Optimization of microgrid operation with hydrogen fuel cell, distributed generation and storage.

Καραταράκη, Γεωργία; Karataraki, Georgia

dc.contributor.author	Καραταράκη, Γεωργία	el
dc.contributor.author	Karataraki, Georgia	en
dc.date.accessioned	2025-05-15T08:40:01Z
dc.date.available	2025-05-15T08:40:01Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61896
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29592
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	Μικροδίκτυα	el
dc.subject	Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ)	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση Λειτουργίας Μικροδικτύου	el
dc.subject	Αποθήκευση Ενέργειας	el
dc.subject	Υδρογόνο	el
dc.subject	Microgrids	en
dc.subject	Renewable Energy Sources (RES)	en
dc.subject	Energy Storage	en
dc.subject	Microgrid Operation Optimization	en
dc.subject	Hydrogen	en
dc.title	Optimization of microgrid operation with hydrogen fuel cell, distributed generation and storage.	en
dc.title	Βελτιστοποίηση λειτουργίας μικροδικτύου με μονάδα κυψελών καυσίμου υδρογόνου, κατανεμημένες παραγωγές και αποθήκευση.	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Energy Management and Optimization	en
heal.classification	Διαχείριση Ενέργειας και Βελτιστοποίηση	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στην ανάλυση και βελτιστοποίηση της λειτουργίας ενός μικροδικτύου που εξυπηρετεί οικιακή ζήτηση, αξιοποιώντας Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), συγκεκριμένα φωτοβολταϊκά συστήματα και ανεμογεννήτρια. Τα μικροδίκτυα αποτελούν μία από τις πιο καινοτόμες λύσεις για την παροχή ενεργειακής αυτονομίας σε απομακρυσμένες και απομονωμένες περιοχές. Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα, η στοχαστικότητα των ΑΠΕ θέτει προκλήσεις που απαιτούν τη χρήση προηγμένων μονάδων αποθήκευσης ενέργειας για τη διασφάλιση σταθερότητας και αξιοπιστίας. Σε αυτό το πλαίσιο, οι τεχνολογίες αποθήκευσης με υδρογόνο και μπαταρίες αναδεικνύονται ως βιώσιμες λύσεις. Οι μπαταρίες μπορούν να παρέχουν άμεση ισχύ και είναι κατάλληλες για χαμηλή ζήτηση, αλλά δεν επαρκούν για την κάλυψη υψηλών ενεργειακών απαιτήσεων με μακροπρόθεσμη αξιοπιστία. Το υδρογόνο, με την υψηλή ενεργειακή του πυκνότητα, εντάσσεται στρατηγικά στο πλαίσιο της ενεργειακής μετάβασης της Ευρωπαϊκής ΄Ενωσης για το 2030. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο μικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού (MILP) για την ελαχιστοποίηση του συνολικού λειτουργικού κόστους του μικροδικτύου, το οποίο υλοποιήθηκε σε γλώσσα Python και επιλύθηκε με το πακέτο λογισμικού βελτιστοποίησης Gurobi. Το μοντέλο εξετάζει δύο λειτουργικές καταστάσεις: το νησιδοποιημένο μικροδίκτυο (islanded) και το μικροδίκτυο διασυνδεδεμένο με το κεντρικό δίκτυο (grid-connected). Στην κατάσταση islanded, το μικροδίκτυο επιτυγχάνει την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων για ένα 24ωρο, υπό ποικίλες συνθήκες ζήτησης και παραγωγής. Στην κατάσταση grid-connected, το μικροδίκτυο αξιοποιεί τη δυνατότητα αγοράς και αποθήκευσης ενέργειας από το κεντρικό δίκτυο σε χαμηλές τιμές, μέσω ηλεκτρόλυσης, για χρήση κατά τις ώρες υψηλής τιμής. Το μοντέλο ανταποκρίνεται στρατηγικά σε συνθήκες, όπου είναι δυνατό, arbitrage: όταν η διαφορά τιμών αγοράς και πώλησης υπερβαίνει το κόστος ηλεκτρόλυσης και ηλεκτροπαραγωγής από υδρογόνο, το μικροδίκτυο αποθηκεύει ενέργεια όταν είναι οικονομικά συμφέρουσα και την πωλεί σε υψηλότερη τιμή, λειτουργώντας ως πάροχος ευελιξίας στην αγορά. Πραγματοποιήθηκε εκτίμηση των εκπομπών CO2 στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας για το διασυνδεδεμένο σενάριο, υποδεικνύοντας ότι η αυξημένη απορρόφηση ενέργειας από το κεντρικό δίκτυο συσχετίζεται με υψηλότερο αποτύπωμα άνθρακα. Ο κώδικας του μοντέλου διατίθεται στο προσωπικό μου προφίλ στο Github.	el
heal.abstract	This thesis focuses on the analysis and optimization of the operation of a microgrid serving residential demand, utilizing Renewable Energy Sources (RES), specifically photovoltaic systems and a wind turbine. Microgrids represent one of the most innovative solutions for providing energy autonomy to remote and isolated areas. Despite their significant advantages, the stochastic nature of RES introduces challenges that necessitate the use of advanced energy storage units to ensure stability and reliability. In this context, hydrogen and battery storage technologies emerge as viable solutions. Batteries can provide immediate power and are suitable for low demand; however, they lack the long-term resilience needed for large-scale energy requirements. Hydrogen technology, due to its high energy density, is increasingly incorporated into the European Union’s strategic energy planning framework for 2030. In this study, a Mixed-Integer Linear Programming (MILP) model was developed to minimize the total operational cost of the microgrid, implemented in Python and solved using the Gurobi algorithm. The model examines two operational modes: the islanded microgrid and the grid-connected mode. In the islanded mode, the microgrid can meet the energy demand over a 24-hour period under varying demand and production conditions. In the grid-connected mode, the microgrid takes advantage of the opportunity to buy and store energy from the central grid at low prices, using electrolysis, to utilize it during high-price hours. The model strategically responds under arbitrage conditions: when the difference between buying and selling prices exceeds the cost of electrolysis and hydrogen power generation, the microgrid stores energy when it is economically advantageous and sells it at a higher price, acting as a flexibility provider in the market. An estimation of CO2 emissions at the optimal operating point was conducted for the grid-connected mode, indicating that increased energy absorption from the central grid correlates with a higher carbon footprint. The model code is available on my personal profile on Github.	en
heal.advisorName	Χατζηαργυρίου, Νικόλαος	el
heal.advisorName	Hatziargyriou, Nikolaos	en
heal.committeeMemberName	Hatziargyriou, Nikolaos	en
heal.committeeMemberName	Χατζηαργυρίου, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Κορρές, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Korres, George	en
heal.committeeMemberName	Δημέας, Άρης - Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Dimeas, Aris - Evangelos	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false