scholarly journals Development of a method for dynamic optimization of integrated energy systems of ships

2018 ◽  
Author(s):  
Γεώργιος Τζώρτζης
Keyword(s):  
Dynamic Optimization ◽  
Energy Systems ◽  
Integrated Energy Systems ◽  
Synthesis Design

Το αντικείμενο αυτής της Διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας μεθόδου για τη δυναμική βελτιστοποίηση σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας (Synthesis, Design and Operation, SDO) ολοκληρωμένων ενεργειακών συστημάτων πλοίων. Η συνήθης πρακτική της σύνθεσης, του σχεδιασμού και της λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων, ειδικά στη ναυτιλία, βασίζεται συνήθως σε συγκεκριμένους κανόνες καθώς και στην εμπειρία του σχεδιαστή. Επιπλέον, το σύστημα συχνά σχεδιάζεται σε πλήρες φορτίο υπό τη θεώρηση λειτουργίας σταθερής κατάστασης, ενώ η ‒εκτός σημείου σχεδιασμού‒ δυναμική συμπεριφορά του λαμβάνεται υπόψη μόνο αφότου το σύστημα έχει ήδη σχεδιαστεί. Στόχος αυτής της ερευνητικής δραστηριότητας είναι ο καθορισμός των τεχνο‒οικονομικά βέλτιστων λύσεων για τη σύνθεση, τον σχεδιασμό και τη λειτουργία ενεργειακών συστημάτων πλοίων, προκειμένου να καλυφθούν πλήρως οι διάφορες απαιτήσεις πρόωσης, ηλεκτρικής ενέργειας και θερμικής ενέργειας. Πραγματικά δυναμικά χαρακτηριστικά, όπως οι χρόνο‒ και χώρο‒μεταβαλλόμενες λειτουργικές απαιτήσεις σε σχέση με τις καιρικές συνθήκες και τα χρόνο‒μεταβαλλόμενα φορτία, ενσωματώνονται στα μοντέλα απόδοσης των συνιστωσών του συστήματος και κατά συνέπεια στη συνολική απόδοση του ολοκληρωμένου ενεργειακού συστήματος πλοίου, δημιουργώντας έτσι ένα καθαρά δυναμικό πρόβλημα βελτιστοποίησης.Για την ανάπτυξη της απαιτούμενης μεθοδολογίας ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην κατασκευή κατάλληλων υπερδομών που απεικονίζουν όλες τις διαθέσιμες επιλογές σύνθεσης καθώς και όλες τις πιθανές διασυνδέσεις των συνιστωσών του ενεργειακού συστήματος. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύνολό του χρησιμοποιείται μια μοντελοποιητική διαδικασία μεικτού ακεραίου προγραμματισμού, ενώ ακέραιες, στατικές και συνεχείς μεταβλητές χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση των επιπέδων της σύνθεσης του σχεδιασμού και της λειτουργίας, αντίστοιχα. Το γενικό πρόβλημα διατυπώνεται με χρήση ενός μαθηματικού φορμαλισμού Αλγεβρικό‒Διαφορικών Εξισώσεων ενώ κατάλληλες μέθοδοι δυναμικής βελτιστοποίησης, συνδυασμένες με μεθόδους μεικτού ακεραίου μαθηματικού προγραμματισμού, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται. Όλα τα παραπάνω οδηγούν στην ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας, η οποία, σε αντίθεση με τις συνήθεις μεθόδους που προτείνονται στη βιβλιογραφία, μπορεί να χαρακτηριστεί ως μια μέθοδος ενός επιπέδου που βελτιστοποιεί τα επίπεδα της σύνθεσης, του σχεδιασμού και της λειτουργίας ταυτόχρονα και δεν απαιτεί την πλήρωση ειδικών συνθηκών αποσύζευξης των επιπέδων του προβλήματος για την εφαρμογή της. Συνεπώς η μεθοδολογία αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως γενικευμένη, υπό την έννοια ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε πρόβλημα δυναμικής βελτιστοποίησης σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας.Τέλος, η προσαρμοστικότητα και εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναδεικνύονται με την επίλυση πλήθους ρεαλιστικών αριθμητικών παραδειγμάτων. Σε κάθε παράδειγμα μελετάται η επίδραση συγκεκριμένων τεχνικών και οικονομικών παραμέτρων πάνω στη βέλτιστη λύση μέσω κατάλληλης παραμετρικής μελέτης. Τα αποτελέσματα παρέχουν ενδιαφέρουσες ιδέες σχετικά με τη βέλτιστη σύνθεση,τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων πλοίων και αποδεικνύουν την καταλληλότητα της προτεινόμενης διαδικασίας μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης για αυτό το είδος των προβλημάτων.

scholarly journals Intertemporal Static and Dynamic Optimization of Synthesis, Design, and Operation of Integrated Energy Systems of Ships

Energies ◽  
2019 ◽  
Vol 12 (5) ◽  
pp. 893 ◽  
Author(s):  
George Sakalis ◽  
George Tzortzis ◽  
Christos Frangopoulos
Keyword(s):  
Dynamic Optimization ◽  
Power Plants ◽  
Optimization Problems ◽  
Operating Cost ◽  
Optimal Solution ◽  
Energy Systems ◽  
Operating Conditions ◽  
Usual Practice ◽  
Integrated Energy Systems ◽  
Synthesis Design

Fuel expenses constitute the largest part of the operating cost of a merchant ship. Integrated energy systems that cover all energy loads with low fuel consumption, while being economically feasible, are increasingly studied and installed. Due to the large variety of possible configurations, design specifications, and operating conditions that change with time, the application of optimization methods is imperative. Designing the system for nominal conditions only is not sufficient. Instead, intertemporal optimization needs to be performed that can be static or dynamic. In the present article, intertemporal static and dynamic optimization problems for the synthesis, design, and operation (SDO) of integrated ship energy systems are stated mathematically and the solution methods are presented, while case studies demonstrate the applicability of the methods and also reveal that the optimal solution may defer significantly from the solutions suggested with the usual practice. While in other works, the SDO optimization problems are usually solved by two- or three-level algorithms; single-level algorithms are developed and applied here, which tackle all three aspects (S, D, and O) concurrently. The methods can also be applied on land installations, e.g., power plants, cogenerations systems, etc., with proper modifications.

Dynamic optimization of synthesis, design and operation of marine energy systems

2018 ◽  
Vol 233 (2) ◽  
pp. 454-473 ◽  
Author(s):  
George J Tzortzis ◽  
Christos A Frangopoulos
Keyword(s):  
Dynamic Optimization ◽  
Optimization Problem ◽  
Energy Systems ◽  
Weather Conditions ◽  
Energy System ◽  
Mixed Integer ◽  
Time Varying ◽  
Synthesis Design ◽  
Marine Energy ◽  
Optimum Solution

In order to cover the overall energy demands of a vessel (e.g. mechanical, electrical and thermal), energy systems onboard ships are required to produce energy of several forms while at the same time being completely autonomous and cost effective. Optimization of the ship’s energy system, as a whole, in terms of synthesis, design and operation, is nowadays an unavoidable aspect of the marine industry. Furthermore, once time dependencies (e.g. time-varying loads and weather conditions) are introduced, the optimization problem is imperatively characterized as dynamic and its complexity increases dramatically. This study is focused on the dynamic optimization of synthesis, design and operation of a marine energy system. The general method, based on differential-algebraic equation formalism combined with mixed-integer nonlinear programming, along with solution procedures is presented first. The three optimization levels (synthesis, design and operation) are tackled simultaneously, with no decomposition. The superconfiguration approach is followed for the synthesis optimization, while time-varying operational requirements with respect to weather conditions and loads are considered. The presentation of the general theory is followed by application examples. A nominal case as described by a particular weather profile and values of parameters is considered, and the optimization problem with minimization of the present worth cost as an objective function is stated and solved. The effect of crucial parameters such as fuel and capital costs on the optimum solution is studied. Also, the problem is solved with a different weather profile, thus revealing the effect of weather on the optimum solution.

Developing an Integrated Energy System Interface for Electricity-Hydrogen Hybrid Nuclear Operations

2020 ◽  
Vol 64 (1) ◽  
pp. 92-96
Author(s):  
Thomas A. Ulrich ◽  
Roger Lew ◽  
Ronald L. Boring ◽  
Torrey Mortenson ◽  
Jooyoung Park ◽  
...  
Keyword(s):  
Human Factors ◽  
Electricity Markets ◽  
Nuclear Power ◽  
Power Plants ◽  
Energy Systems ◽  
Energy System ◽  
Human Factors Engineering ◽  
Engineering Project ◽  
Early Integration ◽  
Integrated Energy Systems

Nuclear power plants are looking towards integrated energy systems to address the challenges faced by increasing competition from renewable energy and cheap natural gas in wholesale electricity markets. Electricity-hydrogen hybrid operations is one potential technology being explored. As part of this investigation a human factors team was integrated into the overall engineering project to develop a human system interface (HSI) for a novel system to extract steam for a coupled hydrogen production process. This paper presents the process used to perform the nuclear specific human factors engineering required to develop the HSI for this novel and unprecedented system. Furthermore, the early integration of the human factors team and the meaningful improvements to the engineering of the system itself in addition to the successful development of the HSI for this particular application are described. Lastly, the HSI developed is presented to demonstrate the culmination of the process and disseminate a potential HSI design for electricity-hydrogen hybrid operations that may be useful for others exploring similar integrated energy systems concepts.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document