Integrarea pe scară largă a fotovoltaicelor rezidențiale în rețeaua publică
Editura Alastră, Cluj-Napoca, 2019, ISBN: 978-973-650-318-4

Cuprins:

1. INTRODUCERE ................................................................................9
1.1. Lista acronimelor, abrevierilor și notațiilor ..............................................9
1.2. Definiții .................................................................................10
1.3. Scurtă prezentare .........................................................................15
2. SURSE ȘI DATE FOLOSITE .................................................................18
2.1. Datele de la Transelectrica privind SEN ...................................................18
2.2. Date și informații de la Institutul Național de Statistică ................................19
2.3. Alte date .................................................................................19
2.4. Datele de la Eurostat privind energia electrică în Uniunea Europeană ......................19
2.5. Datele de la Fraunhofer ISE privind sistemul E.E. din Germania ............................20
2.6. Datele de la Energinet privind sistemul energetic din Danemarca ...........................22
2.7. Date de la ELIA privind sistemul energetic din Belgia .....................................22
2.8. Date achiziționate prin mijloace proprii privind consumul casnic ..........................23
3. SCOPUL TEZEI ...............................................................................24
3.1. Previziuni în energetică ..................................................................24
3.2. Tendințe în consumul de energie electrică .................................................25
3.3. Scopul lucrării ...........................................................................26
4. TENDINȚE ȘI IDEI NOI ÎN ENERGETICĂ .....................................................28
4.1. Concepte noi ......................... .......................................................28
4.2. Flota de vehiculele electrice .............................................................32
4.3. Concluzii .................................................................................33
5. PROGRAME PENTRU INVESTIGARE ȘI MODELARE ...................................................34
5.1. Baza de date a aplicației Koson ...........................................................35
5.2. Programele aplicației Koson ...............................................................50
5.3. Alte programe .............................................................................78
5.3.1. Prelucrarea informațiilor energetice din România și Danemarca ..........................78
5.3.2. Program pentru stabilirea consumului orar de E.E. pe un an, în România .................78
5.3.3. Program pentru afișarea consumului peste producțiile suprapuse de energie electrică pe surse de combustibil .............................79
5.3.4. Aplicație pentru prelucrarea datelor orare de consum, producție și import/export de energie electrică oferite de Energinet din Danemarca 80
5.3.5. Aplicații pentru modelarea efectului asupra SEN-ului a producției E.E. de către proprietarii individuali de case private ................80
5.4. Sistem de achiziție și de prelucrare a energiei pentru stabilirea consumului orar de energie electrică pe o locuință ......................81
5.5. Concluzii ..................................................................................................85
6. STADIUL ȘI GRADUL DE PENETRARE A FV. ÎN SISTEME ENERGETICE CU SURSE REGENERABILE SEMNIFICATIVE .90
6.1. Situația actuală a sistemelor fotovoltaice în Germania .............................90
6.2. Comparații între sistemele fotovoltaice din România-Germania .......................91
6.3. Diferențe legislative între România și Germania și consecințele ...................94
6.4. Sistemul electro-energetic din Danemarca ..........................................101
6.5. Informații și date despre sistemele fotovoltaice la nivel mondial .................102
6.6. Concluzii .........................................................................103
7. SISTEMUL ENERGETIC NAȚIONAL – S.E.N .............................................104
7.1. Energia primară, energia electrică ...............................................104
7.2. Sistemul Electroenergetic Național, SEN ..........................................104

7.3. Consumul propriu tehnologic din SEN ..............................................108

7.4. Concluzii ........................................................................109
8. INTEGRAREA SISTEMELOR FV ÎN SEN. CONDIȚII GENERALE ...............................110
8.1. Generarea energiilor fotovoltaice ..............................................110
8.2. Predictibilitatea solară .......................................................110
8.3. Fluctuațiile radiației solare ..................................................111
8.4. Determinarea raportului sintetic de dificultate a predictibilității eoliene față de fotovoltaice .111
8.5. Determinarea unor parametri ai sistemelor energetice ...........................117
8.5.1. Coeficientul de elasticitate al unui sistem energetic .......................117
8.5.2. Puterea posibil a fi mobilizată pe minut în SEN ..............................119
8.6. Sistemele fotovoltaice - încărcarea sist. de distribuție a E.E .................121
8.7. Efectele pozitive al energiilor fotovoltaice mici distribuite ..................122
8.7.1. Complementaritatea sezonieră soare vânt ......................................122
8.8. Triplul efect al spațialității .................................................123
8.8.1. Orientarea est-vest a panourilor fotovoltaice ................................123
8.8.2. Diferența orară pe teritoriul țării. Răspândirea geografică ..................124
8.8.3. Efectul spațial al puterilor difuze asupra SEN-ului ..........................124
8.9. Concluzii ......................................................................127
9. CURBA DE SARCINĂ ȘI CONSUMUL DE E.E ............................................128
9.1. Curbe de sarcină, profiluri .....................................................128
9.2. Curba de sarcină diurnă din România .............................................128
9.3. Curba de “sarcină rezidențială” .................................................131
9.4. Consumul mediu de energie electrică pe locuință .................................132
9.5. O nouă paradigma de consum a E.E. Consumul inteligent ..........................136
9.6. Concluzii .......................................................................144
10. PREȚURI ȘI COSTURI REFERITOARE LA FOTOVOLTAICE ......................................145
10.1. Prețul energiei electrice la consumatorul casnic ...............................145
10.2. Costul investiției surselor fotovoltaice pe kWinstalat .........................146
10.3. Prețul de producție, de recuperare a investiției, în sisteme fv. on și off grid 147
10.4. Viitorul privind prețul de producție a kWh din fotovoltaice ..................151
10.5. Concluzie ....................................................................152
11. CELULE FOTOVOLTAICE CU STOCARE ȘI CONECTATE CU REȚEAUA PUBLICĂ .........................153
11.1. Celule conectate și izolate în același timp .......................................153
11.2. Producătorul de energie pentru consumul rezidențial propriu. Stocarea termică a energiei fotovoltaice. Apa caldă menajeră .156
11.3. Celulele fotovoltaice rezidențiale izolate și conectate la rețea. Tipizarea lor. ..157
12.ACOPERIȘURILE REZIDENȚIALE - POTENȚIAL PENTRU SURSE FOTOVOLTAICE .....................167
12.1. Date statistice privind locuințele conform recensământului din 2011 ...............167
12.2. Potențialul de dezvoltare a sistemelor fotovoltaice pe acoperișuri ................167
12.3. Fezabilitatea fizică ..............................................................169
12.4. Fezabilitatea financiară ..........................................................169
12.5. Celulă fotovoltaică cu stocare și consum în curent continuu .......................171
12.6. Concluzii .........................................................................172
13.INTEGRAREA LARGĂ ÎN SEN A CELULELOR FOTOVOLTAICE REZIDENȚIALE .............................173
13.1. Viitorul integrării pe scară largă a celulelor fotovoltaice rezidențiale cu stocare și conectate la rețeaua publică .173
13.2. Simularea termografică a modificării consumului rezidențial asupra SEN-ului în cazul integrării a 511.700 de celule tip FSCR.174
13.3. Simularea mutării consumului din vârful de sarcină noaptea ........................175
13.4. Efectele producției și consumului de E.E. prin celule FSCR ........................177
13.4.1. Aplatizarea diagramei de consum ca medie anuală .................................177
13.4.2. Aplatizarea diagramei de consum reală ...........................................181
13.5. Integrarea pe scară largă a FSCR-urilor în rețeaua Belgiei ........................188
13.6. Concluzii .........................................................................192
14. ALTE DEZVOLTĂRI FOTOVOLTAICE ..............................................................193
14.1. Țigla fotovoltaică, acoperișul fotovoltaic .........................................193
14.2. Microinvertorul dedicat țiglei fotovoltaice ........................................194
14.3. Simularea unui acoperiș cu 16 țigle (0,6mp/țiglă) ..................................195
15. CONCLUZII, CONTRIBUȚII și DEZVOLTĂRI ULTERIOARE ...........................................197
16. BIBLIOGRAFIE ..............................................................................200
17. ANEXE .....................................................................................204


Cui prodest
Cartea este destinată celor care gândesc, tinerilor care îndrăznesc să gândească, celor care ar trebui să planifice dezvoltarea energetică a României, din universități, din institute de profil, din întreprinderi energetice și din agenții guvernamentale.

Rezumat
Îngrijorările legate de schimbările climatice, vulnerabilitatea sistemelor energetice mari într-o lume extrem de turbulentă politic, creșterea consumului de energie electrică și nevoia, dintotdeauna, de eficiență presează regândirea sistemelor energetice. Ca urmare o serie de concepte noi, unele vagi, altele vechi reambalate, altele inconsistente au fost avansate în domeniu, în ultimul timp. Regândirea sistemelor energetice se referă atât la surse și ansamblul sistemelor de conversie cât și la fiecare componentă în parte: generare, transport, distribuție, stocare și consum. Un concept utilizat în ultimul timp în generarea de energie este “microgridul”. În loc de micro, nano sau picogrid, s-a propus un nou concept de celulă de energie, în general și de celulă de energie regenerabilă, în special, deoarece nu dimensiunea contează. În cadrul tezei ne concentrăm pe celulă fotovoltaică întrucât resursa solară se găsește în mod “democratic” peste tot. Ceea ce urmărim este prezentarea structurii și a funcțiilor acestor celule. Conceptul de celule de energie regenerabilă presupune un grup de consumatori, de surse de energie, de instalații de stocare, care funcționează ca un singur sistem controlabil și oferă atât energie electrică cât și termică în zona sa de amplasare, acționând autonom sau interconectat cu rețeaua publică de joasă tensiune. Conceptul de celulă fotovoltaică rezidențială reprezintă cel mai bine un concept mai larg, de resurse energetice distribuite - Distributed Energy Resources. Pentru integrarea energiilor regenerabile în sistemele energetice naționale s-au studiat sistemele din Germania și Danemarca. S-a făcut o evaluare a evoluțiilor fotovoltaice în Germania și România din perspectiva reglementărilor. Se propune o celulă fotovoltaică rezidențială cu stocare și conectată la rețeaua publică (small residential roof-mounted photovoltaic cell with batteries and connected to the grid), deci un nou tip de celulă fotovoltaică izolată și conectată în același timp (on/off grid). Pentru analiza tehnică, economică și pentru studiul ei s-a creat o unealtă software specială, un mediu de proiectare numit KOSON dezvoltat în Matlab. Ca noutate absolută, prin KOSON se modelează aleator fluxul energiilor solare zilnice, zi după zi, pe parcursul unui întreg an respectiv se modelează în limita abaterilor medii lunare stabilite de NASA prin observații multianuale. S-au colectat date din SEN și s-au procesat pentru: i)a crea un model de consum, ii)a compara diferența dintre sursa eoliană și solară. Pentru determinarea consumului real dintr-o gospodărie, necesar modelărilor legate de integrarea pe scară largă a celulelor fotovoltaice rezidențiale, s-a dezvoltat un sistem de achiziții. Modelările s-au făcut cu multe profiluri de consum pentru a deduce profilul cel mai adecvat unei gospodării dotate cu celulă fotovoltaică proprie. S-a stabilit, prin modelări, că un profil de consum axat pe mijlocul zilei ajută siguranței alimentării pentru zilele următoare, după cum creșterea capacității de stocare nu rezolvă nici problema deficitului de energie din sezonul rece și nici problema energiilor necolectate din sezonul cald. Noua de celulă fotovoltaică rezidențială cu facilități de stocare, care pot funcționa izolat și conectat cu rețeaua electrică, în același timp, (FSCR-Fotovoltaice cu Stocare Conectate la Rețea), acoperă cerințele de consum considerate ca fiind tipice, în prezent. S-a definit un nou tip de invertor cu încărcător cu două căi de la panou și de la rețea, din care calea spre rețea este bidirecțională. Acest nou tip de celulă energetică, are perspectiva viitorului - celula energetică inteligentă. S-a încercat să se vadă cât de multă energiei fotovoltaică poate să accepte SEN-ul prin cuantificarea efectului asupra gradienților de putere în cazul unui aport fotovoltaic în instalații mari în plus față de cel existent. S-a propus coeficientul VES, care să măsoare „vulnerabilitatea” eoliană raportată la cea solară. Concluzia a fost că adăugarea a 1.7 GW fotovoltaice, în instalații mari, nu se resimte negativ în SEN. Abia prezența a 13 GW fotovoltaice, instalații mari, care debitează în medie tensiune, echivalează cu problemele create de cei 3GW eolieni existenți. Capacitatea acoperișurilor locuințelor individuale și private de a susține panouri fotovoltaice a fost calculat la 20GW. Clasa mijlocie (venit lunar > 5000lei), reprezintă circa 10% din totalul populației active. A rezultat că circa 500.000 gospodării ar putea investi între 2500-3500 de euro pentru a produce un kWh cu 0,07€ în loc să plătească pe 0.14€ pe kWh la distribuitori de E.E. Creșterea diferenței dintre cele două prețuri putând fi motorul pentru investiția în celula fotovoltaică rezidențială. În cele din urmă, s-au dezvoltat trei metode, concretizate fiecare în programe, pentru a vedea efectele integrări pe scară largă a celulelor fotovoltaice rezidențiale în SEN. Rezultatele modelăriilor obținute arată valabilitatea soluției propuse, SEN-ul devine mai stabil deoarece componentele vor fi subîncărcate, curba consumului în SEN se va aplatiza și va rămâne mai multă putere în rezervă pentru ajustări, incidente și accidente. Integrarea pe scară largă a celulelor fotovoltaice mici, rezidențiale, mai adaugă la acestea avantajul spațialității geografice, acela ar lărgirii clopotului producției fotovoltaice.

Concluzia generală:
Cu cât mai multe energii fotovoltaice mici, rezidențiale, cu facilități de stocare și conectare la rețea, montate pe acoperișuri, răspândite geografic, vor fi integrate în actualul SEN, cu atâta acesta devine mai stabil și capabil să facă față gradienților de putere generați de accidente majore sau de intempestivitatea energiei eoliene.

Concluzia cu implicații socio-financiare:
România poate adăuga cel puțin 1GW fotovoltaic în SEN în celule fotovoltaice rezidențiale cu stocare și conectate la rețea fără să investească un leu, și asta cu efecte pozitive asupra stabilității sistemului electroenergetic național.

«-- Înapoi