Αριστοποίηση συστήματος συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας ψύξης

Abstract

Η τεχνολογία της συνδυασμένης παραγωγής πολλών μορφών ενέργειας από μία αρχική πηγή ενέργειας, γνωστή και ως συμπαραγωγή, αποτελεί την αποδοτικότερη μέθοδο παραγωγής ενέργειας τελικής χρήσης από συμβατικές πηγές πρωτογενούς ενέργειας. Με τη τεχνολογία αυτή, σημαντικό μέρος της θερμότητας που υπό άλλες συνθήκες θα απορριπτόταν στο περιβάλλον, ανακτάται και χρησιμοποιείται ωφέλιμα είτε απευθείας είτε μέσω άλλων διεργασιών. Η διάδοση των τεχνολογιών συμπαραγωγής έχει κάνει εφικτή την εγκατάσταση μονάδων συμπαραγωγής και στον κτιριακό τομέα, όπου παγκοσμίως αντιπροσωπεύει την κατανάλωση του 32% της ενέργειας τελικής χρήσης. Το επιστημονικό αντικείμενο της διατριβής αφορά στην ανάλυση ενός συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας ψύξης (σύστημα τριπαραγωγής), τον προσδιορισμό των κρίσιμων παραμέτρων και την αριστοποίηση τους. Η διατριβή επικεντρώθηκε στην μαθηματική προτυποποίηση του συστήματος, την πολυστοχική αριστοποίηση, την ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας και την ανάπτυξη εμπειρικών κανόνων, προτύπων και παραμέτρων ελέγχου, που βοηθούν στην κατανόηση αυτών των συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα διευθετήθηκε το πρόβλημα του βέλτιστου σχεδιασμού ενός συστήματος τριπαραγωγής για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών εμπορικών κτηρίων και αφού παρουσιάστηκε το κατάλληλο σύστημα συζητήθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν την λειτουργία και βιωσιμότητα της επένδυσης. Γι' αυτό το σκοπό δημιουργήθηκε ένα μαθηματικό πρότυπο που αναπαριστά το ενεργειακό σύστημα ως υπερδομή και προσομοιώνει τη λειτουργία σε ωριαία βάση. Αναπτύχθηκε ένας νέος τύπος στρατηγικής λειτουργίας και αναλύθηκε η επίδραση της διακύμανσης των ενεργειακών φορτίων (ηλεκτρικών, θερμικών, ψυκτικών) και της τιμολόγησης των ενεργειακών παροχών (ηλεκτρισμού και φυσικού αερίου) στην λειτουργική επίδοση και οικονομική απόδοση του συστήματος. Μετά την κατανόηση του συστήματος, διατυπώθηκε το πρόβλημα της πολυστοχικής αριστοποίησης το οποίο επιλύθηκε με τη χρήση εξελεκτικών αλγορίθμων. Η αριστοποίηση βασίστηκε σε οικονομικούς, ενεργειακούς και περιβαλλοντικούς δείκτες επίδοσης για την εύρεση του συνόλου μη κυρίαρχων λύσεων. Αντικείμενο αριστοποίησης ήταν οι μεταβλητές διαστασιολόγησης και λειτουργικές παράμετροι ως διακριτές μεταβλητές. Λόγω της πολυπλοκότητας των συστημάτων αυτών η αβεβαιότητα που υπάρχει δεν μπορεί να αγνοηθεί. Για αυτό το λόγο ποσοτικοποιήθηκε τόσο η αβεβαιότητα της ζήτησης ενέργειας με στοχαστικά πρότυπα όσο και το ρυθμιστικό και γεωπολιτικό ρίσκο εισαγάγοντας κατανομές στις τιμές πρωτογενούς ενέργειας. Με την χρήση της μεθόδου Monte Carlo συγκρίθηκαν οι βέλτιστες λύσεις και δημιουργήθηκε ένα κριτήριο επιλογής με βάση το επιθυμητό αναλαμβανόμενο ρίσκο ή την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων ακραίων ενδεχομένων. Οι παραπάνω μέθοδοι εφαρμόστηκαν για την περίπτωση μιας εμπορικής νοσοκομειακής μονάδας. Τα επιλεγμένα συστήματα τριπαραγωγής μπόρεσαν να ικανοποιήσουν κάθε στόχο που τέθηκε με σημαντικά οικονομικά και ενεργειακά οφέλη. Το βέλτιστο μέγεθος του εξοπλισμού που αντιστοιχούσε στη λύση του ενεργειακού άριστου ήταν μεγαλύτερο από αυτή του οικονομικού αλλά μικρότερο απο αυτή του περιβαλλοντικού. Η επιλογή του τιμολογίου συσχετίστηκε με έναν δείκτη που περιγράφει τα ηλεκτρικά φορτία. Με βάση την περιγραφόμενη μεθοδολογία αναπτύχθηκαν παρένθετα πρότυπα για τον γενίκευση του σχεδιασμού των συστημάτων τριπαραγωγής για καταναλωτές με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Για αυτό το σκοπό, αναπτύχθηκε εμπειρικό πρότυπο περιγραφής των ποιοτικών χαρακτηριστικών των φορτίων βασισμένο στην καμπύλη διάρκειας φορτίου και τον συγχρονισμό τους. Με την χρήση του προτύπου βρέθηκαν οι άριστες λύσεις και προσαρμόστηκαν για την ανάπτυξη εμπειρικών σχέσεων. Τέλος, αναπτύχθηκαν θεωρητικοί δείκτες για την σύγκριση της ενεργειακής εξοικονόμησης και της βιωσιμότητας ως συνάρτηση των τιμών ενέργειας, για την σύγκριση των συστημάτων συ- και τριπαραγωγής και εξάχθηκαν εμπειρικοί κανόνες για την βιώσιμη λειτουργία τους και την αποτελεσματικότητα των πολιτικών στήριξης τέτοιων επενδύσεων. Βρέθηκε ότι το συγκριτικό πλεονέκτημα της ΣΗΘ έναντι της ΣΗΘΨ δεν οφείλεται στην εγγενής τεχνολογική υπεροχή και μεγαλύτερη απόδοση της δεύτερης έναντι της πρώτης αλλά στη μεγαλύτερη ευελιξία και ευρύτερο πεδίο εφαρμογής της. Με τη βοήθεια των παραπάνω αξιολογήθηκε η πρόσφατη νομοθετική ρύθμιση που επιδοτεί την πώληση συμπαραγόμενου ηλεκτρισμού στο δίκτυο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τεχνολογίες συνδυασμένης παραγωγής ωφελούν τον καταναλωτή, ο οποίος εκτός από την ενεργειακή του αυτονομία απολαμβάνει και σημαντικό λειτουργικό όφελος. Με αυτό το τρόπο οι τεχνολογίες αυτές συμβάλλουν στη δημιουργία ενός ανοιχτότερου συστήματος αποκεντρωμένης παραγωγής ενέργειας.

Combined energy generation technologies also known as cogeneration, are the most efficient methods for the production of end use energy from conventional sources. With this technology, a big amount of heat that would have been dissipated to the environment is recovered and utilized either directly or via other processes. The development of these technologies has allowed the penetration to the building sector, which consumes 32% of the global end use energy. The scientific objective of this thesis refers to the analysis of a combined heat cooling power generation system, the identification its critical parameters and its optimization. This thesis focused on the mathematical formulation of the system, on multi-objective optimization, on the quantification of uncertainties and on the development of experience-based rules, models and screening parameters that facilitate the understanding of these systems. More specifically, the problem of optimal design of trigeneration plants was addressed for the coverage of energy needs of commercial buildings. After the presentation of the system, all critical factors that affect the operation and viability of the system were discussed. For that reason, a mathematical model was developed that represented the integrated energy system as a superstructure and simulated its operation on an hourly basis. A new operation strategy is being introduced and the effect of the variance of energy loads (heating, cooling, electricity) and the pricing of energy (electricity, natural gas) was studied on the economic and energetic performance of the plant. After the understanding of the system, the problem of multi-objective optimization was formulated, and solved by using evolutionary algorithms. The optimization was based on economic, energetic and environmental criteria for the identification of the non-dominated solution set. The sizing and discrete operational variables were chosen as the optimization variables. Due to the complexity of these systems the uncertainty involved cannot be ignored. For that reason, the uncertainty of both energy demand via stochastic models and regulatory geopolitical risk was modeled, by using distribution in the primary energy prices. By using Monte Carlo methods all optimal solutions were compared and a criteria was developed based on the desires risk level or the minimization of extreme events. All above methods were applied for the case of a commercial hospital unit. The selected trigeneration systems could satisy all goals that were selected with very important economic and energetic benefits. The optimum equipment size that corresponds to the energy optimum solution was bigger than the one that corresponds to the economic optimum but smaller than environmental optimum solution. The selection of optimum tariffs was correlated with an index that describes the behavior of the electric loads. Based on the developed methodology, surrogate models were developed for the generalization of trigeneration system design for consumers with different characteristics. For that reason, an empirical model that describes the quality load characteristics was developed based on the load duration curve and their correlation. By using this model, the optimum solutions were identified and fitted for the development of empirical relationships. Finally, theoretical indices were developed for the comparison of energy savings and viability as a function of energy prices, for the comparison of cogeneration and trigeneration system. Empirical rules were extracted for the viable operation and the effectiveness of policy incentives for such investments was evaluated. It was found that the competitive advantage of cogeneration versus trigeneration is not based on the native technological excellence and bigger efficiency of the latter but on the biggest flexibility and wider range of its application. With the use of the above, the recent policy, that subsidizes the electrical energy produced by cogeneration, was evaluated. The results showed that cogeneration technologies can benefit the consumers, not only by increasing their energy autonomy but also by gaining operational profit. With that way, these technologies can assist in the development of a more open system of distributed generation of energy.