Μοντελοποίηση και επίλυση σύνθετων προβλημάτων διαχείρισης και εξοικονόμησης ενέργειας με χρήση τεχνικών βελτιστοποίησης και θεωρίας παιγνίων

Abstract

The scope of this Thesis is the study of energy management and energy efficiency problems stemming from the current requirements governing energy markets as well as the international policies promoting energy savings and optimized energy usage. More specifically, some complex problems are modeled and solved in order to develop decision support tools that will enable optimized decision-making regarding energy planning and energy investments, both at the level of competent authorities and at the level of small end-users. At the same time, the interactions among stakeholders in liberalized energy markets are being studied, aiming at optimal energy management. The first chapter serves as an introduction to the concepts and problems that will be studied, also presenting other relevant studies that exist in bibliography and the main contributions of this Thesis. More specifically, the significance and complexity of each problem are explained as well as the methodologies that will be used. The second chapter is devoted to a multi-criteria evaluation of energy investments and energy planning using integer programming. The liberalization of energy markets has led to a continuously evolving framework, which raises stricter techno-economic requirements. In this context, the problem of optimally selecting energy resources is formulated based on several evaluation criteria other than the financial cost and the quantity offered. The formulated problem is solved using a combination of mathematical programming techniques and a tool for supporting such multi-criteria decisions is developed. The third chapter addresses the uncertainty in decision making. The problem being studied is the evaluation of energy saving interventions in residential buildings, which constitute the largest building category. The multi-criteria decision support model developed in the previous chapter is expanded to take into account any synergies among the available options. Moreover, the uncertainty is addressed using interval analysis, which is suitable for engineering problems, as it provides a lot of useful information to the decision-maker without requiring any distribution information regarding the uncertainty in order to be used. The proposed methodology is then applied to a case study. The fourth chapter is devoted to voluntary load curtailment programs, which are a subcategory of demand response programs. When implementing such programs, consumers are subsidized to reduce their short-term energy demand voluntarily. These programs are complex to model and in order to solve the formulated problem, game theory and meta-heuristic algorithms based on particle swarm optimization are used. The developed algorithms are evaluated by solving various numerical examples. In the last chapter of this Thesis, the conclusions are drawn and some ideas for future research are suggested, based on the problems studied and the proposed methodologies.

Η παρούσα Διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη προβλημάτων διαχείρισης και εξοικονόμησης ενέργειας, τα οποία πηγάζουν από τις σύγχρονες απαιτήσεις που διέπουν τις αγορές ενέργειας καθώς και την προσπάθεια εξοικονόμησης ενέργειας που γίνεται σε διεθνές επίπεδο. Πιο συγκεκριμένα, επιχειρείται η μοντελοποίηση και επίλυση σύνθετων προβλημάτων με σκοπό την υποστήριξη και βελτιστοποίηση αποφάσεων, οι οποίες σχετίζονται με το σχεδιασμό και τις ενεργειακές επενδύσεις τόσο σε επίπεδο αρμόδιων αρχών, όσο και σε επίπεδο μικρών τελικών χρηστών. Ταυτόχρονα, προσεγγίζεται η αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών καθώς και άλλων συμμετεχόντων στις σύγχρονες απελευθερωμένες αγορές ενέργειας που σκοπό έχουν τη βέλτιστη διαχείριση της ενέργειας. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις έννοιες και τα προβλήματα που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν, διακρίνοντας την προτεινόμενη προσέγγιση από παρόμοιες επιμέρους προσπάθειες που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Για κάθε πρόβλημα, επεξηγείται η σημασία και η πολυπλοκότητά του και παρατίθεται η μεθοδολογία που θα ακολουθηθεί. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια πολυκριτηριακή αξιολόγηση ενεργειακών επενδύσεων και ενεργειακού σχεδιασμού με χρήση ακέραιου προγραμματισμού. Η απελευθέρωση των αγορών ενέργειας έχει οδηγήσει σε ένα συνεχώς εξελισσόμενο πλαίσιο, το οποίο θέτει αυξημένες τεχνοοικονομικές απαιτήσεις. Σε αυτό το πλαίσιο, διατυπώνεται το πρόβλημα της κατάλληλης επιλογής πηγών ενέργειας βάσει αρκετών κριτηρίων εκτός από το οικονομικό κόστος και την προσφερόμενη ποσότητα. Το πρόβλημα μελετάται και επιλύεται χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό τεχνικών μαθηματικού προγραμματισμού προκειμένου να προκύψει ένα εργαλείο υποστήριξης τέτοιου είδους πολυκριτηριακών αποφάσεων. Στο τρίτο κεφάλαιο ενσωματώνεται ο παράγοντας της αβεβαιότητας στη λήψη αποφάσεων. Το πρόβλημα που μελετάται με τη βοήθεια και μιας μελέτης περίπτωσης είναι η αξιολόγηση παρεμβάσεων εξοικονόμησης ενέργειας σε κτίρια του οικιακού τομέα, τα οποία αποτελούν και τη μεγαλύτερη κατηγορία κτιρίων. Το μοντέλο πολυκριτηριακής υποστήριξης αποφάσεων που είχε αναπτυχθεί στο προηγούμενο κεφάλαιο επεκτείνεται ώστε να λαμβάνονται υπόψη και τυχόν συνέργειες μεταξύ των διαθέσιμων επιλογών. Η αβεβαιότητα προσεγγίζεται με τη χρήση της διαστηματικής ανάλυσης, η οποία είναι κατάλληλη για προβλήματα μηχανικής, καθώς παρέχει πολλές χρήσιμες πληροφορίες σε αυτόν που καλείται να αποφασίσει χωρίς να απαιτούνται πληροφορίες συναρτήσεων κατανομής της αβεβαιότητας για την χρησιμοποίησή της. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετάται μια υποκατηγορία προβλημάτων διαχείρισης ζήτησης, τα επιδοτούμενα προγράμματα οικειοθελούς περικοπής φορτίου. Κατά την εφαρμογή τέτοιου είδους προγραμμάτων οι καταναλωτές επιδοτούνται προκειμένου να περιορίσουν βραχυπρόθεσμα την ενεργειακή τους ζήτηση. Η μοντελοποίηση αυτών των προγραμμάτων είναι περίπλοκη και παραπέμπει στην εφαρμογή της θεωρίας παιγνίων. Για την επίλυση του προβλήματος που διατυπώνεται στην αρχή αυτού του κεφαλαίου αναπτύσσεται ένας μεταευρετικός αλγόριθμος, ο οποίος βασίζεται στη βελτιστοποίηση σμήνους σωματιδίων. Ο αλγόριθμος αυτός αξιολογείται στη συνέχεια μέσω της επίλυσης διαφόρων παραδειγμάτων. Στο τελευταίο κεφάλαιο της Διατριβής ακολουθούν συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.