Ημερολόγιο Παρουσιάσεων

ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Όνοματεπώνυμο Φοιτητή: Αποστόλου Κωνσταντίνος

Α.Μ.: 2018050078

Ημερομηνία Παρουσίασης: 01/10/26

Ώρα: 14:30

Αίθουσα: https://tuc-gr.zoom.us/j/94219241496?pwd=K7HwOJkbZcaCOUkHDKDhZEvRuWPbSv.1

Θέμα ΔE «ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΙΚΡΟΔΙΚΤΥΟΥ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΣΕ ΟΙΚΙΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ»

TITLE:"OPTIMIZATION OF THE MICROGRID FOR COMBINED HEAT AND POWER GENERATION IN A RESIDENTIAL ENVIRONMENT"

Επιβλέπων: ΔΙΑΓΓΕΛΑΚΗΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ

Τριμελής Εξεταστική Επιτροπή:

1. Διαγγελάκης Νικόλαος
2. Κολοκοτσά Διονυσία
3. Φουντουλάκης Μιχαήλ

Περίληψη:

Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η οικονομική βελτιστοποίηση ενός τοπικού συστήματος μηχανών Συμπαραγωγής Ηλεκτρισμού και Θερμότητας (ΣΗΘ) φυσικού αερίου (CHP micro-grid optimization) για οικιστική χρήση. 

Συγκεκριμένα, με τη χρήση του εργαλείου RetScreen, έχουν αναπτυχθεί πέντε (5) ημι-ανεξάρτητες κατοικίες στην ίδια περιοχή (γειτονιά). Η κάθε κατοικία έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά, από την έκταση του σπιτιού σε τ.μ. και την μόνωσή του, έως τον αριθμό των κατοίκων που διαμένουν σε αυτήν και την χρήση ηλεκτρισμού, θερμότητας και ζεστού νερού που έχουν ανάγκη.

Για την επίλυση του προβλήματος δημιουργήθηκε ένας κώδικας βελτιστοποίησης μικτού ακέραιου προγραμματισμού (MILP), κάτι το οποίο μας δίνει την δυνατότητα να εξετάσουμε διαφορετικά σενάρια ζήτησης ενέργειας και εξοπλισμού λειτουργίας με μεγάλο εύρος μεταβλητών, συνεχών ακέραιων και δυαδικών. Στόχος είναι η δημιουργία ενός γραμμικού state-space model (μοντέλο χώρου-κατάστασης) με την βοήθεια της γλώσσας προγραμματισμού python και την χρήση της αρχής του Rolling Horizon (κυλιόμενος ορίζοντας).

Ο Rolling Horizon είναι ένας τρόπος αντιμετώπισης προβλήματος ελέγχου όταν μια συνάρτηση πρέπει να βελτιστοποιηθεί σε έναν συγκεκριμένο χρονικό ορίζοντα. Σε κάθε βήμα ο χρονικός ορίζοντας μετατοπίζεται κατά ένα διάστημα που ορίζουμε εμείς, βελτιστοποιώντας το αποτέλεσμα. Έχοντας πλέον νέα βελτιστοποιημένα αποτελέσματα, το μοντέλο επαναλαμβάνει την διαδικασία κυλιόμενο διάστημα-διάστημα παρέχοντάς μας πάντα την βέλτιστη λύση. Έτσι καταφέρνουμε να έχουμε off-line (εκ των προτέρων) αποτελέσματα για ένα σημαντικό χρονικό διάστημα που μας ενδιαφέρει. Το μοντέλο είναι ικανό να λαμβάνει υπόψη τόσο τις πτυχές του σχεδιασμού (ανάγκες σε ηλεκτρισμό, θερμότητα, αριθμός κατοίκων κ.λπ.) όσο και τις διαταραχές που μπορεί να προκύψουν (πχ καιρικές συνθήκες). Ωστόσο, όσο μεγαλύτερος είναι ο χρονικός ορίζοντας αυτός, η ακρίβεια των αποτελεσμάτων μειώνεται λόγω αβεβαιότητας. Έτσι, έχει επιλεχθεί ένας χρονικός ορίζοντας 24 ωρών.

Σε πραγματικές συνθήκες, είναι οικονομικά ασύμφορο οι μηχανές ΣΗΘ να λειτουργούν αέναα, ενώ από την άλλη, η τακτική ενεργοποίηση/απενεργοποίησή τους (start-up/shut down) μειώνει τον χρόνο ζωής τους, μαζί με τις οικονομικές επιπτώσεις που επιφέρει αυτό. Η μεθοδολογία, λοιπόν, του state-space modeling, μας δίνει την δυνατότητα να εντάξουμε στον προγραμματισμό παραμέτρους που αφορούν την κατάσταση λειτουργίας (on/off) των micro-CHP, με ταυτόχρονη χρήση περιορισμών χρόνου λειτουργίας. Μέσω της μεθοδολογίας ανύψωσης (lifting) των μεταβλητών, το πρόγραμμα αποκτά μνήμη σχετικά με την λειτουργία του συστήματος και καταφέρνει να τηρήσει τις νομοτέλειες που θέτουν οι παραπάνω περιορισμοί λειτουργίας των micro-CHP.

Το τοπικό σύστημα (micro-grid) που δημιουργούμε θα μπορεί να προσφέρει επικοινωνία μεταξύ των  διαφορετικών κατοικιών και να ανακατανέμει ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα στο καθένα ανάλογα με τις ανάγκες του αξιοποιώντας κεντρικό λέβητα ή μπαταρία. Ταυτόχρονα, τυχόν πλεόνασμα ηλεκτρικής ενέργειας θα πωλείται στο δίκτυο. Για την εξέταση του προβλήματος έχουν δημιουργηθεί 2 βασικά σενάρια που αφορούν την αποθήκευση ενέργειας, ώστε να συγκριθούν και να εξαχθούν συμπεράσματα ως προς την αποτελεσματικότητά τους. Συγκεκριμένα, στο 1ο σενάριο υπάρχουν πέντε μπαταρίες για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, μία για την κάθε κατοικία, και ένας κεντρικός λέβητας που καλύπτει τις ανάγκες ζεστού νερού για όλες τις κατοικίες. Το 2ο σενάριο, αντίστροφα, διαθέτει πέντε λέβητες και μία μπαταρία.

Σε μια περίοδο που η ενεργειακή ανασφάλεια αυξάνεται διεθνώς χρόνο με τον χρόνο, με την επίλυση του εξεταζόμενου προβλήματος επιδιώκουμε να μελετήσουμε την οικονομική βελτιστοποίηση στην κατανάλωση ενέργειας όχι μόνο σε ένα νοικοκυριό, αλλά σε ολόκληρη γειτονιά. Η δημιουργία και επίλυση του προβλήματος γίνονται με ευελιξία στο μέγεθος και στα χαρακτηριστικά τόσο του micro-grid όσο και των micro-chp με σκοπό τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης του λογισμικού ανεξαρτήτως μελέτης περίπτωσης (case-study). Ταυτόχρονα, τα διαφορετικά σενάρια που αφορούν τον αριθμό και την χωρητικότητα των μπαταριών ευελπιστούμε να φανούν χρήσιμα σε μελλοντικά case study, σε μια περίοδο που η έρευνα πάνω στους συσσωρευτές και την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας λαμβάνει ξεχωριστό ερευνητικό ενδιαφέρον και κάνει άλματα.

Abstract:

This thesis examines the economic optimization of a local natural gas combined heat and power system (CHP micro-grid optimization) for residential use.

Specifically, using the RetScreen software platform, five (5) semi-independent residences have been modeled in the same neighborhood. Each residence has different characteristics, ranging from the floor area in square meters and its insulation to the number of residents living there and their needs in electricity, heat, and hot water.

To solve this problem, a mixed-integer linear programming (MILP) optimization code was developed, something that allows us to examine different scenarios for energy demand and operational equipment across a wide range of variables, including continuous, integer, and binary. The goal is to create a linear state-space model using the Python programming language and the Rolling Horizon concept.

The Rolling Horizon is a method for addressing a control problem when a function must be optimized over a specific time horizon. At each step, the time horizon shifts by an interval we define, thereby optimizing the result. When the model has new, optimized results, it repeats the rolling process time-step to time-step, always providing us with the optimal solution. This procedure allows us to obtain offline results for a significant time period of interest. The model can consider both design aspects (electricity and heat demands, number of residents, etc.) and potential disruptions (e.g., weather conditions). However, the longer the time horizon, the less accurate the results become due to uncertainty. Therefore, a time horizon of 24-hours has been selected.

Under real-world conditions, continuous operation of CHP units is economically unfeasible; on the other hand, regular start-up and shutdown reduces the units’ service life, along with the associated economic consequences. The state-space modeling methodology, therefore, allows us to incorporate parameters related to the operational state (on/off) of the micro-CHP units into the planning process, while simultaneously applying operating time constraints. Through the methodology of lifting variables, the program acquires a “memory” of the system’s operation and therefore is able to adhere to the rules dictated by the aforementioned operational constraints of the micro-CHPs.

The microgrid we create will be able to facilitate communication between the residences and redistribute electricity and heat to each one according to its needs, using a central boiler or a central battery. At the same time, any surplus of electricity will be sold back to the grid. To examine this issue, two basic scenarios regarding energy storage have been developed so that they can be compared and draw conclusions regarding their effectiveness. Specifically, in the first scenario, there are five batteries for electricity storage (one for each residence) and a central boiler that meets the hot water needs of all residences. The second scenario, conversely, features five boilers and one battery.

At a time when energy insecurity is increasing globally year after year, by solving the problem at hand, we aim to study the economic optimization of energy consumption not only in a single household but across an entire neighborhood. The problem is formulated and solved with flexibility regarding the size and characteristics of both the microgrid and the micro-CHP systems, with the goal of enabling the reuse of the software regardless of case study.

At the same time, we hope that the various scenarios regarding the number and capacity of batteries will prove useful in future case studies, at a time when research on batteries and electrical energy storage is attracting significant attention and making great progress.