Ανάπτυξη μεθοδολογίας πολυκριτηριακής αξιολόγησης καινοτόμων ενεργειακών τεχνολογιών σε περιβάλλον αβεβαιότητας

Abstract

The research field of the thesis focuses on formulating an integrated methodology framework for assessing and selecting energy technologies. The main objective of the proposed methodology lies on the development of an integrated assessment methodology of energy technologies, covering heat and/or electricity loads.The concept of integrated assessment is located in three focal issues, which also count as the individual targets of the thesis: (a)The estimation of the total environmental impact of the systems examined, through the adaption and implementation of Life Cycle Analysis.(b)The ability to model the subjective system selection priorities, through the implementation of Multicriteria Analysis.(c)The estimation of the overall uncertainty influence on the multicriteria problem, by extending an existing Multicriteria method using Fuzzy Numbers Theory.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.The implementation of the developed methodology on the aforementioned case studies showed its significant contribution, since it formulates an integrated approach to the problem of multicriteria selection of energy technologies. Flexible methods have been developed and applied in order to handle overall uncertainty, which originates both from the objective (technical – environmental – economic assessments) and the subjective (decision making priorities) part of the problem. The integrated methodology developed contributes positively towards the overall justification of energy technology selection.Concerning the conclusions of the integrated assessment of the Auxiliary Power Unit (APU) technologies in naval applications, only if the most extreme optimistic provisions concerning efficiency raise and cost reduction of the fuel cell APU are met, 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 integrated 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. 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.

Το αντικείμενο της διατριβής εντοπίζεται στην παροχή υποστήριξης σε προβλήματα επιλογής συστημάτων/τεχνολογιών κατά τον ενεργειακό σχεδιασμό. Ο κύριος στόχος της προσέγγισης που αναπτύχθηκε αφορά την ανάπυξη μιας μεθοδολογίας ολοκληρωμένης αξιολόγησης ενεργειακών συστημάτων, τα οποία καλύπτουν ηλεκτρικά ή/και θερμικά φορτία. Η έννοια της ολοκληρωμένης αξιολόγησης εντοπίζεται σε τρια κύρια σημεία – επιμέρους στόχους της διατριβής: (α) Την εκτίμηση των συνολικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων ενός ενεργειακού συστήματος και την ενσωμάτωσή τους στη διαδικασία επιλογής, μέσω προσαρμογής και εφαρμογής μεθόδου Ανάλυσης Κύκλου Ζωής(β) Τη δυνατότητα μοντελοποίησης των υποκειμενικών προτεραιοτήτων που αποτελούν αναπόφευκτο τμήμα ενός εργαλείου υποστήριξης απόφασης, μέσω εφαρμογής μεθόδου Πολυκριτηριακής Ανάλυσης.(γ) Την εκτίμηση της επίδρασης της συνολικής αβεβαιότητας του προβλήματος, μέσω μεθοδολογικής επέκτασης υπάρχουσας Πολυκριτηριακής μεθόδου, αξιοποιώντας τη Θεωρία Ασαφών Αριθμών.Εξετάστηκαν δυο μελέτες περιπτώσεων: (α) Αξιολόγηση τεχνολογιών βοηθητικής ηλεκτροπαραγωγής σε ναυτικές εφαρμογές και (β) Αξιολόγηση τεχνολογιών μικρο-συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (μ-ΣΗΘ) για οικιακές εφαρμογές. Μέσω των εφαρμογών αυτών αναδείχθηκε η συνεισφορά της ολοκληρωμένης μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε, καθώς διαμορφώνει ένα περιβάλλον ολοκληρωμένης προσέγγισης του προβλήματος της πολυκριτηριακής αξιολόγησης ενεργειακών τεχνολογιών, διαχειρίζεται ευέλικτα την αβεβαιότητα είτε της αντικειμενικής πληροφορίας (αποτελέσματα επιμέρους τεχνικής – περιβαλλοντικής – οικονομικής αξιολόγησης) είτε της υποκειμενικής (προτεραιότητες αποφασιζόντων) και τελικά συμβάλλει στη συνολική τεκμηρίωση και δικαιολόγηση της επιλογής τεχνολογίας. Όσον αφορά τα ευρήματα της αξιολόγησης τεχνολογιών βοηθητικής ηλεκτροπαραγωγής σε ναυτικές εφαρμογές, διαπιστώθηκε ότι 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. 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.