Ανάπτυξη Μεθοδολογίας Πολυκριτηριακής Αξιολόγησης Καινοτόμων Ενεργειακών Τεχνολογιών σε Περιβάλλον Αβεβαιότητας

Abstract

Η διαρκώς αυξανόμενη κοινωνική ευαισθησία σε περιβαλλοντικά ζητήματα και η προφανής αντίθεση οικονομικών και περιβαλλοντικών στόχων αποτέλεσαν τις κυριότερες αιτίες που ώθησαν στη δεκαετία του ‘80 τους σχετιζόμενους με τον ενεργειακό σχεδιασμό στην αναζήτηση ολοκληρωμένων μεθόδων υποστήριξης των σχετικών αποφάσεων. Η επακόλουθη ταχεία εξέλιξη της αγοράς ενέργειας τις δυο επόμενες δεκαετίες, δημιούργησε νέες απαιτήσεις σε επίπεδο ενεργειακού σχεδιασμού. Η απελευθέρωση της ηλεκτροπαραγωγής αύξησε (ποσοτικά και ποιοτικά) τον εταιρικό ανταγωνισμό, ενώ η κοινωνική απαίτηση για ενεργειακή αειφορία εκφράστηκε εντονότερα, τόσο μέσω επίσημων πολιτικών, όσο και μέσω μη κυβερνητικών οργανώσεων. Η πολυπλοκότητα των αποφάσεων ενεργειακού σχεδιασμού εντείνεται αν ληφθεί υπόψη η εισαγωγή καινοτόμων τεχνολογιών κάλυψης ηλεκτρικών και θερμικών φορτίων, που χαρακτηρίζονται κατά κανόνα από μειωμένες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, αλλά υψηλή διακινδύνευση ως προς την τεχνική αποδοτικότητα και την οικονομική τους βιωσιμότητα. Οφείλει επίσης να επισημανθεί η ασάφεια που διακρίνει τα τεχνο-οικονομικά και περιβαλλοντικά δεδομένα/μοντέλα, τις μελλοντικές τεχνολογικές και κοινωνικοπολιτικές εξελίξεις, όπως και τις επιμέρους προτεραιότητες ενός μεγάλου αριθμού εμπλεκομένων μερών. Τα παραπάνω καθιστούν αναγκαία την εφαρμογή ολοκληρωμένων μεθοδολογιών, προκειμένου τα προβλήματα ενεργειακού σχεδιασμού να επιλύονται κατά τρόπο βιώσιμο και ευρέως αποδεκτό. Η περιβαλλοντική Ανάλυση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) και η Πολυκριτηριακή Ανάλυση (ΠΑ) συνδέονται άμεσα – με διαφορετικό ωστόσο τρόπο – με την γενικότερη έννοια της ολοκληρωμένης αξιολόγησης ενεργειακών τεχνολογιών, εφαρμοζόμενες όλο και συχνότερα την τελευταία δεκαετία. Η ενσωμάτωσή τους σε μια συνολική μεθοδολογία συνδυασμένης αξιολόγησης είναι σε θέση να συνθέσει συνεργητικά τα επιμέρους οφέλη που συνεισφέρουν σε ένα πρόβλημα ενεργειακού σχεδιασμού. Η ΑΚΖ μπορεί να παρέχει περιβαλλοντική πληροφορία υψηλής ποιότητας, με τους δείκτες που παράγει ως αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται ευθέως ως περιβαλλοντικά κριτήρια αξιολόγησης από την ΠΑ. Επιπλέον, η ΠΑ μπορεί να αποτελέσει το εργαλείο «επέκτασης» της ΑΚΖ, ενσωματώνοντας αντίστοιχα τεχνικά και οικονομικά κριτήρια. Το ερευνητικό πεδίο της διατριβής εντοπίζεται στην αναγκαιότητα υπέρβασης των καθιερωμένων τεχνο-οικονομικών μεθόδων αξιολόγησης και επιλογής ενεργειακών συστημάτων, μέσω διαμόρφωσης μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης του προβλήματος αξιολόγησης. Στα πλαίσια του παρόντος η έννοια της ολοκληρωμένης αξιολόγησης εντοπίζεται σε δυο κύρια σημεία: (α) την ενσωμάτωση των συνολικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων, τόσο χρονικά (κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής), όσο και γεωγραφικά (εκπομπές εκτός σημείου λειτουργίας του ενεργειακού συστήματος) και (β) τη δόμηση και εφαρμογή μιας συνολικής μεθοδολογίας υποστήριξης της επιλογής ενεργειακού συστήματος, λαμβάνοντας υπόψη εκτός από τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, την τεχνική αποδοτικότητα και την οικονομική βιωσιμότητα. Παράλληλα, η έννοια της ολοκληρωμένης αξιολόγησης συμπεριλαμβάνει την δυνατότητα μοντελοποίησης των υποκειμενικών προτεραιοτήτων που αποτελούν αναπόφευκτο τμήμα ενός εργαλείου υποστήριξης απόφασης, όπως και τη διαχείριση της αβεβαιότητας, τόσο των αντικειμενικών δεδομένων του προβλήματος απόφασης όσο και των υποκειμενικών προτεραιοτήτων των αποφασιζόντων. Ο κύριος στόχος της προτεινόμενης προσέγγισης αφορά τη διατύπωση μιας μεθοδολογίας ολοκληρωμένης αξιολόγησης ενεργειακών συστημάτων με βάση τις απαιτήσεις που περιγράφηκαν στην προηγούμενη παράγραφο, τα οποία καλύπτουν ηλεκτρικά ή/και θερμικά φορτία. Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται μεν σε συνδυασμό δυο καθιερωμένων μεθοδολογιών (της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) και της Πολυκριτηριακής Ανάλυσης (ΠΑ)), ωστόσο μέσω της ενσωμάτωσης διαφόρων διεπιστημονικών εργαλείων (ανάλυση ενεργειακών συστημάτων σύμφωνα με τον 1ο και 2ο θερμοδυναμικό νόμο, περιβαλλοντική ανάλυση κύκλου ζωής, υποστήριξη απόφασης, διαχείριση αβεβαιότητας και θεωρία ασαφών αριθμών), υπερβαίνει τα όρια μιας επέκτασης συγκεκριμένης υπάρχουσας μεθοδολογίας. Η μεθοδολογία συνδυασμένης αξιολόγησης που διατυπώνεται στην παρούσα διατριβή αποτελείται από τρία σκέλη: 1. Τον καθορισμό του γενικού πλαισίου της αξιολόγησης, όπου τίθεται ο σκοπός της συνδυασμένης αξιολόγησης, καθώς και πιθανές μεθοδολογικές απαιτήσεις. Διασαφηνίζονται με βάση τις λειτουργικές απαιτήσεις της εφαρμογής οι ελάχιστες προδιαγραφές των επιλέξιμων συστημάτων. Ακολούθως αναλύονται τα ανταγωνιστικά συστήματα που ενσωματώνουν διαφορετικές τεχνολογίες προκειμένου να ανταποκριθούν στις ενεργειακές απαιτήσεις που αποτελούν απαραίτητο δεδομένο. 2. Την επιμέρους αξιολόγηση της τεχνικής, περιβαλλοντικής και οικονομικής συνιστώσας. Εντός του πλαισίου της εφαρμογής που ορίστηκε στο πρώτο σκέλος, αναζητούνται και επεξεργάζονται δεδομένα που αφορούν τις τρεις συνιστώσες της συνολικής αποδοτικότητας των ενεργειακών συστημάτων. Ως αποτέλεσμα, παράγονται τρεις κατηγορίες δεικτών – κριτηρίων αξιολόγησης. Τα κριτήρια αξιολόγησης δίδονται σε μορφή ασαφών αριθμών (εύρος διακύμανσης και κεντρική τιμή), έτσι ώστε να ενσωματώνουν την ασάφεια του υπολογισμού / καθορισμού τους. 3. Τη συνδυασμένη αξιολόγηση των ανταγωνιστικών συστημάτων. Το αποτέλεσμα του δεύτερου σκέλους χαρακτηρίζεται ως το αντικειμενικό σκέλος της αξιολόγησης, προκειμένου να καταστεί σαφής ο διαχωρισμός από το υποκειμενικό σκέλος που αφορά τις προτεραιότητες και τις επιδιώξεις των ατόμων/ομάδων που καλούνται να αποφασίσουν ως προς το επικρατέστερο ενεργειακό σύστημα. Ο βασικός στόχος εντοπίζεται στον συνδυασμό των τριών «ροών πληροφορίας» όπως καθορίστηκαν στο δεύτερο στάδιο μέσω των επιμέρους αξιολογήσεων, με ενσωμάτωση του υποκειμενισμού που αναπόφευκτα χαρακτηρίζει κάθε ανθρώπινη απόφαση. Παράλληλα, η μεθοδολογία στοχεύει στην διαχείριση της ασάφειας αφ’ ενός του αποτελέσματος των επιμέρους αξιολογήσεων και αφετέρου του υποκειμενισμού των ατόμων/ομάδων που λαμβάνουν την απόφαση της επιλογής ενεργειακού συστήματος. Η μορφή του τελικού αποτελέσματος της μεθοδολογίας εξαρτάται από το επίπεδο ασάφειας των υποκειμενικών προτεραιοτήτων των αποφασιζόντων. Όταν δεν είναι εφικτή η ποσοτικοποίηση των προτεραιοτήτων της απόφασης μέσω καθορισμού συντελεστών εφαρμόζεται η μεθοδολογία πολυκριτηριακής ανάλυσης για κάθε συνδυασμό (τριάδα) συντελεστών βαρών των τριών κατηγοριών κριτηρίων (τεχνικά, περιβαλλοντικά, οικονομικά) και παράγεται ένα τριγωνικό διάγραμμα που αποτυπώνει το επικρατούν σύστημα για κάθε υποκειμενικό συνδυασμό. Αν είναι εφικτός ο προσδιορισμός του συντελεστή βαρύτητας κάθε κριτηρίου μέσω ασαφών αριθμών (κεντρική τιμή και εύρος διακύμανσης), εφαρμόζεται πρωτότυπη μεθοδολογία ασαφούς πολυκριτηριακής ανάλυσης. Τα κριτήρια αξιολόγησης εισάγονται με την ασαφή τους μορφή και το τελικό αποτέλεσμα αναπαριστά την κατάταξη της συνδυασμένης αξιολόγησης με ποσοτικοποίηση της αξιοπιστίας. Εξετάστηκαν δυο μελέτες περιπτώσεων: (α) Αξιολόγηση τεχνολογιών βοηθητικής ηλεκτροπαραγωγής σε ναυτικές εφαρμογές και (β) Αξιολόγηση τεχνολογιών μικρο-συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας για οικιακές εφαρμογές. Μέσω των εφαρμογών αυτών αναδείχθηκαν τα εξής συμπεράσματα για τη λειτουργικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας:  Επιτεύχθηκε πλήρης ενσωμάτωση της περιβαλλοντικής συνιστώσας στη διαδικασία ολοκληρωμένης αξιολόγησης.  Αποφεύχθηκε η μονομέρεια της αξιολόγησης, μέσω του συνδυασμού της τεχνικής, της οικονομικής και της περιβαλλοντικής πληροφορίας των εξεταζόμενων συστημάτων.  Κατά την περίπτωση όπου ήταν εφικτή η (έστω ασαφής) εκτίμηση των προτεραιοτήτων των (εν δυνάμει) αποφασιζόντων, αποτυπώθηκε το εύρος της ασάφειας τόσο των τιμών των κριτηρίων, όσο και των συντελεστών βαρύτητας στα τελικά αποτελέσματα, ενισχύοντας την παρεχόμενη πληροφορία προς τους αποφασίζοντες. Η εισαγωγή της έννοιας της αξιοπιστίας της ασαφούς κατάταξης και η αντίστοιχη ποσοτικοποίησή της αποτελούν επιπρόσθετα ισχυρά εργαλεία ανάλυσης του πολυκριτηριακού προβλήματος.  Αντιμετωπίστηκαν με επιτυχία οι συνθήκες πλήρους αδυναμίας προσδιορισμού της υποκειμενικής συνιστώσας (συντελεστές βαρύτητας κριτηρίων). Η σάρωση των πιθανών συνδυασμών αποτυπώθηκε στο σύνθετο διάγραμμα των αποτελεσμάτων, παρέχοντας μια πλήρη και συνοπτική «ακτινογραφία» του προβλήματος αξιολόγησης, αναδεικνύοντας τις περιοχές επικράτησης των ανταγωνιστικών συστημάτων στον τριγωνικό «χάρτη απόφασης». Όσον αφορά τα ευρήματα της αξιολόγησης τεχνολογιών βοηθητικής ηλεκτροπαραγωγής σε ναυτικές εφαρμογές, διαπιστώθηκε ότι το σύστημα που βασίζεται στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου διαθέτει μεν σημαντικά θεωρητικά πλεονεκτήματα συγκρινόμενο με το συμβατικό σύστημα κινητήρα DE, όμως η ανεπάρκεια επίτευξης υψηλών βαθμών απόδοσης και το υπέρογκο κόστος εγκατάστασης καθιστούν σαφή την υστέρησή του, ακόμα και όταν η απόφαση λαμβάνεται με μεγαλύτερο συντελεστή βαρύτητας στα περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα της μονάδας MCFC. Αν επαληθευτούν τα επόμενα 10-15 έτη οι πλέον αισιόδοξες προβλέψεις σχετικά με την ενεργειακή αποδοτικότητα και τη μείωση του κόστους εγκατάστασης, διαφαίνεται ότι οι μονάδες βοηθητικής ηλεκτροπαραγωγής με συστοιχία MCFC είναι σε θέση να αντικαταστήσουν συμβατικές μονάδες. Ωστόσο, το γεγονός ότι οι μονάδες με κινητήρα diesel μπορούν να ενσωματώσουν πλήθος τεχνικών προκειμένου να μειώσουν τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις με ανεκτούς συμβιβασμούς ως προς το κόστος και την ενεργειακή αποδοτικότητα, αποτελεί επίσης κρίσιμο παράγοντα που δρα αρνητικά στην επέκταση της τεχνολογίας MCFC. Η συνδυασμένη αξιολόγηση των τεχνολογιών μικροσυμπαραγωγής ανέδειξε το συνολικό συμπέρασμα ότι το κύριο πλεονέκτημα του συστήματος μ-ΣΗΘ είναι η βελτιωμένη περιβαλλοντική επίδοση, η οποία ωστόσο είναι πιθανό να τεθεί υπό αμφισβήτηση σε συνθήκες μειωμένης ετήσιας χρήσης. Στον αντίποδα, στο παρόν στάδιο εξέλιξης των κυψελών καυσίμου δεν έχει δοθεί πειστική απάντηση σε σειρά τεχνικών ζητημάτων (ανθεκτικότητα, αξιοπιστία, χαμηλός χρόνος ζωής, απόκριση σε μεταβαλλόμενη απαίτηση), κάτι που έχει άμεσο αντίκτυπο στην επίδοση των αντίστοιχων τεχνικών κριτηρίων. Η οικονομική βιωσιμότητα της μονάδας SOFC κρίνεται κατά περίπτωση και βάσει πλήθους υποθέσεων σχετικά με την εξέλιξη του κόστους εγκατάστασης και χρήσης τα επόμενα χρόνια. Τα οικονομικά στοιχεία που αξιοποιήθηκαν στην παρούσα αξιολόγηση χαρακτηρίζονται ως εξαιρετικά ευνοϊκά, καθώς υποθέτουν κόστος εγκατάστασης τάξης μεγέθους 3.000 €, τη στιγμή που τρέχουσες εκτιμήσεις κόστους υπερβαίνουν τα 50.000 € για σύστημα SOFC δυναμικότητας 1kW. Με δεδομένο οτι η τεχνική αποδοτικότητα και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις ενός συστήματος μ-ΣΗΘ με συστοιχία SOFC δεν αναμένεται να αλλάξουν δραματικά (τουλάχιστον τα επόμενα χρόνια), η εξέλιξη της οικονομικής βιωσιμότητας αναδεικνύεται ως καθοριστικός παράγοντας καθορισμού της εξάπλωσης της συγκεκριμένης τεχνολογίας.

The rising social sensitivity regarding environmental issues and the conflict between economic and environmental priorities have been recognized during the 80’s as the major driving forces towards researching integrated decision support methodologies in the field of energy planning. Additional challenges were introduced in this field, caused by subsequent transformations in the energy market: the liberalization of the electricity production boosted competition, while the demand for sustainability was expressed more explicitly through relevant policies and NGOs. The complexity of energy planning decision making is intensified by the introduction of innovative heat and power technologies and systems, which in general have lower impact to the environment, but high risks regarding their technical efficiency and economic viability. Moreover, a crucial factor that should not be overlooked is the uncertainty concerning techno-economic and environmental data and models, the evolution of the socio-political context and the decision priorities of a growing number of parties involved in relevant decision problems. All the above justify the need for developing and implementing integrated assessment methodologies, in order to reach viable and widely acceptable energy planning decisions. The methodologies of Life Cycle Analysis (LCA) and Multicriteria Analysis (MA) are directly related – in a different sense – with the general concept of integrated assessment of energy technologies and the frequency of their applications is growing in the last decade. Their potential incorporation in a holistic assessment methodology can combine the individual benefits they contribute to an energy planning problem. The output of the LCA can be utilized as high quality environmental criteria in the MA and vice versa, the MA can provide the methodological framework towards combining the economic and technical information and the LCA output. The research field of the present thesis focuses on an integrated methodology framework for assessing and selecting energy technologies, which will overcome the limitations of the conventional techno-economic approach. The concept of integrated assessment is herewith located in two focal issues: (a) the integration of the total environmental impact of the systems examined, both in terms of time (throughout their total life cycle) and place (emissions not occurring in the vicinity of the system operation) and (b) the formulation and implementation of a holistic methodology, in order to support the selection of an energy technology, also considering – apart from the environmental impact – the technical performance and the economic viability. In parallel, the integrated assessment concept – as defined in the framework of the present thesis – encompasses the capability of modelling the subjective decision making priorities, which inevitably affect the technology selection. Last but not least, a crucial feature of the integrated assessment methodology is the consideration of the overall data uncertainty (characterizing both the objective and the subjective information input) and the estimation of its influence. The main objective of the proposed methodology lies on the formulation of an integrated assessment methodology aiming to support the selection of energy technologies, on the basis of the main features description of the previous paragraph. The cornerstone of the integrated approach proposed is the combination of LCA and MA; however through the incorporation of various interdisciplinary tools (energy systems analysis according to the 1st and 2nd Law of Thermodynamics, decision support methods, handling of uncertainty, fuzzy numbers theory), the method described exceeds the limits of an extension of a specific existing methodology. The integrated assessment approach consists of three basic methodological stages: 1. Description of the general assessment framework. It involves the definition of the overall scope and the minimum common specifications required in order the competitive systems to qualify as comparable. In the first stage, the energy demand is defined both in terms of quantity and time variation and also the operation and components of the systems examined are analysed. 2. Separate evaluation of technical, environmental and economic performance. The second methodological stage refers to acquisition and elaboration of data regarding the three aspects of the overall performance. Assessment indexes/criteria are produced for each of the three corresponding aspects, formulated as fuzzy numbers, in order to incorporate the ambiguity of determining their corresponding values. 3. Combination of separate evaluations – Integrated assessment. The output of the second stage is characterized as the objective part of the assessment problem, so as to distinguish it from the subjective part, which refers to the priorities of the decision making individuals/groups. In the final stage of the methodology, the three “flows” of objective information are integrated, alongside with the subjective part of the assessment problem. In parallel, the inability of strictly defining the subjective priorities is also modeled. The final output is formulated according to the level of uncertainty regarding the determination of the criteria weight factors (which model the decision making priorities). In the case of total inability to set values to the weight factors, the multicriteria method is applied to every combination of group weight factors (technical, environmental and economic), producing a ternary diagram depicting the prevailing system for each of the subjective combinations. If the criteria weight factors can be determined – even in fuzzy terms – an innovative fuzzy multicriteria method is introduced and implemented. In this case, the final result represents the fuzzy ranking of the systems examined, alongside with the quantification of the ranking reliability. The proposed integrated assessment methodology has been applied in two case studies: (a) Assessment of Auxiliary Power Unit (APU) technologies in marine applications and (b) Assessment of micro-cogeneration (m-CHP) technologies for domestic applications. As regards the functionality of the methodology, the following conclusions were drawn:  The environmental impact was successfully integrated in the decision making approach.  Through considering all three key aspects of the systems’ performance (technical, environmental and economic), the assessment procedure has alleviated the limitation of a conventional one-sided approach.  In the first case study, in which the fuzzy estimation of criteria weight factors was available, the influence of input uncertainty was represented in the final outcome, enhancing the information provided to a potential decision maker. The introduction of the fuzzy ranking reliability concept and its corresponding quantification proved to be powerful analysis tools of the multicriteria problem.  The case of inability to estimate weight factors was also successfully handled. The output of recalculating the multicriteria algorithm for all possible group weight factor combinations was presented in a comprehensive diagram, providing a complete and concise overall picture of the assessment problem. On the resulting ternary diagram the “prevailing regions” of each alternative are highlighted. Concerning the conclusions of the integrated assessment of the generating technologies in naval applications, the fuel cell APU has important theoretical advantages compared to the diesel APU, however the inability to achieve high efficiencies and its present costs are decisive factors justifying its inferior preference flow. This situation does not change even if higher importance is assigned to the environmental benefits of the MCFC APU. As regards the near future (in 10-15 years) scenario, in which the multicriteria model assumes the extremely optimistic provisions concerning efficiency raise and cost reduction of the fuel cell APU, a moderate preference potential is identified. However, the diesel engine APUs can incorporate a number of emission reduction techniques, accompanied with modest to low compromises regarding efficiency decrease and relevant costs. The statement of the previous sentence can prove decisive towards limiting the adoption fuel cell technology in marine applications. The application of the proposed methodology in the case of m-CHP technologies has shown that the main advantage of the fuel cell m-CHP system is the improved environmental performance, which however may be compromised from low annual utilization conditions. As regards the technical performance of the SOFC unit, the present state of technological development has not yet provided convincing answers to a number of critical issues, such as durability, reliability, stack lifetime and response in demand variance. The economic viability of the SOFC unit depends on the specific case and the inevitable assumptions regarding the decrease rate of the near future installation costs. The economic data used in the present analysis are considered as quite optimistic, assuming a system investment cost of 3000€, when recent estimations for similar actual systems exceed the limit of 50000€. Provided that the main technical and environmental attributes of SOFC m-CHP unit are not expected to change dramatically in the near future, the decrease rate of investment costs is crucial towards determining the preference potential of SOFC units for domestic cogeneration.