Σχεδιασμός βέλτιστης λειτουργίας ενεργειακών συστημάτων με χρήση ανανεώσιμων και εναλλακτικών πηγών:
Creators: name: Ιψάκης, Δημήτριος Κ.Μ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Υδρογόνο
Βέλτιστη Λειτουργία
Ολοκληρωμένα Ενεργειακά Συστήματα
Δυναμική Μοντελοποίηση
Hydrogen
Optimal Operation
Integrated Energy Systems
Dynamic Modeling

description: Η ραγδαία μείωση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων και η ταυτόχρονη αύξηση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, ενέπνευσαν την ερευνητική κοινότητα στην μελέτη των αλληλένδετων ενεργειακών και περιβαλλοντικών προβλημάτων. Βασικό μέλημα της διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη και η μελέτη της βέλτιστης λειτουργίας, δύο καινοτόμων ολοκληρωμένων συστημάτων που βασίζονται στην αξιοποίηση ανανεώσιμων (Α.Π.Ε.) και εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Η ολοκληρωμένη μονάδα αξιοποίησης ηλιακής και αιολικής ενέργειας, απαρτίζεται από φωτοβολταϊκά συστήματα και ανεμογεννήτριες που αποδίδουν ισχύ προς κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός σταθερού φορτίου. Συσσωρευτής μολύβδου-οξέος χρησιμοποιείται για την απορρόφηση της περίσσειας ισχύος και την απόδοση της σε περιόδους ελλειμματικής παραγωγής. Η ενίσχυση της αυτονομίας του συστήματος, εξασφαλίζεται με την ενσωμάτωση μίας μονάδας ηλεκτρόλυσης και μίας κυψέλης καυσίμου. Σε περιπτώσεις προβληματικής λειτουργίας (π.χ. ελλείμματος υδρογόνου), αξιοποιείται μία ντηζελογεννήτρια που λαμβάνει τον χαρακτήρα υποσυστήματος εκτάκτου ανάγκης. Η ολοκληρωμένη μονάδα αξιοποίησης μεθανόλης περιλαμβάνει την απόδοση ισχύος από κυψέλη καυσίμου προς κάλυψη των ενεργειακών αναγκών ενός μεταβαλλόμενου φορτίου. Το απαιτούμενο υδρογόνο παράγεται από την καταλυτική επεξεργασία μεθανόλης σε αντιδραστήρα αυτόθερμης αναμόρφωσης. Λόγω όμως, της ανάγκης παραγωγής υδρογόνου υψηλής καθαρότητας, υλοποιείται και αντιδραστήρας επιλεκτικής οξείδωσης που επιφορτίζεται με το ρόλο της μείωσης του CO σε επίπεδα χαμηλότερα των 50ppm. Συμπληρωματικά υποσυστήματα της ολοκληρωμένης μονάδας αποτελούν δύο εναλλάκτες θερμότητας, καθώς και ένας φούρνος που αποδίδει θερμότητα με βάση το ρεύμα των απαερίων της κυψέλης καυσίμου, καθώς και της επιπλέον παροχής μεθανόλης. Λαμβάνοντας υπόψη τα εν γένει χαρακτηριστικά (ομοιότητες και διαφορές) των καινοτόμων ενεργειακών συστημάτων, οι στόχοι της διατριβής περιλαμβάνουν την ανάπτυξη τριών βασικών σταδίων έρευνας. Στο πρώτο στάδιο, αναπτύσσονται ευέλικτα διαγράμματα ροής που αξιοποιούν κατάλληλα τις επιλεγμένες μορφές ενέργειας στοχεύοντας σε μία αυτόνομη λειτουργία με χαμηλά κόστη συντήρησης και αποκατάστασης. Στο επόμενο στάδιο, περιγράφονται λεπτομερώς τα μαθηματικά μοντέλα που προσομοιώνουν με απόλυτη ακρίβεια τα βασικά χαρακτηριστικά των επιμέρους υποσυστημάτων που συγκροτούν τις ολοκληρωμένες μονάδες. Εντέλει, τα δύο αυτά στάδια αποτελούν την βάση της ανάπτυξης μίας συστηματικής μεθοδολογίας βέλτιστης λειτουργίας στην οποία και εμβαθύνει περαιτέρω η διατριβή. Ειδικότερα, στην ολοκληρωμένη μονάδα αξιοποίησης Α.Π.Ε. εφαρμόζεται η θεωρία του Ιεραρχικού Ελέγχου για την ανάπτυξη τριών στρατηγικών ελέγχου βέλτιστης λειτουργίας. Οι τρεις-διαφορετικές μεταξύ τους-στρατηγικές ελέγχου (αλγόριθμοι διακριτών αποφάσεων) αναπτύσσονται λαμβάνοντας υπόψη μία ή περισσότερες μεταβλητές ελέγχου. Μέσω της ανάπτυξης δύο αντικειμενικών συναρτήσεων, διενεργείται βελτιστοποίηση για την επιλογή της πλέον κατάλληλης προς εφαρμογή στο υπό μελέτη σύστημα.Αντίστοιχα, στην ολοκληρωμένη μονάδα αξιοποίησης μεθανόλης, εφαρμόζεται η θεωρία του σχεδιασμού &amp; ρυθμισιμότητας σε δύο εναλλακτικά διαγράμματα λειτουργίας (ροής). Στόχος της αποτελεί η μελέτη της επίδρασης πολλαπλών διαταραχών στα δύο διαγράμματα ροής και η βέλτιστη αντιστάθμιση τους αξιοποιώντας κατάλληλα τα επιμέρους υποσυστήματα. Ως μέτρο σύγκρισης της λειτουργίας των διαγραμμάτων ροής, αναπτύσσεται μία αντικειμενική συνάρτηση ελέγχου. Μέσω ενός στατικού κριτηρίου απόδοσης αξιολογείται το σύνολο των μεταβολών των μεταβλητών χειραγώγησης που εξασφαλίζουν την άριστη δυναμική απόδοση σε συνδυασμό με την βέλτιστη αντιστάθμιση των διαταραχών. Οι τιμές των δύο αντικειμενικών κριτηρίων καθορίζουν εν συνέχεια το βέλτιστο διάγραμμα λειτουργίας. Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στον Τομέα Τεχνικής των Φυσικών Διεργασιών και Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του τμήματος Χημικών Μηχανικών του Α.Π.Θ., σε πλήρη συνεργασία με το Ε.ΑΝ.Ο.ΣΥΣ. του Ε.Κ.Ε.Τ.Α..
description: The exaggeration of fossil fuel reserves in conjunction with the simultaneous increase in greenhouse gas emissions has recently aspired scientific community towards the study of environmental and energy related issues. The main idea of the thesis is to systematically develop optimal operation methods applied in innovative integrated systems that will suitably exploit renewable and alternative energy sources. The proposed RES-integrated system exploits solar and wind energy with the use of photovoltaic systems and wind turbines, respectively. The produced power is used to meet the electrical needs of a fixed load and a lead-acid accumulator is implemented to absorb excess energy peaks that further provides to the system in periods of low power production. In order to boost the autonomous system operation, a water electrolyzer and a fuel cell are also incorporated. In cases of a subsystem operation failure (e.g. hydrogen deficit), a diesel engine is responsible to meet the energy needs as a back-up unit. The integrated system based on methanol, involves the power production by a fuel cell towards meeting the energy criteria of a variable load. The necessary hydrogen is produced by methanol steam reforming in a plug flow reactor. Due to the inevitable CO production, a preferential oxidation reactor is employed as a prerequisite for ensuring CO concentration levels below 50ppm. The utilities subsystems comprise two heat exchangers and a burner that provides heat by using the effluent of the fuel cell anode and an additional methanol supply as a main fuel. Considering the overall features (similarities and differences) of the innovative energy systems, the objectives of the thesis comprise the development of three consequent research steps. In the first step, flexible process diagrams are developed in the framework of maximum utilization of energy sources feedstock with low operating and maintenance costs. The next step involves the detailed description of the mathematical models that accurately simulate the main operation characteristics of the involved subsystems. Ultimately, these two steps form the basis of developing systematic optimum operation methodologies that the thesis delves in. Specifically, the Hierarchical Control Theory is applied to the RES-system for the development of three operation strategies. The strategies consist of a group of discrete decisions and are developed based on one or more system control variables. Through the utilization of a system cost objective function, an optimization procedure is employed for the selection of the suitable and optimum operation strategy for the system under consideration. Similarly, the integrated energy system based on methanol is studied under the application of the design and controllability theory in two alternative process flowsheets. Main objective is the screening of multiple disturbance effect scenarios that will lead to an optimum operation by utilizing effectively the involved subsystems. According to the values of an objective control function and a static controllability criterion the optimum operation flowsheet is ultimately proposed. The thesis was elaborated at the Section of Unit Operations and Applied Thermodynamics of Chemical Engineering Department at Aristotle University of Thessaloniki, in collaboration with the Laboratory P.S.D.I. of CE.R.T.H..