As a result of the mining that has taken place over the last century in South Africa, many towns and cities have developed around mining hubs, the most significant of these being the city of Johannesburg. Over the years, residential areas have grown around these mine sites, even well after decommissioning of the mining activities. The mining activities left a lasting legacy of derelict mining infrastructure with negative effects on the surrounding environment and community, such as dormant mine shafts, sterilised land and abandoned Tailings Storage Facilities (TSFs). Due to lack of funds, commitment from mine owners and regulators these facilities are often left unrehabilitated, posing negative environmental impacts, including potential health hazards to the surrounding community. This legacy of problems posed by abandoned mines encountered in South Africa is probably unique in scale compared to any country in the world. A significant problem South Africa currently faces is an electricity shortage, especially during the high demand season from the start of June to end of August, when it is winter in South Africa. This period is occasionally associated with so called controlled “load shedding”, i.e. managed power interruptions to prevent overload and subsequent collapse of the electricity supply and distribution network. South Africa is highly reliant on coal-fired power stations for the majority of electricity consumed, which has detrimental effects on the environment due to high carbon emissions. However, a global shift towards renewable energy, as well as South Africa’s energy shortage, has forced the National Energy Regulator of South Africa to encourage greener alternatives. This study is aimed at finding an opportunity to generate more electricity, which is sustainable and with reduced carbon emissions. This study was conducted to determine the financial and practical feasibility of generating energy from the ERGO TSF, near Brakpan Johannesburg, as a post closure land use option. The following options were investigated: • Solar Photovoltaic electricity generation • Pump storage scheme development • A combinations of the above In addition, rainwater harvesting and wind power generation were also considered, but were abandoned early on in the study. From the study it was concluded that a Solar PV plant on top of the ERGO TSF will achieve the highest possible IRR of 10.70% and a power generation capacity of 471.9 MWp. Developing a pump storage scheme at the ERGO TSF can achieve an IRR of 10.27% and generation capacity of 78.2 MW. Combining the two options independently on the same site will result in an IRR of 10.61% and a combined peak generation capacity of 550 MW. If the combined system is required to be independent of the surplus electricity available in the grid an IRR of 10.32% and a combined generation capacity of 550 MW is achievable. From a financial and technical perspective it is considered to be most beneficial to implement only the solar PV plant on top of the ERGO TSF. Construction of a pump storage scheme on TSF is considered to be a challenging undertaking and seeing that its generation capacity is only 17% of that of the solar PV facility on the same ERGO site, it is probably not the optimal solution for utilisation. Solar panels are light weight structures that can easily be installed in large numbers on TSFs with little engineering challenges. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2015. / tm2015 / Civil Engineering / MEng / Unrestricted

Η παρούσα διπλωματική εργασία συνιστά μια επισκόπηση του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας της νήσου Ικαρίας. Πρόκειται για ένα Αυτόνομο Σύστημα Παραγωγής, που βασίζεται σε έναν Τοπικό Σταθμό Παραγωγής, ισχύος 14 MW, που λειτουργεί με εμβολοφόρες πετρελαιομηχανές. Σκοπός της εργασίας είναι τόσο η μελέτη του συγκεκριμένου συστήματος, αλλά και η γενικότερη προσέγγιση των ΣΗΕ, και ειδικά των ΑΣΠ με τις ιδιαιτερότητες που τα χαρακτηρίζουν. Στην συνέχεια χρησιμοποιείται το λογισμικό προσομοίωσης HOMER Energy, με το οποίο κατασκευάζεται ένα μοντέλο του ΣΗΕ. Το λογισμικό εκτελεί τεχνοοικονομική ανάλυση της λειτουργίας συστημάτων, σε όλο τον κύκλο ζωής τους, και εξάγει συμπεράσματα όσον αφορά την βιωσιμότητα και την βέλτιστη μορφή τους. Με το εργαλείο αυτό διερευνώνται ζητήματα όπως η δυνατότητα διείσδυσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο ΑΣΠ Ικαρίας, καθώς και η μελλοντική λειτουργία του συστήματος, μετά την ένταξη του κατασκευαζόμενου Υβριδικού Ενεργειακού Έργου (αιολικού - υδροηλεκτρικού). Το πρότυπο αυτό έργο, ισχύος μέχρι 6,8 MW, θα επιτρέπει την αποθήκευση ενέργειας, με την μορφή της αντλησιοταμίευσης, σε δεξαμενή νερού. Η μελέτη του ΣΗΕ Ικαρίας συμπληρώνεται με την ανασκόπηση του ζητήματος των κεραυνικών πληγμάτων στις γραμμές μέσης τάσης, όπου γίνεται υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων, σε αντιπαράθεση με καταγεγραμμένα, ενώ προτείνονται λύσεις για την μείωση των προβλημάτων που δημιουργούν οι υπερτάσεις. Η συλλογή των στοιχείων της εργασίας έγινε από επιτόπιες καταγραφές, από δεδομένα που μας διατέθηκαν και από δημοσιευμένες πληροφορίες. Τα στοιχεία αυτά παρουσιάζονται κατά την επισκόπηση, μαζί με απαραίτητες διευκρινήσεις και παραπομπές στην βιβλιογραφία. Στην συνέχεια με τα στοιχεία αυτά κατασκευάζεται το μοντέλο του συστήματος, γίνονται οι υπολογισμοί, και συγκρίνονται τα αποτελέσματα. Αφού στο 1ο Κεφάλαιο δοθούν οι απαραίτητες εισαγωγικές διευκρινήσεις για τα ΣΗΕ και τα ΑΣΠ, και μια αναφορά στις ΑΠΕ, παρουσιάζονται στο 2ο Κεφάλαιο γεωγραφικά στοιχεία για το νησί, και μια σύντομη ιστορική αναδρομή στο ενεργειακό του σύστημα. Η επισκόπηση του ΑΣΠ Ικαρίας ξεκινά στο 3ο Κεφάλαιο με τα στοιχεία της Παραγωγής ενέργειας, περιγράφοντας αναλυτικά τον ΤΣΠ, τις μονάδες και τις εγκαταστάσεις του και αναλύοντας την λειτουργία του. Περιγράφεται έπειτα μία εγκατεστημένη Ανεμογεννήτρια των 600 kW, εξηγείται η λειτουργία της και σημειώνεται η επίδρασή της στην παραγωγή. Παρουσιάζεται το Υβριδικό Ενεργειακό Έργο, οι αρχές λειτουργίας, τα επιμέρους στοιχεία και αναφέρεται η αναμενόμενη συμπεριφορά του. Στην συνέχεια στο 4ο Κεφάλαιο γίνεται η επισκόπηση της Διανομής ενέργειας. Παρουσιάζεται το εναέριο δίκτυο Μέσης Τάσης, ο εξοπλισμός των γραμμών και η γεωγραφική εξάπλωση. Περιγράφονται τα δίκτυα διανομής Χαμηλής Τάσης, από τους Υποσταθμούς μέχρι τους καταναλωτές. Στο 5ο Κεφάλαιο η λειτουργία του ΣΗΕ εξετάζεται σαν σύνολο, με στοιχεία για την παραγόμενη ενέργεια, 28 GWh ετησίως, την εποχιακή και ημερήσια διακύμανση της ισχύος και την μελλοντική αύξηση της κατανάλωσης. Επισημαίνονται έπειτα οι κυριότερες αιτίες σφαλμάτων, οι μηχανισμοί δημιουργίας των συμβάντων κυρίως από καιρικά φαινόμενα, καθώς και η καταγραφή και η αποκατάσταση των βλαβών. Τέλος, στο 6ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελλοντική εξέλιξη του συστήματος, μετά την ένταξη του Υβριδικού Έργου, την αναβάθμιση του ΤΣΠ και του δικτύου ΜΤ, και οι προοπτικές για επιπλέον ΑΠΕ. Εκτός από τα Αιολικά συστήματα, εξετάζονται τα Φωτοβολταϊκά και η Γεωθερμία. Αναφέρεται και η ενδεχόμενη διασύνδεση του νησιού με το ηπειρωτικό δίκτυο της χώρας. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η προσομοίωση του ΣΗΕ, με το λογισμικό HOMER. Παρουσιάζεται το πρόγραμμα, και οι οικονομικές έννοιες που χρησιμοποιεί για την αξιολόγηση των συστημάτων. Η διαδικασία μοντελοποίησης παρουσιάζεται αναλυτικά. Αρχικά κατασκευάζεται το μοντέλο του παρόντος συστήματος, όπου διαπιστώνεται η ορθότητα του μοντέλου σε σχέση με το πραγματικό σύστημα, και σημειώνεται η θετική οικονομική επίδραση της Α/Γ στο ΑΣΠ. Από την άλλη, διαφαίνεται η αδυναμία του προγράμματος να αντιληφθεί τα όρια διείσδυσης ΑΠΕ. Στην συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψιν το παραπάνω ζήτημα, εμπλουτίζεται το μοντέλο με επιπλέον ΑΠΕ, και προκύπτει το συμπέρασμα ότι συμφέρει πρωτίστως η εγκατάσταση άλλων 2 Α/Γ, και 200 kWp Φ/Β συστημάτων, αλλά δευτερευόντως και άλλων συνδυασμών, μέχρι 7 Α/Γ συνολικά. Έπειτα, κατασκευάζεται το μοντέλο του Υβριδικού, προσεγγιστικά, λόγω έλλειψης υποστήριξης από το HOMER. Τα αποτελέσματα της εξομοίωσης της λειτουργίας του είναι σε συμφωνία με τα αναμενόμενα. Προκύπτουν επίσης τα εξής συμπεράσματα: (α) Το Έργο είναι οικονομικά βιώσιμο. (β) Η οικονομική επίδοση του Έργου βελτιώνεται με δέσμευση επιπλέον νερού στις δεξαμενές για αντλησιοταμίευση. (γ) Το Έργο υποστηρίζει οικονομικώς Ανεμογεννήτριες μέχρι 10 MW και Φ/Β 2,5 MWp. (δ) Το Έργο δεν επαρκεί για την μελλοντική αύξηση της κατανάλωσης, ακόμα και με επιπλέον ΑΠΕ, εκτός και αν αυξηθεί παράλληλα η ισχύς του ΤΣΠ. Η εργασία ολοκληρώνεται στο 8ο Κεφάλαιο, με το ζήτημα της θεωρητικής πρόβλεψης σφαλμάτων από κεραυνούς. Αφού παρουσιαστεί το φαινόμενο και οι επιπτώσεις του στις γραμμές, γίνεται υπολογισμός των αναμενόμενων σφαλμάτων σε όλο το δίκτυο ΜΤ της Ικαρίας, μήκους 120 km, με την χρήση (α) της απλής μεθόδου Ισοδύναμης Συλλεκτήριας Επιφάνειας, και (β) της μεθόδου που προτείνεται από τον κανονισμό IEEE-1410, περί βελτίωσης της αντικεραυνικής συμπεριφοράς ηλεκτρικών γραμμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν πολύ λιγότερα σφάλματα από τα καταγεγραμμένα κάθε χρόνο (90 έναντι 175 μέσο όρο). Εξηγούνται οι βασικότερες αιτίες, όπως η γενικότητα των υπολογισμών, η ασάφεια στις καταγραφές, αλλά και το γεγονός ότι συγκεκριμένα γεωγραφικά σημεία καταπονούνται ιδιαίτερα από κεραυνικά πλήγματα και είναι υπεύθυνα για πολλά σφάλματα. Το τελευταίο, επιδεικνύεται με την μελέτη ενός ορεινού εκτεθειμένου κλάδου των γραμμών, μήκους 2 km, που παρουσιάζει 20,5 ιδιαίτερα καταστροφικά σφάλματα ετησίως, έναντι των 1,5 που αναμένονται. Προτείνονται τέλος κάποιοι οικονομικοί τρόποι προστασίας, με περισσότερους απαγωγείς υπερτάσεων και βελτίωση της γείωσης και της στάθμης μόνωσης της γραμμής. / This diploma thesis is an overview of the Electrical Power System of Ikaria Island. It is an Autonomous Production System, based on a Local Station with diesel engines. The thesis describes the Station, an installed Wind Turbine, and the Hybrid Power Plant under construction. It presents the Distribution System, consisting of overhead medium voltage power lines, as well as the low voltage distribution wiring. It includes information about the power production, the main system faults, and the future development. The study is supplemented by a simulation of the system, using HOMER Energy software, in order to investigate the renewable penetration potential, and to validate the operation of the Hybrid Power Plant. The thesis is concluded with the estimation of lightning faults on the power lines of the island's grid.