Renewable energy autonomous polygeneration smartgrids optimized with soft computing techniques

Abstract

The novel concept of autonomous polygeneration smartgrids was proposed,investigated and validated in this thesis. A microgrid topology is chosen, since itcan allow distributed generation in a larger geographical area. The products of thissmartgrid include power, potable water through desalination, hydrogen as fuel fortransportation and space heating and cooling. Renewable energy technologies suchas photovoltaics and wind turbines are the primary power producers. A reverseosmosis desalination unit equipped with energy recovery produces potable water.Hydrogen is mainly used as fuel for transportation. High efficiency heat pumps areconsidered for space heating and cooling. Available hardware for such systemsalready exists in the market and can be interconnected in such a way that allows theformation of the polygeneration microgrid. A simulation platform was createdusing the software packages TRNSYS, GenOpt, Matlab and TRNOPT. New routinesfor the simulation of the various components of the microgrid were written. For thesizing of the microgrid for specific needs and geographical location an approachbased on particle swarm optimization was used. Three different EnergyManagement Systems (EMS) were developed and compared. The first is a simpleEMS that turns on or off the fuel cell, the electrolyzer and the desalination unit. Inorder to allow part load operation soft computing approaches were implemented.The second EMS was based on Fuzzy Logic and the third on a combined Petri Net– Fuzzy Cognitive Maps approach. A methodology was created in order to be ableto optimize at the same time the operational parameters of the EMS and the sizes ofthe various devices when designing a microgrid. Part load operation proved to beessential since it can decrease the sizes of the various components of the microgridconsiderably. A Demand Side Management (DMS) system based on a multi-agentsystem was developed and validated through simulation. The DMS gives theintelligence to the microgrid to operate in occasions beyond the loads limits thatwere used when designing it. Without DSM the various devices would operateoutside of specifications and in the end the microgrid would collapse. The DSM canprotect the system in such occasions, minimize the power deficit and at the sametime guaranty the maximum utilization of the available devices. Finally the Autonomous Polygeneration Smartgrid topology was investigated economicallyand proved to be a profitable investment even with current prices.

Στην αυγή του 21ου αιώνα υπάρχουν ακόμη πολλές περιοχές στον κόσμοχωρίς πρόσβαση σε δίκτυο ηλεκτροδότησης. Αυτό δεν παρατηρείται μόνο σεπεριοχές του αναπτυσσόμενου κόσμου, αλλά και σε περιοχές της υπαίθρου χωρώνόπως ο Καναδάς και η Ρωσία. Σε αυτές τις περιοχές το πρόβλημα τηςηλεκτροδότησης αντιμετωπίζεται με τη χρήση υβριδικών ενεργειακών συστημάτωνπου συνήθως περιλαμβάνουν ένα συνδυασμό τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγώνενέργειας (όπως φωτοβολταϊκά και ανεμογεννήτριες), ηλεκτρογεννήτριεςπετρελαίου και συσσωρευτές. Η χρήση αυτής της τοπολογίας έχει πολλάμειονεκτήματα όπως η περιορισμένη περιοχή που μπορεί να καλύψει το σύστημα,η κεντρική χωροθέτηση των παραγωγών ενέργειας και η χρήση ηλεκτρογεννητριώνπου χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα, επιβαρύνοντας το περιβάλλον και την ίδιαστιγμή αυξάνουν σημαντικά το κόστος λειτουργίας και συντήρησης αυτών τωνσυστημάτων. Τα μικροδίκτυα που βασίζονται σε κατανεμημένη παραγωγή ισχύοςμε τη χρήση τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών αναδεικνύονται στην πιο εξελιγμένητεχνολογικά και βιώσιμη λύση για τις περιοχές αυτές.Την ίδια στιγμή πολλές περιοχές παγκόσμια αντιμετωπίζουν πρόβλημαδιαθεσιμότητας πόσιμου νερού. Σε πολλές περιπτώσεις ακόμη και όταν υπάρχειδιαθέσιμο νερό, μπορεί να μην είναι πόσιμο λόγω αλατότητας ή παρουσίαςβιολογικών ρυπαντών. Συστήματα αφαλάτωσης έχουν αναδειχθεί σαν ένας τρόποςαντιμετώπισης αυτού του προβλήματος. Η αφαλάτωση με τη χρήση τεχνολογίαςαντίστροφης ώσμωσης συνδυασμένη με ανανεώσιμες μπορεί να παράξει νερόυψηλής ποιότητας με βιώσιμο και περιβαλλοντικά φιλικό τρόπο. Η επί τόπουπαραγωγή καυσίμου για μετακινήσεις είναι μια καινοτόμος ιδέα που μπορεί νααυξήσει την ενεργειακή αυτονομία απομονωμένων περιοχών της υπαίθρου. Τέλος,στις ημέρες μας, υπάρχουν διαθέσιμες στην αγορά ηλεκτρικές συσκευές πολύχαμηλής ηλεκτρικής κατανάλωσης. Μεγάλης ενεργειακής αποδοτικότητας ψυγείακαι καταψύκτες και λαμπτήρες τεχνολογίας LED μπορούν να μειώσουν σημαντικάτην ενεργειακή κατανάλωση των κατοικιών. Η ψύξη και θέρμανση χώρου μπορείνα καλυφθεί αποδοτικά με τη χρήση αντλιών θερμότητας αέρα-αέρα. Συσκευές πουείναι σήμερα εμπορικά διαθέσιμες παρουσιάζουν COP μεγαλύτερο του 5. Η γενική ιδέα αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η κάλυψη σεαπομακρυσμένες περιοχές της υπαίθρου όλων των απαραίτητων προϋποθέσεων γιαδιαβίωση και ευημερία με ένα βιώσιμο, φιλικό προς το περιβάλλον και αυτόνομοτρόπο. Εκτός από την τροφή που μπορεί να παραχθεί αποκλειστικά από τηγεωργία, όλες οι υπόλοιπες ανάγκες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε ανάγκεςπου καλύπτονται μέσω ηλεκτρικών συσκευών, σε διαθεσιμότητα πόσιμου νερού, σεδιαθεσιμότητα καυσίμου για μεταφορές και σε ψύξη και θέρμανση των κατοικιών.Τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας επιλέγονται σαν τους βασικούςπαραγωγούς ηλεκτρικής ισχύος σε μια τοπολογία μικροδικτύου που επιτρέπει τηνκατανεμημένη παραγωγή σε μια μεγάλη γεωγραφικά έκταση. Η αφαλάτωση νερούμέσω αντίστροφης ώσμωσης συνδυασμένη με διατάξεις ανάκτησης ενέργειαςεπιλέγεται ως ο παραγωγός πόσιμου νερού. Το υδρογόνο επιλέγεται ως καύσιμο γιατις μεταφορές μιας και μπορεί να παραχθεί επί τόπου με τη χρήση ηλεκτρικήςισχύος και νερού. Τέλος η θέρμανση και η ψύξη των κατοικιών αποφασίστηκε νακαλυφθεί με τη χρήση υψηλής ενεργειακής αποδοτικότητας αντλιών θερμότηταςαέρα-αέρα. Αυτό το μικροδίκτυο πρέπει να είναι αυτόνομο και να παράγειπολλαπλά προϊόντα.Μετά την μορφοποίηση της ιδέας διερευνήθηκε η δυνατότητα υλοποίησης απότεχνική σκοπιά μέσω ενός πιλοτικού αυτόνομου μικροδίκτυο που εγκαταστάθηκεστους χώρους του Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Η εμπορικά διαθέσιμητοπολογία “Sunny Island©” που βασίζεται σε αναστροφείς της εταιρίας SMAεπιλέχθηκε σαν την βάση του πιλοτικού μικροδικτύου.Για να μπορέσει αυτή η τοπολογία να γίνει λειτουργική έγινε κατανοητό πωςέπρεπε να αναπτυχθεί ευφυής εποπτικός διαχειριστής. Επίσης λόγω της ευελιξίαςκαι της διαμόρφωσης με συναρτησιακά στοιχεία του μικροδικτύου έπρεπε νααναπτυχθεί ένα εργαλείο σχεδιασμού και διαστασιολόγησης, γιατί οι ανάγκες καιτο δυναμικό των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μεταβάλλεται σε διάφορεςπεριοχές της γης σημαντικά. Μια πλατφόρμα προσομοίωσης σχεδιάστηκε καιυλοποιήθηκε με διπλή στόχευση· από τη μία να αποτελέσει την πλατφόρμαανάπτυξης του συστήματος ευφυούς εποπτικής διαχείρισης και από την άλλη ναχρησιμοποιηθεί ως εργαλείο διαστασιολόγησης των συσκευών που απαρτίζουν το μικροδίκτυο. Τα εμπορικά λογισμικά πακέτα TRNSYS, Matlab, GenOpt καιTRNOPT συνδυάστηκαν σε μια ενιαία πλατφόρμα. Νέες ρουτίνες γράφηκαν μεσκοπό την προσομοίωση όλων των νέων συσκευών που δεν υπήρχαν διαθέσιμες στιςβιβλιοθήκες των λογισμικών πακέτων. Υπάρχουν πολλές προσεγγίσεις στο πώς ναγράψεις κώδικα που προσομοιώνει μια συσκευή (πχ. χρησιμοποιώντας εμπειρικέςή ημιεμπειρικές σχέσεις, χρησιμοποιώντας θεωρητικές εξισώσεις και ισοζύγια κλπ.).Μιας και αυτή η πλατφόρμα θα αποτελέσει στο μέλλον το εργαλείο σχεδιασμού καιδιαστασιολόγησης τέτοιων μικροδικτύων, αποφασίστηκε ότι ο κώδικας έπρεπε νααπαιτεί τα ελάχιστα δυνατά δεδομένα από τους κατασκευαστές των συσκευών, μεσκοπό την εύκολη ενσωμάτωση συσκευών διαθέσιμων σε κάθε περιοχή του κόσμου.Οι καινούργιες ρουτίνες χρησιμοποιούν δεδομένα των κατασκευαστών όπωςκαμπύλες βαθμού απόδοσης με στόχο την προσομοίωση της λειτουργίας τωνδιάφορων συσκευών. Η βελτιστοποίηση βασισμένη στη θεωρία σμηνών (ParticleSwarm Optimization) χρησιμοποιήθηκε για την διαστασιολόγηση των διαφόρωνσυσκευών. Αυτή η προσέγγιση αποφασίστηκε κυρίως λόγω της μεγάληςπολυπλοκότητας του συστήματος, το οποίο περιλαμβάνει τρεις διατάξειςαποθήκευσης ενέργειας (ηλεκτρική ισχύ στο συσσωρευτή, πόσιμο νερό στηδεξαμενή αποθήκευσης του πόσιμου νερού και υδρογόνο στο δοχείο τωνμεταλλικών υδριδίων) και η διαστασιολόγηση της κάθε συσκευής συσχετίζεταιάμεσα με τα μεγέθη των υπολοίπων.Το πρώτο σύστημα διαχείρισης της ενέργειας που σχεδιάστηκε ήταν πολύαπλό και στην πράξη ενεργοποιούσε ή απενεργοποιούσε τη μονάδα ηλεκτρόλυσης,τη μονάδα αφαλάτωσης και την κυψέλη καυσίμου, που όλες λειτουργούσαν στοσημείο ονομαστικής λειτουργίας. Το επόμενο βήμα περιλάμβανε τη μελέτηλειτουργίας των συσκευών σε μερικό φορτίο. Χρησιμοποιήθηκε η Ασαφής Λογική(Fuzzy Logic) και ένα νέο σύστημα διαχείρισης σχεδιάστηκε. Οι παράμετροι τουδιαχειριστή βασισμένου στην ασαφή λογική βελτιστοποιήθηκαν διαισθητικά βάσητης εμπειρίας που είχε συσσωρευτεί πάνω στην τοπολογία. Μια αυτοματοποιημένηβελτιστοποίηση των παραμέτρων αυτών μπορεί θεωρητικά να επιτευχθεί, αλλά ηταυτόχρονη βελτιστοποίηση 150 μεταβλητών είναι πολύ περίπλοκη. Τελικάσχεδιάστηκε ένα σύστημα διαχείρισης της ενέργειας βασισμένο σε μια συνδυαστική προσέγγιση δικτύων Petri και ασαφών γνωσιακών χαρτών (fuzzy cognitive maps).Μιας και οι παράμετροι λειτουργίας αυτού του συστήματος διαχείρισης ήτανσημαντικά λιγότεροι (της τάξης των 10) αποφασίστηκε να γίνει βελτιστοποίησηαυτών με τη χρήση της θεωρίας σμηνών. Επειδή όμως η λειτουργία του συστήματοςδιαχείρισης της ενέργειας και η διαστασιολόγηση των επί μέρους συσκευώναλληλοεπηρεάζονται μια νέα μεθοδολογία προτάθηκε και υλοποιήθηκε, που μπορείτην ίδια στιγμή να βελτιστοποιεί τις παραμέτρους λειτουργίας του συστήματοςελέγχου και να διαστασιολογεί τις διάφορες συσκευές του μικροδικτύου. Τα τρίαδιαφορετικά συστήματα διαχείρισης της ενέργειας συγκρίθηκαν μεταξύ τους μέσωμιας μελέτης περίπτωσης. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα αυτής της σύγκρισης είναιότι η λειτουργία σε μερικό φορτίο των συσκευών είναι πολύ σημαντική και μπορείνα μειώσει σημαντικά τα μεγέθη των συσκευών. Η συνδυαστική προσέγγιση τωνδικτύων Petri και των ασαφών γνωσιακών χαρτών αποδείχθηκε ότι είναι η βέλτιστητων τριών.Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα έξυπνο σύστημα διαχείρισης της ισχύος απότην πλευρά της κατανάλωσης. Η εμπειρία έχει δείξει ότι, τις περισσότερες φορές,μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, οι ανάγκες αλλάζουν, αλλά οι άνθρωποι δενέχουν το απαραίτητο κεφάλαιο για να αυξήσουν την εγκατεστημένη ισχύ τουενεργειακού συστήματος. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα συστήματα συνήθωςκαταρρέουν συχνά και η λειτουργία των συσκευών εκτός προδιαγραφών μειώνεισημαντικά τον λειτουργικό χρόνο ζωής τους. Ένα σύστημα διαχείρισης της ισχύοςαπό την πλευρά της κατανάλωσης μπορεί να προστατεύσει το σύστημα σεπεριπτώσεις σαν την ανωτέρω και την ίδια στιγμή να διασφαλίσει τη μέγιστητεχνικά αποδεκτή χρήση των διαθέσιμων συσκευών. Μια πολυπρακτορική (Multiagent)προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό του συστήματος διαχείρισηςισχύος από την πλευρά της κατανάλωσης. Οι ευφυείς πράκτορες ελέγχουν τιςδιάφορες γραμμές ισχύος της κάθε κατοικίας και μπορούν να τις απενεργοποιούνπροοδευτικά. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να υλοποιηθεί εύκολα χρησιμοποιώνταςηλεκτρονικά μικρού κόστους. Η λειτουργία του διερευνήθηκε μέσω προσομοίωσηςκαι τα αποτελέσματα επικύρωσαν το σχεδιασμό του. Το σύστημα διαχείρισης τηςενέργειας από την πλευρά του φορτίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και κατά τον σχεδιασμό νέων αυτόνομων μικροδικτύων πολυπαραγωγής, όταν υπάρχειπεριορισμός στο διαθέσιμο κεφάλαιο και σαν αποτέλεσμα μπορεί να σχεδιασθεί τοβέλτιστο σύστημα για το διαθέσιμο αυτό κεφάλαιο.Τέλος πραγματοποιήθηκε οικονομική αξιολόγηση της τοπολογίας. Ηεπένδυση σε ένα τέτοιο αυτόνομο έξυπνο μικροδίκτυο πολυπαραγωγήςδιερευνήθηκε τόσο ντετερμινιστικά όσο και στοχαστικά. Η ντετερμινιστικήδιερεύνηση περιλάμβανε τον υπολογισμό της καθαρής παρούσας αξίας και τουχρόνου αποπληρωμής του συστήματος. Η στοχαστική διερεύνηση βασίστηκε στηνμέθοδο προσομοίωσης Monte Carlo. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η επένδυση σεένα αυτόνομο έξυπνο μικροδίκτυο πολυπαραγωγής είναι κερδοφόρος ακόμη καισήμερα, ενώ αναμένεται να αποτελέσει μια ακόμη πιο κερδοφόρο επένδυση στοβραχυπρόθεσμο μέλλον.Συνοψίζοντας η καινοτόμος τοπολογία των αυτόνομων έξυπνωνμικροδικτύων πολυπαραγωγής διερευνήθηκε και επικυρώθηκε. Πρώτααποδείχθηκε ότι υπάρχουν οι απαραίτητες συσκευές εμπορικά διαθέσιμες και ηδιασύνδεση μεταξύ τους είναι τεχνικά εφικτή. Μετά διερευνήθηκαν διαφορετικέςπροσεγγίσεις με τη χρήση εργαλείων υπολογιστικής νοημοσύνης όπως η ασαφήςλογική, οι ασαφείς γνωσιακοί χάρτες και η βελτιστοποίηση με θεωρία σμηνών μεστόχο τον σχεδιασμό ενός συστήματος διαχείρισης της ενέργειας και ενός εργαλείουσχεδιασμού και διαστασιολόγησης. Ύστερα αναπτύχθηκε ένα σύστημα διαχείρισηςτης ισχύος από την πλευρά της κατανάλωσης το οποίο διερευνήθηκε μέσωπροσομοίωσης. Τέλος η τοπολογία αυτόνομων έξυπνων μικροδικτύωνπολυπαραγωγής διερευνήθηκε οικονομικά και αποδείχθηκε ότι αποτελείκερδοφόρο επένδυση ακόμη και με σημερινά κόστη.