Energy storage from renewable energy sources aiming for their high penetration into the energy mix

Abstract

The rapid expansion of renewable energy sources (RES) in Greece has shifted the primary constraint of the energy transition from generation capacity to system integration capability. As photovoltaic and wind penetration increases, the electricity system faces structural challenges including curtailment, injection caps, congestion, and temporal mismatch between supply and demand. Under the regulatory framework defined by Law 4951/2022, Ministerial Decision FEK B’ 3328/2023, the National Energy and Climate Plan (NECP) 2024, and Regulation (EU) 2023/1804 (AFIR), renewable integration must be achieved within strict operational and policy constraints. This doctoral thesis investigates how high renewable penetration in Greece can be achieved through coordinated multi-vector flexibility integration beyond battery-dominated solutions. The research develops progressively across four empirical domains: hybrid island systems, hydrogen sector coupling, maritime electrification (cold ironing), and electrified industrial thermochemical processes. The Green Island case of Agios Efstratios demonstrates that wind–PV–battery–thermal systems significantly increase renewable penetration in isolated grids, but battery scaling exhibits diminishing marginal returns under sustained surplus conditions. Hydrogen integration extends flexibility duration through electrolysis and sector coupling, enabling renewable penetration above conventional thresholds while supporting mobility applications, as demonstrated in the Anafi case study. Maritime electrification at Mytilene port introduces policy-driven demand coupling under AFIR obligations, functioning as a structured renewable absorption mechanism. Finally, electrified frictional pyrolysis in Western Macedonia converts curtailed photovoltaic electricity into biochar, transforming renewable surplus into industrial value and contributing to post-lignite regional transition. Methodologically, the thesis develops a unified modelling framework based on HOMER Pro and RETScreen, embedding regulatory constraints directly into techno-economic and environmental assessments under 2030 and 2050 scenarios. Key performance indicators include renewable penetration, curtailment ratio, Net Present Cost (NPC), Levelized Cost of Energy (LCOE), and CO₂ abatement. The results validate the central hypothesis that high renewable penetration in Greece is achievable only through coordinated multi-vector flexibility integration combining electrochemical storage, hydrogen, demand electrification, and industrial conversion pathways. The proposed integrated architecture provides a regulation-consistent and economically viable roadmap for achieving national decarbonization targets while transforming renewable curtailment from a system constraint into a strategic resource.

Η ταχεία ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) στην Ελλάδα έχει μετατοπίσει τον βασικό περιορισμό της ενεργειακής μετάβασης από την εγκατεστημένη ισχύ παραγωγής στην ικανότητα ενσωμάτωσης στο ηλεκτρικό σύστημα. Η αυξημένη διείσδυση φωτοβολταϊκών και αιολικών εγκαταστάσεων δημιουργεί δομικές προκλήσεις, όπως περικοπές παραγωγής (curtailment), περιορισμούς έγχυσης, συμφόρηση δικτύου και χρονική ασυμφωνία μεταξύ παραγωγής και ζήτησης. Στο πλαίσιο του θεσμικού περιβάλλοντος που καθορίζεται από τον Ν. 4951/2022, την Υπουργική Απόφαση ΦΕΚ Β’ 3328/2023, το Εθνικό Σχέδιο για την Ενέργεια και το Κλίμα (ΕΣΕΚ) 2024 και τον Κανονισμό (ΕΕ) 2023/1804 (AFIR), η ενσωμάτωση των ΑΠΕ οφείλει να επιτυγχάνεται εντός συγκεκριμένων τεχνικών και κανονιστικών περιορισμών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να επιτευχθεί υψηλή διείσδυση ΑΠΕ στην Ελλάδα μέσω συντονισμένης πολυδιανυσματικής ενσωμάτωσης ευελιξίας, πέραν των λύσεων που βασίζονται αποκλειστικά σε συστήματα αποθήκευσης με μπαταρίες. Η ερευνητική πορεία αναπτύσσεται προοδευτικά σε τέσσερις βασικούς άξονες: υβριδικά νησιωτικά συστήματα, ενσωμάτωση υδρογόνου και διασύνδεση τομέων, ηλεκτροδότηση λιμένων (cold ironing) και εξηλεκτρισμένες βιομηχανικές θερμοχημικές διεργασίες. Η μελέτη περίπτωσης του Αγίου Ευστρατίου καταδεικνύει ότι τα υβριδικά συστήματα αιολικών–φωτοβολταϊκών–μπαταριών–θερμικής αποθήκευσης αυξάνουν σημαντικά τη διείσδυση ΑΠΕ σε απομονωμένα δίκτυα, ωστόσο η περαιτέρω κλιμάκωση των μπαταριών εμφανίζει φθίνουσα οριακή απόδοση υπό συνθήκες παρατεταμένου πλεονάσματος. Η ενσωμάτωση υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης και διασύνδεσης με τον τομέα των μεταφορών επεκτείνει τη χρονική ευελιξία του συστήματος και επιτρέπει διείσδυση ΑΠΕ άνω των συμβατικών ορίων, όπως καταδεικνύεται στην περίπτωση της Ανάφης. Η ηλεκτροδότηση του λιμένα Μυτιλήνης, στο πλαίσιο των υποχρεώσεων του AFIR, εισάγει δομημένη ζήτηση που λειτουργεί ως μηχανισμός απορρόφησης ανανεώσιμης παραγωγής. Τέλος, η εξηλεκτρισμένη πυρόλυση τριβής στη Δυτική Μακεδονία μετατρέπει περικοπτόμενη φωτοβολταϊκή ενέργεια σε βιοάνθρακα, συνδέοντας τη διαχείριση του πλεονάσματος με τη βιομηχανική αξιοποίηση και τη δίκαιη μετάβαση των λιγνιτικών περιοχών. Μεθοδολογικά, η διατριβή αναπτύσσει ένα ενοποιημένο πλαίσιο προσομοίωσης με χρήση των λογισμικών HOMER Pro και RETScreen, ενσωματώνοντας ρητά τους κανονιστικούς περιορισμούς στα τεχνοοικονομικά και περιβαλλοντικά σενάρια για τους χρονικούς ορίζοντες 2030 και 2050. Οι βασικοί δείκτες απόδοσης περιλαμβάνουν τη διείσδυση ΑΠΕ, το ποσοστό περικοπών, το Καθαρό Παρόν Κόστος (NPC), το Εξισωμένο Κόστος Ενέργειας (LCOE) και τη μείωση εκπομπών CO₂. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την κεντρική υπόθεση ότι η υψηλή διείσδυση ΑΠΕ στην Ελλάδα είναι εφικτή μόνο μέσω συντονισμένης πολυδιανυσματικής ενσωμάτωσης ευελιξίας, συνδυάζοντας ηλεκτροχημική αποθήκευση, υδρογόνο, εξηλεκτρισμό ζήτησης και βιομηχανική μετατροπή. Η προτεινόμενη ολοκληρωμένη αρχιτεκτονική παρέχει ένα κανονιστικά συμβατό και οικονομικά βιώσιμο οδικό χάρτη για την επίτευξη των εθνικών στόχων απανθρακοποίησης, μετατρέποντας το πλεόνασμα ανανεώσιμης ενέργειας από περιορισμό του συστήματος σε στρατηγικό πόρο.