Development of a method for dynamic optimization of integrated energy systems of ships
Authors: Τζώρτζης Γεώργιος 
Published: September 2021

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.