Development of a method for dynamic optimization of integrated energy systems of ships

Abstract

The subject of this thesis is the development of a method for the dynamic synthesis, design and operation (SDO) optimization of ship energy systems. The common practice of synthesis, design and operation of energy systems, especially in the marine industry, is usually based on previous experience and rule-of-thumb criteria. Furthermore, the system is often designed at full load and steady state operation is assumed, while the off-design or dynamic behavior is considered only after the system is fixed. The subject of this research activity is the determination of techno-economic optimal solutions for the SDO of marine energy systems, in order to fully cover the various energy demands for propulsion, electricity and thermal energy. Real‒life dynamic elements such as time and space varying operational requirements with respect to weather conditions and time varying loads are incorporated to the performance models of the components and consequently to the performance of the integrated ship energy system, thus producing a purely dynamic optimization problem. For the development of the appropriate methodology, special attention is given to the construction of a superconfiguration that depicts all the available synthesis options and the possible interconnections among components. Α mixed integer modeling procedure that views the system as a whole is applied; integer, invariant and continuous variables are used for modeling the levels of synthesis, design and operation, respectively. The general problem is then stated using a Differential Algebraic Equation (DAE) formalism, while appropriate dynamic optimization procedures, combined with mixed integer nonlinear programming, are developed and applied. This leads to the formulation of a methodology which, in contrast to the majority of methods appearing in the literature, can be characterized as a single‒level approach that treats the synthesis, design and operation levels simultaneously and requires no applicability conditions for decomposition, thus can be considered universal in the context that it can be applied to any dynamic SDO optimization problem. Finally, the applicability and efficacy of the proposed method is demonstrated via the solution of several realistic case studies. Furthermore, the effect of certain technical and economic parameters on the optimal solution is studied via sensitivity analysis for each case study. The results provide interesting insights concerning the optimal SDO of marine energy systems and prove the suitability of the proposed modeling and optimization procedure for these types of problems.

Το αντικείμενο αυτής της Διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας μεθόδου για τη δυναμική βελτιστοποίηση σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας (Synthesis, Design and Operation, SDO) ολοκληρωμένων ενεργειακών συστημάτων πλοίων. Η συνήθης πρακτική της σύνθεσης, του σχεδιασμού και της λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων, ειδικά στη ναυτιλία, βασίζεται συνήθως σε συγκεκριμένους κανόνες καθώς και στην εμπειρία του σχεδιαστή. Επιπλέον, το σύστημα συχνά σχεδιάζεται σε πλήρες φορτίο υπό τη θεώρηση λειτουργίας σταθερής κατάστασης, ενώ η ‒εκτός σημείου σχεδιασμού‒ δυναμική συμπεριφορά του λαμβάνεται υπόψη μόνο αφότου το σύστημα έχει ήδη σχεδιαστεί. Στόχος αυτής της ερευνητικής δραστηριότητας είναι ο καθορισμός των τεχνο‒οικονομικά βέλτιστων λύσεων για τη σύνθεση, τον σχεδιασμό και τη λειτουργία ενεργειακών συστημάτων πλοίων, προκειμένου να καλυφθούν πλήρως οι διάφορες απαιτήσεις πρόωσης, ηλεκτρικής ενέργειας και θερμικής ενέργειας. Πραγματικά δυναμικά χαρακτηριστικά, όπως οι χρόνο‒ και χώρο‒μεταβαλλόμενες λειτουργικές απαιτήσεις σε σχέση με τις καιρικές συνθήκες και τα χρόνο‒μεταβαλλόμενα φορτία, ενσωματώνονται στα μοντέλα απόδοσης των συνιστωσών του συστήματος και κατά συνέπεια στη συνολική απόδοση του ολοκληρωμένου ενεργειακού συστήματος πλοίου, δημιουργώντας έτσι ένα καθαρά δυναμικό πρόβλημα βελτιστοποίησης.Για την ανάπτυξη της απαιτούμενης μεθοδολογίας ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην κατασκευή κατάλληλων υπερδομών που απεικονίζουν όλες τις διαθέσιμες επιλογές σύνθεσης καθώς και όλες τις πιθανές διασυνδέσεις των συνιστωσών του ενεργειακού συστήματος. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύνολό του χρησιμοποιείται μια μοντελοποιητική διαδικασία μεικτού ακεραίου προγραμματισμού, ενώ ακέραιες, στατικές και συνεχείς μεταβλητές χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση των επιπέδων της σύνθεσης του σχεδιασμού και της λειτουργίας, αντίστοιχα. Το γενικό πρόβλημα διατυπώνεται με χρήση ενός μαθηματικού φορμαλισμού Αλγεβρικό‒Διαφορικών Εξισώσεων ενώ κατάλληλες μέθοδοι δυναμικής βελτιστοποίησης, συνδυασμένες με μεθόδους μεικτού ακεραίου μαθηματικού προγραμματισμού, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται. Όλα τα παραπάνω οδηγούν στην ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας, η οποία, σε αντίθεση με τις συνήθεις μεθόδους που προτείνονται στη βιβλιογραφία, μπορεί να χαρακτηριστεί ως μια μέθοδος ενός επιπέδου που βελτιστοποιεί τα επίπεδα της σύνθεσης, του σχεδιασμού και της λειτουργίας ταυτόχρονα και δεν απαιτεί την πλήρωση ειδικών συνθηκών αποσύζευξης των επιπέδων του προβλήματος για την εφαρμογή της. Συνεπώς η μεθοδολογία αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως γενικευμένη, υπό την έννοια ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε πρόβλημα δυναμικής βελτιστοποίησης σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας.Τέλος, η προσαρμοστικότητα και εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναδεικνύονται με την επίλυση πλήθους ρεαλιστικών αριθμητικών παραδειγμάτων. Σε κάθε παράδειγμα μελετάται η επίδραση συγκεκριμένων τεχνικών και οικονομικών παραμέτρων πάνω στη βέλτιστη λύση μέσω κατάλληλης παραμετρικής μελέτης. Τα αποτελέσματα παρέχουν ενδιαφέρουσες ιδέες σχετικά με τη βέλτιστη σύνθεση,τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων πλοίων και αποδεικνύουν την καταλληλότητα της προτεινόμενης διαδικασίας μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης για αυτό το είδος των προβλημάτων.