόρφωσης του υφιστάμενου ηλεκτρικού συστήματος όπου η παραγωγή είναι συγκεντρωμένη και η ισχύς ρέει προς µία κατεύθυνση, σε ένα “έξυπνο” δίκτυο, όπου η παραγωγή ισχύος είναι αμφίδρομη, η ισχύς ρέει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση αυξάνοντας συνάμα την αξιοπιστία του ηλεκτρικού συστήματος, αλλά και την ανθεκτικότητά του, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις φυσικών καταστροφών. Ο Δημήτρης Ν. Τράκας, ένα άλλο μέλος της ομάδας που έχει ολοκληρώσει το διδακτορικό του στην εκτίμηση και ενίσχυση ανθεκτικότητας των Συστημάτων Ηλεκτρική Ενέργειας, εξηγεί την αξία των έξυπνων δικτύων για την ανθεκτικότητα των ενεργειακών συστημάτων σε φυσικές καταστροφές, όπως π.χ. σε πυρκαγιές: «Έχει μεγάλη σημασία να βλέπεις την εξέλιξη της πυρκαγιάς και να εκτιμάς με ακρίβεια πού και πότε θα πλήξει το δίκτυο. Σε περιπτώσεις εκτεταμένων βλαβών είναι χρήσιμες διασπαρμένες ή κινητές μονάδες για να το τροφοδοτήσουν εκεί όπου διακόπτεται. Με το πέρας της φωτιάς, αν το δίκτυο είναι ψηφιοποιημένο μπορείς να εντοπίσεις το σημείο της βλάβης και να σπεύσεις γρήγορα να την αποκαταστήσεις». Παρεμβαίνοντας ο καθηγητής Χατζηαργυρίου σχολιάζει πως τέτοιου τύπου συστηματικές μελέτες δεν έχουν γίνει μέχρι στιγμής στην Ελλάδα και πως το μόνο μέτρο που συζητείται είναι η υπογειοποίηση. «Φανταστείτε πως σε μια φυσική καταστροφή διακόπτεται η παροχή ενέργειας γιατί ένα τμήμα του συστήματος πλήττεται. Τότε αυτό το τμήμα απομονώνεται και συνεχίζει το δίκτυο να δουλεύει ενεργοποιώντας τις δικές του τοπικές πηγές, εξυπηρετώντας τα πιο κρίσιμα φορτία. Αυτό συνέβη π.χ. στο μικροδίκτυο Sendai της Ιαπωνίας, όταν έγινε το ατύχημα της Φουκουσίμα», συμπληρώνει ο ίδιος επισημαίνοντας πως τώρα αρχίζει να αλλάζει διεθνώς προς την κατεύθυνση αυτή και η φιλοσοφία του resilience (ανθεκτικότητας).

Η συζήτηση με την ομάδα SmartRUE και με τον καθηγητή Χατζηαργυρίου δεν τελειώνει ποτέ, αντίθετα τώρα ξεκινά, αφού η ενεργειακή μετάβαση, ιδιαίτερα σε ένα αποκεντρωμένο μοντέλο που θα βασίζεται στην επένδυση των πολλών σε ΑΠΕ, χωρίς αποκλεισμούς, έχει μπει για τα καλά στον δημόσιο διάλογο. Οδεύοντας προς την έξοδο του εργαστηρίου ο κ. Χατζηαργυρίου μιλάει με υπερηφάνεια για την ομάδα του, αλλά και για τους κόπους που έχει καταβάλει να την αναπτύξει και να την κρατήσει εντός της χώρας. «Ακούμε από την Πολιτεία για αναστροφή του brain drain, για brain return αλλά επί της ουσίας δεν υπάρχει καμία βοήθεια. Αν δεν υπήρχαν τα ευρωπαϊκά ερευνητικά προγράμματα θα είχαμε χάσει ακόμα περισσότερους λαμπρούς νέους επιστήμονες», σχολιάζει ο διαπρεπής επιστήμονας. Την ίδια ώρα μέσα στο εργαστήριο φιλοξενούνται δυο ερευνητές από τη Φινλανδία που μόλις έχουν καταφθάσει και θα παραμείνουν στην Αθήνα για ένα μήνα, στο πλαίσιο ενός ευρωπαϊκού προγράμματος, προκειμένου να εκπαιδευτούν από τον καθηγητή και την ομάδα του στην τεχνολογία των “έξυπνων” δικτύων και των μικροδικτύων. «Το εργαστήριο μας είναι περιζήτητο και περιλαμβάνεται στα καλύτερα διεθνώς εργαστήρια διεσπαρμένης παραγωγής και μικροδικτύων», λέει ο ίδιος και αυτό αποδεικνύεται από τα αμέτρητα βραβεία και τις διακρίσεις που έχει κατά καιρούς αποσπάσει.