Stochastic investigation of short-term predictability of basic renewable energy resources with application on the         non-connected island of Astypalea

Κλουσάκου, Έλλη; Klousakou, Elli

dc.contributor.author	Κλουσάκου, Έλλη	el
dc.contributor.author	Klousakou, Elli	en
dc.date.accessioned	2020-11-25T09:20:28Z
dc.date.available	2020-11-25T09:20:28Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52057
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19755
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βραχυπρόθεσμη προγνωσιμότητα	el
dc.subject	Short term forecasting	en
dc.subject	Πρόγνωση	el
dc.subject	Στοχαστική ανάλυση	el
dc.subject	Αναλογικό μοντέλο	el
dc.subject	Άνεμος	el
dc.subject	Ηλιακή ακτινοβολία ανανεώσιμες πηγές ενέργειας	el
dc.subject	Forecasting	en
dc.subject	Stochasting investigation	en
dc.subject	Analogue model	en
dc.subject	Analog ensemble model	en
dc.subject	Solar radiation	en
dc.subject	Wind speed	en
dc.subject	Renewable energy resources	en
dc.title	Stochastic investigation of short-term predictability of basic renewable energy resources with application on the non-connected island of Astypalea	en
dc.title	Στοχαστική διερεύνηση της βραχυπρόθεσμης προγνωσιμότητας βασικών πηγών ανανεώσιμης ενέργειας με εφαρμογή στο μη συνδεδεμένο νησί της Αστυπάλαιας	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας	el
heal.classification	Renewable energy resources	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-03-11
heal.abstract	Πρόσφατες έρευνες αναφέρουν πως η ζήτηση της ενέργειας παγκοσμίως θα αυξηθεί αισθητά μέσα στις επόμενες δεκαετίες. Η αύξηση του πληθυσμού σε συνδυασμό με τη συνεχή ανάπτυξη πολλών χωρών καθώς και την ασταθή κοινωνικοπολιτική κατάσταση πολλών κρατών (κυρίως σε πιο υποανάπτυκτες χώρες) προμηνύουν τη διαρκή αύξηση των ενεργειακών αναγκών που έχουν ως αποτέλεσμα την υπερεκμετάλλευση των ορυκτών πόρων. Συνεπώς, εναλλακτικές μορφές ενέργειας αρχίζουν να υποκαθιστούν σταδιακά τους μέχρι τώρα διαδεδομένους πόρους και τρόπους παραγωγής ενέργειας. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) χαρακτηρίζονται από μία πληθώρα πλεονεκτημάτων που τις καθιστούν αρκετά ελκυστικές πλέον. Ειδικά η ηλιακή και η αιολική ενέργεια φαίνεται πως κερδίζουν χρόνο με το χρόνο όλο και περισσότερο έδαφος στην παραγωγή της ενέργειας αφού δεν εκπέμπουν ρύπους στην ατμόσφαιρα, πηγάζουν από ανεξάντλητες πηγές και λόγω της ραγδαίας διάδοσής τους μειώνεται διαρκώς το κόστος παραγωγής τους. Εφόσον λοιπόν παρατηρείται αυτή η στροφή προς πιο οικολογικές μορφές παραγωγής ενέργειας, η διαχείριση την ενεργειακών συστημάτων είναι πλέον επιτακτική ανάγκη, συμπεριλαμβανομένων και όλων των αντίστοιχων μονάδων. Μέσω της βελτίωσης του σχεδιασμού αλλά και της λειτουργίας τον μονάδων ενέργειας θα είναι εφικτό να υπάρχει συνεχής, αξιόπιστη και οικονομικά πιο βέλτιστη ενέργεια. Παρά την αναγκαιότητα βελτιστοποίησης της διαδικασίας παραγωγής, τα ενεργειακά συστήματα μπορούν να αποβούν αρκετά περίπλοκα αφού αποτελούν πολυπαραμετρικά προβλήματα. Οι εναλλακτικές μορφές ενέργειας, συμπεριλαμβανομένου της αιολικής και της ηλιακής που θεωρούνται από τις πιο αξιοποιήσιμες, πηγάζουν από φυσικές υδρομετεωρολογικές και γεωφυσικές διεργασίες που είναι αρκετά απρόβλεπτες και εμφανίζουν μη ομαλή μεταβλητότητα. Συγκεκριμένα, όλες οι φυσικές διεργασίες που εμπλέκονται στην παραγωγή ενέργειας αναμένονται να παρουσιάσουν το φαινόμενο της μακροπρόθεσμης εμμονής (HK behavior). Αυτό σημαίνει πως η αβεβαιότητα εμφανίζεται στη φυσική διεργασία τόσο μακροπρόθεσμα όσο και σε μικρότερες χρονικές κλίμακες. Αυτή η εγγενής αβεβαιότητα των στοιχείων της φύσης μεταφέρεται και στα αντίστοιχα ενεργειακά συστήματα γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα πως επιβαρύνεται ακόμα περισσότερο η παραγωγή ενέργειας μέσω ανανεώσιμων πηγών. Μία αρκετά ισχυρή μέθοδος για την ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας στις διάφορες γεωφυσικές διεργασίες είναι η εφαρμογή του κλιμακογράμματος (η συνδιασπορά συναρτήσει της συναθροισμένης κλίμακας σε λογαριθμισμένους άξονες). Συγκριτικά με άλλες μεθόδους που μπορούν να διαχειριστούν την αβεβαιότητα (όπως το φάσμα ισχύος και η αυτοσυνδιασπορά), το κλιμακόγραμμα είναι αρκετά απλό στη εφαρμογή του και εμφανίζει ο μικρότερο στατιστικό σφάλμα. Πρόκειται για ένα αξιόπιστο στοχαστικό εργαλείο μέσω του οποίου εκτιμάται η παράμετρος Hurst που ουσιαστικά υπολογίζει το βαθμό της μη προβλεψιμότητας σε διάφορες διεργασίες- φυσικές και μη. Μετά την διερεύνηση της συμπεριφοράς διάφορων φυσικών διεργασιών από τις οποίες μπορεί να παραχθεί ανανεώσιμη ενέργεια τα αποτελέσματα έδειξαν πως στις περισσότερες περιπτώσεις ο δείκτης Hurst Η ήταν μεγαλύτερος του 0.5 αποδεικνύοντας την ύπαρξη της συμπεριφοράς της μακροπρόθεσμης εμμονής. Αυτό δείχνει πως δεν ακολουθούν ούτε ανέλιξη λευκού θορύβου ούτε μαρκοβιανή συμπεριφορά. Παρότι στην κοινή γνώμη επικρατεί η άποψη πως η αβεβαιότητα και ο ντετερμινισμός στη φύση δεν μπορούν να συνυπάρξουν κάτι τέτοιο τελικά δεν ισχύει και αποδεικνύεται πλέον και από πρόσφατες έρευνες. Στην πραγματικότητα όσο πιο ντετερμινιστική είναι μία διεργασία τόσο πιο διευρυμένο είναι και το παράθυρο προβλεψιμότητας. Το παράθυρο προβλεψιμότητας είναι ένα χρονικό διάστημα κατά το οποίο οι προγνώσεις που μπορούν να παραχθούν είναι μεγάλης ακρίβειας βάσει όμως ενός καθορισμένου σφάλματος. Στην παρούσα έρευνα, για τον υπολογισμό του χρονικού περιθωρίου προγνωσιμότητας εφαρμόστηκε ένας στοχαστικός-αναλογικός αλγόριθμος και ένα μοντέλο «αναφοράς» (Benchmark model B2) σε διεργασίες ταχύτητας ανέμου και ηλιακής ακτινοβολίας, που βρέθηκαν από παγκόσμιες βάσεις δεδομένων, μιας και η αιολική και η ηλιακή ενέργεια αποτελούν τις πλέον αξιοποιήσιμες μορφές ανανεώσιμων ενεργειών. Για την εκτίμηση του παραθύρου προγνωσιμότητας χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης απόδοσης Nash and Sutcliff F. Όσο ο δείκτης F λαμβάνει θετικές τιμές, οι προβλέψεις που υπολογίζονται από τους αλγορίθμους πρόγνωσης θεωρούνται μεγάλης αξιοπιστίας. Τη χρονική στιγμή που η πρόγνωση θα ισούται με τη μέση τιμή της χρονοσειράς, ο δείκτης F μηδενίζεται, οριοθετώντας έτσι το παράθυρο προβλεψιμότητας μιας διεργασίας ̇ όταν F<0 τότε το μοντέλο είναι άχρηστο. Το μοντέλο αναφοράς Β2 που εφαρμόστηκε θεωρεί πως η πρόγνωση μίας τιμής ισούται με την προηγούμενη τιμή της ανεξάρτητα από τον χρονικό ορίζοντα που εξετάζεται. Ουσιαστικά το μοντέλο αυτό εφαρμόστηκε ώστε να ορίσει ένα ελάχιστο χρονικό περιθώριο κατά το οποίο οι προβλέψεις θα χαρακτηρίζονται αξιόπιστες και χρησιμοποιήθηκε ως σημείο αναφοράς για σύγκριση με τα αποτελέσματα του αναλογικού αλγορίθμου. Το αναλογικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια, είναι ένα αρκετά απλό μοντέλο αφού δεν στηρίζεται σε καμία μαθηματική σχέση. Η παραδοχή που ακολουθεί αυτό το μοντέλο είναι πως εξετάζοντας το παρελθόν μίας χρονοσειράς μπορούν να εντοπιστούν κάποια επαναλαμβανόμενα μοτίβα μέσα από τα οποία μπορεί να εκτιμηθεί η πρόγνωσης της εκάστοτε τιμής της διεργασίας. Για την εφαρμογή του αναλογικού μοντέλου προσδιορίστηκαν 3 παράμετροι: • το ποσοστό p= είναι το ποσοστό της χρονοσειράς στο οποίο θα γίνει η επαλήθευση της πρόβλεψης • η παράμετρος h= το πλήθος των γειτόνων στους οποίους διερευνάται τιμή παρόμοια με αυτή που θέλουμε να προβλεφθεί • το σφάλμα g= το σφάλμα που εκτιμάται για τον προσδιορισμό της πρόβλεψης. Η εκτίμηση του σφάλματος έγινε μέσω στοχικής συνάρτησης ενός συντηρητικού- πεσιμιστικού σεναρίου και ενός πιο ευέλικτου σεναρίου μέσου σφάλματος για τη διερεύνηση του παραθύρου προβλεψιμότητας. Κατά τη διερεύνηση της βραχυπρόθεσμης προγνωσιμότητας στις χρονοσειρές της ταχύτητας του ανέμου και της ηλιακής ακτινοβολίας λήφθηκε υπόψιν η διπλή κυκλοστασιμότητα, ημερίσια και εποχική, που εμφανίζουν οι διεργασίες εξαιτίας της διπλή περιοδικότητας της Γης. Γι αυτό το λόγω αποφασίστηκε να γίνει κανονικοποίηση των χρονοσειρών για να περιοριστεί η επίδραση της διπλή κυκλοστασιμότητας. Αρχικά, υπολογίστηκε η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση της κάθε χρονοσειράς βάσει της ώρας και του μήνα και μετά οι εξεταζόμενες τιμές διαιρέθηκαν με την τυπική απόκλιση αφού αφαιρέθηκε η αντίστοιχη μέση τιμή. Η ανάλυση ευαισθησίας που πραγματοποιήθηκε για τη σύγκριση του αναλογικού αλγορίθμου και του Β2 εφαρμόστηκε και στις αρχικές χρονοσειρές και στις κανονικοποιημένες προκειμένου να διερευνηθεί εάν η επίδραση της κυκλοστασιμότητας είναι αισθητή και στην προγνωσιμότητα. Τελικά το σενάριο μέσου σφάλματος σε συνδυασμό με την κανονικοποιημένη χρονοσειρά έδωσαν ευρύτερο παράθυρο προγνωσιμότητας 15h για τον άνεμο και 13h για την ηλιακή ακτινοβολία. Πολλά νησιά στον κόσμο δεν είναι συνδεδεμένα με το κεντρικό σύστημα ενέργειας της ηπειρωτικής χώρας και εξαρτώνται από εγκαταστάσεις που τροφοδοτούνται από ορυκτούς πόρους γεγονός που μπορεί να επιφέρει αισθητή οικονομική επιβάρυνση αλλά να είναι επιβλαβές και για το περιβάλλον. Η συνεχής ανάπτυξη της εφαρμογής των ανανεώσιμων ενεργειών, δημιούργησε την ιδέα διαμόρφωσης ενός ενεργειακού συστήματος στην Αστυπάλαια (υδροηλεκτρική, αιολική, ηλιακή, ωκεάνια ενέργεια) που αποτελείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Από τη στιγμή που δεν υπήρχαν σταθμοί μέτρησης στο νησί, δημιουργήθηκαν συνθετικές χρονοσειρές μέσω στοχαστικής μελέτης. Αφού εξετάστηκαν διάφορες φυσικές διεργασίες μέσω του κλιμακογράμματος διαπιστώθηκε για ακόμα μία φορά πως η εγγενής αβεβαιότητα των φυσικών διεργασιών είναι εμφανής και μάλιστα διαφέρει από διεργασία σε διεργασία (διαφορετική κλίση του κλιμακογράμματος σε μεγαλύτερες κλίμακες). Το αντίστοιχο κλιμακόγραμμα των παραγόμενων ανανεώσιμων ενεργειών έδειξε πως η «έμφυτη» αβεβαιότητα των διεργασιών μεταφέρεται και στο αντίστοιχο ενεργειακό σύστημα (ηλιακή , αιολική, υδροηλεκτρική και ωκεάνια ενέργεια). Αυτή η αβεβαιότητα μπορεί να είναι υπαίτια για πιθανές τεχνικές βλάβες των μονάδων παραγωγής αλλά να δυσχεραίνει τη λειτουργία και τη διαχείριση του συστήματος. Επιπλέον, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι καμία από τις προαναφερθείσες ανανεώσιμες ενέργειες δεν έχει πάντα επαρκές και συνεχόμενο ενεργειακό αποθεματικό. Για το λόγο αυτό σε προηγούμενη έρευνα διερευνήθηκε η εγκατάσταση και η λειτουργία ενός εφεδρικού συστήματος ενέργειας τροφοδοτούμενο από βιομάζα και γεωθερμία. Η Αστυπάλαια σαν νησί έχει πληθώρα φυσικών διεργασιών που θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την παραγωγή εναλλακτικών μορφών ενέργειας Η βελτιστοποίηση του ενεργειακού συστήματος της Αστυπάλαιας καθίσταται πλέον αναγκαία για την ομαλή λειτουργία και το σωστό προγραμματισμό των μονάδων παραγωγής ενέργειας. Γι αυτό το λόγω διερευνήθηκε η βραχυπρόθεσμη προγνωσιμότητα σε διεργασίες ανέμου και ηλιακής ακτινοβολίας στην Αστυπάλαια ώστε να προσδιοριστεί το χρονικό περιθώριο προβλεψιμότητας αυτών των χρονοσειρών όταν επρόκειτο να αξιοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας.	el
heal.abstract	Energy demand worldwide is predicted to increase in the coming decades due to various economic and social reasons. Consequently, since fossil fuels deposits decrease dramatically due to overexploitation, renewable energy resources initiate to gradually substitute them. However, natural processes, from which renewable energy derives from, are characterized by an inherent degree of uncertainty that is introduced to the energy system. A recent study suggests that unpredictability and determinism may coexist in nature, defeating the prevailing theory that randomness is a component to predictability. The current thesis investigates the predictability time-window of wind speed and solar radiation processes by applying sensitivity analysis that compares a stochastic algorithm to a naïve one. A pilot application of a hybrid renewable energy system in the Greek non-connected island of Astypalea is also discussed, for which the significance of uncertainty is examined by exploring the uncertainty of the input of natural processes and by defining the predictability window in specific processes, as well.	en
heal.advisorName	Κουτσογιάννης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Κουτσογιάννης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάσης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	91 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false