Formation of the typology for the evaluation of the sustainability of nearly zero energy ports

Abstract

Ports serve as crucial hubs for transporting materials, passengers, cars, and cargo, making them high-energy consumers that rely primarily on fossil fuels. Accordingly, they are an important source of air pollution, particularly in terms of greenhouse gas emissions. Climate change mitigation is turning out to be a top priority for ports, which work to increase their energy efficiency and diminish their carbon footprint. The increasing progress toward more sustainable infrastructures has drawn the attention of port management authorities to energy issues. As a result, ports are taking advantage of smart energy management systems, renewable energy systems, and energy storage systems to incorporate sustainability and enhance the efficiency of their operations.This thesis attempts to fill the research gaps on port-related sustainability by creating a solid and reliable typology that consists of the following:A comprehensive literature study is done to improve understanding of port sustainability and provide a foundation of information about existing technologies and methodologies;Several machine learning models/tools were used to forecast the ports' energy profile for 2030, highlighting the need to improve the existing status of the ports in terms of energy;A Smart Outdoor Lighting Control System was created for optimal control of the lighting output of the new luminaires based on the illuminance of the sun and the space occupancy of each port, including a non-invasive Smart Energy Management Systems into port activities;Several Hybrid Renewable Energy Systems for each port case are conceptualised, simulated, discussed, compared, and evaluated to pick the optimal among them by satisfying the three sustainability criteria;Cold-ironing technology is being integrated and tested to reduce emissions from berthing ships according to the most recent European Union laws. Simultaneously, the feasibility of including a hydrogen storage system is assessed in terms of autonomy and reducing the port's Green House Gas emissions.Finally, an applied evaluation framework is created to give insights into the design, size, and control of a Hybrid Renewable Energy System in seaports, guaranteeing operational stability and safety.Concluding, the nearly Zero Energy Port concept promotes an attractive infrastructure that uses almost explicitly green energy resulting in a zero-carbon footprint and providing a crucial contribution to climate change mitigation. The circular economy will benefit from the energy shift from fossil-fuel energy producers to Renewable Energy Systems, which will improve cohabitation between ports and port towns. A cleaner future for the mobility sector is imminent through the nearly Zero Energy Port concept, which Smart Energy Management Systems like the proposed one strengthens. Indicatively the proposed Hybrid Renewable Energy Systems, in cooperation with the suggested Smart Energy Management Systems operation, achieve almost zero emissions, leading to an economically feasible investment towards sustainability, concurrently enhancing the port's services safety-of-supply through the 24-h autonomy. The necessity of ports' transformation into innovative and energy-efficient infrastructures has been highlighted, indicating their critical role in global climate change.

Τα λιμάνια χρησιμεύουν ως κρίσιμοι κόμβοι για τη μεταφορά υλικών, επιβατών, αυτοκινήτων και εμπορευματοκιβωτίων, καθιστώντας τους ενεργοβόρους καταναλωτές που βασίζονται κυρίως σε ορυκτά καύσιμα. Κατά συνέπεια, αποτελούν σημαντική πηγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης, ιδίως όσον αφορά τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Η αντιμετώπιση του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής αποδεικνύεται κορυφαία προτεραιότητα για τους λιμένες, οι οποίοι προσανατολίζονται στην αύξηση της ενεργειακής τους απόδοσης και στην μείωση του περιβαλλοντικού τους αποτυπώματος. Η αυξανόμενη πρόοδος προς πιο βιώσιμες υποδομές επέστησε την προσοχή των λιμενικών αρχών προς ενεργειακά ζητήματα. Ως αποτέλεσμα, οι λιμένες τείνουν να προσπαθούν να εκμεταλλευτούν έξυπνα συστήματα διαχείρισης ενέργειας, συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας για να ενσωματώσουν τη βιωσιμότητα και να αυξήσουν την αποδοτικότητα των λειτουργιών τους.Η παρούσα διατριβή προσπαθεί να καλύψει τα ερευνητικά κενά σχετικά με τη βιωσιμότητα που σχετίζεται με τα λιμάνια, δημιουργώντας μια απαρέγκλιτη και αξιόπιστη τυπολογία που αποτελείται από τα ακόλουθα:Μια ολοκληρωμένη βιβλιογραφική μελέτη κι ανασκόπηση για την βελτίωση της κατανόησης της βιωσιμότητας των λιμένων και για την δημιουργία βάσης πληροφοριών για τις υπάρχουσες τεχνολογίες και μεθοδολογίες,Χρήση μοντέλων/εργαλείων μηχανικής μάθησης και νευρωνικών δικτύων για την πρόβλεψη του ενεργειακού προφίλ των λιμένων για το 2030, τονίζοντας την ανάγκη βελτίωσης της υπάρχουσας κατάστασης των λιμένων από πλευράς ενέργειας,Δημιουργία ενός έξυπνου συστήματος ελέγχου εξωτερικού φωτισμού για τον βέλτιστο έλεγχο της παροχής φωτισμού με βάση τη φωτεινότητα του ήλιου και τη χωρητικότητα του κάθε χωρίου του υπό εξέταση λιμένα, συμπεριλαμβανομένων μη επεμβατικών συστημάτων διαχείρισης έξυπνων ενεργειών στις λιμενικές δραστηριότητες,Δημιουργία διάφορων Υβριδικών Συστημάτων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας για κάθε περίπτωση λιμένα με την ταυτόχρονη προσομοίωση, συζήτηση και σύγκριση των αποτελεσμάτων τους. Η αξιολόγηση του κάθε συστήματος οδηγεί στην επιλογή του βέλτιστου ικανοποιώντας τα τρία κριτήρια της βιώσιμης ανάπτυξης,Ενσωμάτωση και μοντελοποίηση της τεχνολογίας του «cold-ironing» για τη μείωση των εκπομπών από τα αγκυροβολημένα πλοία σύμφωνα με την πλέον πρόσφατη νομοθεσία της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Ταυτόχρονα, η σκοπιμότητα της συμπερίληψης ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας με υδρογόνο αξιολογείται ως προς την αυτονομία και τη μείωση των εκπομπών αερίου θερμοκηπίου του λιμένα.Τέλος, η δημιουργία ενός εφαρμοσμένου συστήματος διαμοιρασμού της ενέργειας αποσκοπεί στον έλεγχο ενός υβριδικού συστήματος ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στους λιμένες, διασφαλίζοντας τη λειτουργική σταθερότητα και ασφάλεια.Εν κατακλείδι, η έννοια του σχεδόν μηδενικού ενεργειακού λιμένα προωθεί μια ελκυστική υποδομή που χρησιμοποιεί σχεδόν εξ’ολοκλήρου πράσινη ενέργεια με αποτέλεσμα ένα μηδενικού περιβαλλοντικό αποτύπωμα, συμβάλοντας καθοριστικά στον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής. Η κυκλική οικονομία θα επωφεληθεί από τη μετατόπιση ενέργειας από μηχανές εσωτερικής καύσης σε Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, η οποία θα βελτιώσει τη συμβίωση μεταξύ λιμένων και των γειτονικών τους πόλεων. Ένα καθαρότερο μέλλον για τον τομέα της κινητικότητας είναι επικείμενο μέσω της ιδέας του λιμένα σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης, το οποίο ενισχύει τα έξυπνα συστήματα διαχείρισης ενέργειας. Ενδεικτικά, τα προτεινόμενα Υβριδικά Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, σε συνεργασία με τα έξυπνα συστήματα διαχείρισης ενέργειας, επιτυγχάνουν σχεδόν μηδενικές εκπομπές, οδηγώντας σε μια οικονομικά εφικτή επένδυση όσον αφορά την βιωσιμότητα, αυξάνοντας ταυτόχρονα την ασφάλεια του εφοδιασμού των υπηρεσιών του λιμένα μέσω της 24ωρης αυτονομίας. Έχει επισημανθεί η αναγκαιότητα μετατροπής των λιμένων σε καινοτόμες και ενεργειακά αποδοτικές υποδομές, υποδεικνύοντας τον κρίσιμο ρόλο τους στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή.