Multi-objective optimization of distributed energy systems with focus on robust solutions

Μια λύση προς την κατεύθυνση των οικονομικά ελκυστικών και περιβαλλοντικά φιλικών ενεργειακών συστημάτων είναι η ανάπτυξη των συστημάτων διεσπαρμένης παραγωγής ενέργειας (ΣΔΠΕ). Τα ΣΔΠΕ έχουν πολλά πλεονεκτήματα με το σημαντικότερο να είναι η παραγωγή ενέργειας σε τοπικό επίπεδο, ελαχιστοποιώντας έτσι τις απώλειες. Τα ΣΔΠΕ μπορούν να προσφέρουν καλύτερη ενσωμάτωση μεταξύ των συμβατικών ενεργειακών συστημάτων και των ΑΠΕ, και μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες είτε πρόκειται για ένα κτήριο, ένα σύμπλεγμα κτηρίων ή ακόμη και μια πόλη, με το βαθμό αποκέντρωσης να διαφέρει. Ένα ΣΔΠΕ μπορεί να σχεδιαστεί για να καλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες σε ηλεκτρισμό, θερμότητα και ψύξη. Επίσης, τα συστήματα αυτά μπορούν να προσφέρουν λύσεις με χαμηλό ετήσιο κόστος και χαμηλές εκπομπές CO2. Ο σχεδιασμός ενός ΣΔΠΕ είναι ένα περίπλοκο πρόβλημα στο οποίο πολλές πτυχές πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Αυτή η διατριβή έχει σκοπό να παρουσιάσει μια μεθοδολογία για τον βέλτιστο σχεδιασμό ΣΠΔΕ χρησιμοποιώντας πολυ-κριτηριακό μικτό-ακέραιο γραμμικό προγραμματισμό (ΜΑΓΠ) με αντικειμενικές συναρτήσεις το συνολικό ετήσιο κόστος και τις εκπομπές CO2. Οι υποψήφιες τεχνολογίες είναι: (α) μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας, (β) αντλίες θερμότητας, (γ) μονάδες ψύξεις με απορρόφηση, (δ) λέβητες, (ε) ηλιακοί συλλέκτες, (στ) φωτοβολταϊκά, (ζ) ανεμογεννήτριες, (η) μονάδες αποθήκευσης θερμότητας, (θ) μονάδες αποθήκευσης ηλεκτρισμού, (ι) δίκτυο διανομής θερμότητας και (κ) μικροδίκτυο. Τα αποτελέσματα δίνουν ως λύσεις τις τεχνολογίες που επιλέγονται να εγκατασταθούν σε κάθε κτήριο και την αντίστοιχη ισχύ τους, τη διάταξη του δικτύου διανομής θερμότητας (αν σχηματιστεί), το επιχειρησιακό προφίλ των τεχνολογιών, και την ανταλλαγή ηλεκτρισμού διαμέσου του μικροδικτύου καθώς και μεταξύ των κτηρίων και του εθνικού δικτύου ηλεκτρισμού. Επιπλέον, οι αντίστοιχες μελέτες που υπάρχουν στη βιβλιογραφία διαχωρίζονται σε δύο γενικές κατηγορίες, (α) στη «Μέθοδο Α» όπου γίνεται ταυτόχρονη επιλογή και διαστασιολόγηση των υποψήφιων τεχνολογιών, και (β) στη «Μέθοδο Β» όπου οι διαστάσεις των τεχνολογιών είναι προκαθορισμένες. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει αρκετά καινοτομικά στοιχεία αναφορικά με τον βέλτιστο σχεδιασμό ΣΔΠΕ. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται δύο προσεγγίσεις για την μοντελοποίηση τεχνολογιών, επεκτείνοντας την σχετική βιβλιογραφία. Επιπλέον, παρουσιάζονται μαθηματικά μοντέλα για όλες οι διαθέσιμες τεχνολογίες. Αυτές οι προσεγγίσεις συγκρίνονται καθώς προσφέρουν διαφορετικές λύσεις, και εξετάζονται πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που έχουν. Πέρα απ’ αυτά, η διατριβή έχει ως σκοπό τον βέλτιστο σχεδιασμό ΣΔΠΕ υπό συνθήκες αβεβαιότητας. Οι αλλαγές στις τιμές των παραμέτρων σχεδιασμού μπορούν να επηρεάσουν τον βέλτιστο σχεδιασμό και αυτή η διατριβή σκοπεύει να προσφέρει στον αποφασίζων εύρωστες λύσεις. Στο πλαίσιο της διατριβής υποτίθεται ότι οι παράμετροι που είναι υπό αβεβαιότητα είναι οι τιμές ενέργειας (ηλεκτρισμού και φυσικού αερίου), το επιτόκιο αναγωγής, τα ενεργειακά φορτία, η ηλιακή ακτινοβολία και η ταχύτητα του ανέμου. Για την αντιμετώπιση της αβεβαιότητας και τον εντοπισμό των εύρωστων λύσεων χρησιμοποιούνται τέσσερις τεχνικές που ανήκουν στο πεδίο της «εύρωστης βελτιστοποίησης» ή της «στοχαστικής βελτιστοποίησης»: (α) objective-wise worst case, (β) minimax regret criterion (MMR), (γ) minimax expected regret (MER) και (δ) ανάλυση Monte Carlo. Συνολικά, αυτές οι τεχνικές προσφέρουν λύσεις πολύ διαφορετικές σε σχέση με την ντετερμινιστική προσέγγιση του προβλήματος, οι οποίες μπορούν να χαρακτηριστούν ως εύρωστες, υπογραμμίζοντας τη σημασία της θεώρησης της αβεβαιότητας κατά τη διαδικασία σχεδιασμού. Η διατριβή καταλήγει ότι η αντιμετώπιση της αβεβαιότητας κατά τον σχεδιασμό ενός ΣΔΠΕ είναι πολύ σημαντική καθώς οι λύσεις αλλάζουν σημαντικά, και αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία για τον βέλτιστο σχεδιασμό του συστήματος, την οικονομική του βιωσιμότητα καθώς και την επιχειρησιακή του σταθερότητα. Εν τέλει, σημειώνεται ότι οι μεθοδολογίες που έχουν αναπτυχθεί είναι γενικές και μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν και να εφαρμοστούν σύμφωνα με τις προτιμήσεις του αποφασίζων.

Design of Biomass Combined Heat and Power (CHP) Systems based on Economic Risk using Minimax Regret Criterion

It is a great challenge to identify optimum technologies for CHP systems that utilise biomass and convert it into heat and power. In this respect, industry decision makers are lacking in confidence to invest in biomass CHP due to economic risk from varying energy demand. This research work presents a linear programming systematic framework to design biomass CHP system based on potential loss of profit due to varying energy demand. Minimax Regret Criterion (MRC) approach was used to assess maximum regret between selections of the given biomass CHP design based on energy demand. Based on this, the model determined an optimal biomass CHP design with minimum regret in economic opportunity. As Feed-in Tariff (FiT) rates affects the revenue of the CHP plant, sensitivity analysis was then performed on FiT rates on the selection of biomass CHP design. Besides, design analysis on the trend of the optimum design selected by model was conducted. To demonstrate the proposed framework in this research, a case study was solved using the proposed approach. The case study focused on designing a biomass CHP system for a palm oil mill (POM) due to large energy potential of oil palm biomass in Malaysia.