Analysis of a hybrid renewable energy system in the optimal management of water resources in arid islands

Abstract

Renewable energy sources (RES) are the main priority for the European Union (EU), as evidenced by the institutional framework introduced over the past few decades leading to the increasing penetration of RES in the energy balance worldwide. Renewable energy sources are becoming increasingly popular as the world looks to transition away from fossil fuels and reduce greenhouse gas emissions (GHG). Also, the necessity for carbon-free technology, such as RES applications, to meet the world's electricity needs, is driven by climate change. The renewable energy target for 2030 was set at a minimum of 32% of gross final consumption, 32.5% for energy efficiency, and a minimum of 40% reduction in GHG under the Renewable Energy Directive 2018/2001/EU (RED II). The transition to renewable energy sources offers several benefits, including reducing GHG, reducing energy costs and increasing energy security by relying on local, sustainable sources of power. The increasing penetration of RES in the power mix has led to new challenges in balancing supply and demand. Wind and solar energy are intermittent and dependent on various climatic factors, making it challenging to forecast energy availability and meet immediate electricity demand. The solution to this problem is to use hybrid renewable energy systems (HRES), which combine at least one form of RES and at least one form of energy storage technology to store surplus renewable energy that cannot be utilized immediately. This research aims to develop a comprehensive approach for the integration of renewable energy sources in meeting energy and water needs in remote islands, by exploiting both their wind and solar potential, as well as different storage technologies for the storage of surplus renewable energy. The study area is Fournoi Korseon, an island in the North Aegean Sea. A methodology for the evaluation of eligible sites for the installation of wind turbines is developed, using a combination of Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) and Geographic Information Systems (GIS) and considering various technical, environmental, and legal criteria for the design of a wind farm. Afterwards, energy management strategies are described based on single or hybrid storage methods, depending on the storage technologies of seven different scenarios, resulting in the reliability analysis of each HRES and the estimation of economic and environmental indices. Finally, the methodology for calculating the rejected energy during the operation of an HRES is presented.

Οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) αποτελούν την κύρια προτεραιότητα για την Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ), όπως αποδεικνύεται από το θεσμικό πλαίσιο που εισήχθη τις τελευταίες δεκαετίες και οδηγεί στην αυξανόμενη διείσδυση των ΑΠΕ στο ενεργειακό ισοζύγιο παγκοσμίως. Οι ΑΠΕ γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς καθώς ο κόσμος προσβλέπει στη μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα και στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Επίσης, η ανάγκη για χρήση τεχνολογιών χωρίς άνθρακα, όπως οι εφαρμογές ΑΠΕ, για την κάλυψη των παγκόσμιων αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια, οφείλεται στην κλιματική αλλαγή. Ο στόχος ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για το 2030 ορίστηκε σε τουλάχιστον 32% της ακαθάριστης τελικής κατανάλωσης, 32,5% για ενεργειακή απόδοση και ελάχιστη μείωση 40% στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου βάσει της Οδηγίας για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας 2018/2001/ΕΕ (RED II). Η μετάβαση στις ΑΠΕ προσφέρει πολλά οφέλη, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου, της μείωσης του ενεργειακού κόστους και της αύξησης της ενεργειακής ασφάλειας βασιζόμενη σε τοπικές, βιώσιμες πηγές ενέργειας. Η αυξανόμενη διείσδυση των ΑΠΕ στο ενεργειακό μείγμα έχει οδηγήσει σε νέες προκλήσεις για την εξισορρόπηση της προσφοράς και της ζήτησης. Η στοχαστική φύση του αιολικού δυναμικού και της ηλιακής ακτινοβολίας που εξαρτώνται από διάφορους κλιματικούς παράγοντες, καθιστά δύσκολη την πρόβλεψη της διαθεσιμότητας ενέργειας και την κάλυψη της άμεσης ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η χρήση υβριδικών συστημάτων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΥΒΣ), τα οποία συνδυάζουν τουλάχιστον μία μορφή ΑΠΕ και τουλάχιστον μία μορφή τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας για την αποθήκευση πλεονάζουσας ανανεώσιμης ενέργειας που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα.Η παρούσα έρευνα στοχεύει να αναπτύξει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για την ενσωμάτωση των ΑΠΕ στην κάλυψη αναγκών ενέργειας και νερού σε απομακρυσμένα νησιά, αξιοποιώντας τόσο το αιολικό όσο και το ηλιακό δυναμικό, καθώς και διαφορετικές τεχνολογίες αποθήκευσης για την αποθήκευση πλεονάζουσας ανανεώσιμης ενέργειας. Η περιοχή μελέτης είναι οι Φούρνοι Κορσεών, ένα νησί στο Βόρειο Αιγαίο. Αναπτύσσεται μια μεθοδολογία για την αξιολόγηση των επιλέξιμων θέσεων για την εγκατάσταση ανεμογεννητριών, χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό Πολυκριτηριακής Λήψης Αποφάσεων και Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και λαμβάνοντας υπόψη διάφορα τεχνικά, περιβαλλοντικά και νομικά κριτήρια για το σχεδιασμό ενός αιολικού πάρκου. Στη συνέχεια, περιγράφονται στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας με βάση απλές ή υβριδικές μεθόδους αποθήκευσης, ανάλογα με τις τεχνολογίες αποθήκευσης επτά διαφορετικών σεναρίων, με αποτέλεσμα την ανάλυση αξιοπιστίας κάθε ΥΒΣ και την εκτίμηση των οικονομικών και περιβαλλοντικών δεικτών. Τέλος, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού της απορριφθείσας ενέργειας κατά τη λειτουργία ενός ΥΒΣ.