Αυτόνομα έξυπνα μικροδίκτυα πολυπαραγωγής βασισμένα σε τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και βελτιστοποιημένα με τεχνικές υπολογιστικής νοημοσύνης

Abstract

Σε αυτή τη διατριβή προτάθηκε, διερευνήθηκε και επικυρώθηκε η καινοτόμος ιδέα των αυτόνομων μικροδικτύων πολυπαραγωγής. Επιλέχθηκε η τοπολογία μικροδικτύου γιατί επιτρέπει την κατανεμημένη παραγωγή σε μεγαλύτερη γεωγραφικά περιοχή. Τα προϊόντα αυτού του μικροδικτύου περιλαμβάνουν την ηλεκτρική ισχύ, το πόσιμο νερό μέσο αφαλάτωσης, το υδρογόνο ως καύσιμο για μετακινήσεις και η θέρμανση και ψύξη χώρων. Οι τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως τα φωτοβολταϊκά και οι ανεμογεννήτριες είναι οι κύριοι παραγωγοί ενέργειας. Μια μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης εξοπλισμένη με διάταξη ανάκτησης ενέργειας παράγει πόσιμο νερό. Το υδρογόνο αξιοποιείται κυρίως σαν καύσιμο για μετακινήσεις. Υψηλού βαθμού απόδοσης αντλίες θερμότητα αξιοποιούνται για την ψύξη και θέρμανση χώρων. Οι απαραίτητες συσκευές για αυτά τα συστήματα είναι ήδη σε εμπορικό επίπεδο και μπορούν να διασυνδεθούν με τέτοιο τρόπο που γίνεται εφικτή η υλοποίηση του μικροδικτύου πολυπαραγωγής. Δημιουργήθηκε μια πλατφόρμα προσομοιώσεων με τα λογισμικά πακέτα TRNSYS, GenOpt, Matlab και TRNOPT. Αναπτύχθηκαν νέες ρουτίνες για την προσομοίωση των διαφόρων υποσυστημάτων του μικροδικτύου. Για τη διαστασιολόγηση των διαφόρων υποσυστημάτων για συγκεκριμένες ανάγκες και γεωγραφική τοποθεσία αξιοποιήθηκε η βελτιστοποίηση βασισμένη στη θεωρία σμηνών. Αναπτύχθηκαν τρία διαφορετικά Συστήματα Διαχείρισης της Ενέργειας (ΣΔΕ) και συγκρίθηκαν μεταξύ τους. Το πρώτο είναι ένα απλό ΣΔΕ που ενεργοποιεί και απενεργοποιεί την κυψέλη καυσίμου, τη μονάδα ηλεκτρόλυσης και τη μονάδα αφαλάτωσης. Για να επιτευχθεί η λειτουργία σε μερικό φορτίο αξιοποιήθηκαν προσεγγίσεις υπολογιστικής νοημοσύνης. Το δεύτερο ΣΔΕ βασίστηκε στην Ασαφή Λογική και το τρίτο σε μια συνδυασμένη προσέγγιση Δικτύων Petri και Ασαφών Γνωσιακών Χαρτών. Δημιουργήθηκε μια μεθοδολογία για την ταυτόχρονη βελτιστοποίηση τόσο των λειτουργικών παραμέτρων των ΣΔΕ όσο και των μεγεθών των διαφόρων υποσυστημάτων του μικροδικτύου. Η λειτουργία των συσκευών σε μερικό φορτίο αποδείχθηκε καίρια επειδή μπορεί να μειώσει το μέγεθος των διαφόρων υποσυστημάτων του μικροδικτύου πολυπαραγωγής σημαντικά. Αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε μέσω προσομοίωσης ένα σύστημα διαχείρισης του φορτίου από την πλευρά της κατανάλωσης (ΣΔΦ) βασισμένο σε ένα πολυπρακτορικό σύστημα. Το ΣΔΦ δίνει την νοημοσύνη στο μικροδίκτυο να λειτουργήσει σε συνθήκες πέρα από τα φορτία που χρησιμοποιήθηκαν κατά το σχεδιασμό του. Χωρίς το ΣΔΦ οι διάφορες συσκευές θα λειτουργούσαν εκτός προδιαγραφών και τελικά το μικροδίκτυο θα κατέρρεε. Το ΣΔΦ μπορεί να προστατέψει το σύστημα σε τέτοιες περιπτώσεις, να ελαχιστοποιήσει το έλλειμμα ισχύος και την ίδια στιγμή να διασφαλίσει τη μέγιστη αξιοποίηση των διαθέσιμων συσκευών. Τέλος η τοπολογία αυτόνομων μικροδικτύων πολυπαραγωγής διερευνήθηκε οικονομικά και αποδείχθηκε ότι είναι επικερδής επένδυση ακόμη και με σημερινές τιμές.

The novel concept of autonomous polygeneration smartgrids was proposed, investigated and validated in this thesis. A microgrid topology is chosen, since it can allow distributed generation in a larger geographical area. The products of this smartgrid include power, potable water through desalination, hydrogen as fuel for transportation and space heating and cooling. Renewable energy technologies such as photovoltaics and wind turbines are the primary power producers. A reverse osmosis desalination unit equipped with energy recovery produces potable water. Hydrogen is mainly used as fuel for transportation. High efficiency heat pumps are considered for space heating and cooling. Available hardware for such systems already exists in the market and can be interconnected in such a way that allows the formation of the polygeneration microgrid. A simulation platform was created using the software packages TRNSYS, GenOpt, Matlab and TRNOPT. New routines for the simulation of the various components of the microgrid were written. For the sizing of the microgrid for specific needs and geographical location an approach based on particle swarm optimization was used. Three different Energy Management Systems (EMS) were developed and compared. The first is a simple EMS that turns on or off the fuel cell, the electrolyzer and the desalination unit. In order 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 able to optimize at the same time the operational parameters of the EMS and the sizes of the various devices when designing a microgrid. Part load operation proved to be essential since it can decrease the sizes of the various components of the microgrid considerably. A Demand Side Management (DMS) system based on a multi-agent system was developed and validated through simulation. The DMS gives the intelligence to the microgrid to operate in occasions beyond the loads limits that were used when designing it. Without DSM the various devices would operate outside of specifications and in the end the microgrid would collapse. The DSM can protect the system in such occasions, minimize the power deficit and at the same time guaranty the maximum utilization of the available devices. Finally the Automomous Polygeneration Smartgrid topology was investigated economically and proved to be a profitable investment even with current prices.