Υπολογιστικές τεχνικές βέλτιστης αξιοποίησης ενεργειακών πόρων

Abstract

Long-term energy planning constitutes an integral part of the overall energy policy, the fundamental objectives of which concern security of energy supply, environmental protection, regional development, and increased productivity and competitiveness, with the ultimate aim of reducing energy cost. At the international level, there is another set of factors exerting influence, including demographic change, global economic growth, increasing demand for energy, climate change, environmental pollution and ever-shrinking energy resources. As a consequence, the formulation of a systematic methodological framework for the analysis and design implementation of energy policies is of top priority for the international community.Furthermore, the implementation of long-term energy planning involves a significant degree of complexity due to the diversification of energy supply and the existence of multiple available power technologies, the volatility and uncertainty of the defining parameters of the system, the environmental impact, social responses and financial considerations (e.g., credit risk).The goal of long-term energy planning is to provide a road-map towards an affordable, sustainable and secure energy future by minimizing the total cost of development and operation of the energy system. The objective of this thesis is by using methods of mathematical programming, and particularly mixed-integer linear programming techniques, to contribute towards the development of mathematical models for the optimal development and evolution of energy systems by taking into account technical, economic, environmental and regulatory constraints. Emphasis is placed on the power system which constitutes the most critical energy system, accounting for the production, transmission and distribution of electricity. The proposed computer-aided frameworks can be utilized to simulate conditions of uncertainty of several system parameters, covering an extensive time scale, from an hourly level to several years, and can also be extended to decentralized energy networks covering the entire spectrum of the energy supply chain.

O μακροχρόνιος ενεργειακός σχεδιασμός αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της συνολικής ενεργειακής πολιτικής, θεμελιώδεις στόχοι της οποίας είναι η ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού, η περιβαλλοντική προστασία, η περιφερειακή ανάπτυξη, καθώς και η αύξηση της παραγωγικότητας και της ανταγωνιστικότητας, με τελικό στόχο την μείωση του ενεργειακού κόστους. Σε διεθνές επίπεδο επιδρά και μια άλλη σειρά παραγόντων στους οποίους συμπεριλαμβάνονται η δημογραφική εξέλιξη, η παγκόσμια οικονομική ανάπτυξη, η αυξανόμενη ενεργειακή ζήτηση, η κλιματική αλλαγή, η περιβαλλοντική μόλυνση και οι ολοένα και συρρικνούμενοι ενεργειακοί πόροι. Ως συνέπεια των παραπάνω, δημιουργείται η ανάγκη για ένα συστηματικό πλαίσιο ανάλυσης και σχεδιασμού υλοποίησης ενεργειακών πολιτικών.Επιπλέον, η υλοποίηση του μακροχρόνιου ενεργειακού σχεδιασμού εμπεριέχει σημαντικό βαθμό πολυπλοκότητας εξαιτίας της διαφοροποίησης των πηγών προμήθειας και της ύπαρξης πολλαπλών διαθέσιμων τεχνολογιών ηλεκτροπαραγωγής, της μεταβλητότητας και της αστάθειας των προσδιοριστικών παραμέτρων του ενεργειακού συστήματος, του περιβαλλοντικού αντίκτυπου, των κοινωνικών αντιδράσεων και της εξεύρεσης ή μη χρηματοδοτικών πόρων. Ο στόχος του μακροχρόνιου ενεργειακού σχεδιασμού αφορά την ασφαλή και ακριβή σχεδίαση ενός μακροπρόθεσμου οδικού χάρτη ανάπτυξης ενός ενεργειακού συστήματος μέσω της ελαχιστοποίησης του συνολικού κόστους ανάπτυξης και λειτουργίας του συστήματος. Η επιδίωξη της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι μέσω της εφαρμογής μεθόδων μαθηματικού προγραμματισμού και ειδικότερα τεχνικών μεικτού ακεραίου γραμμικού προγραμματισμού, να συνεισφέρει στην ανάπτυξη μαθηματικών υποδειγμάτων που λαμβάνοντας υπ’ όψιν τεχνικούς, οικονομικούς, περιβαλλοντικούς και ρυθμιστικούς περιορισμούς να παρέχουν τα βέλτιστα αποτελέσματα σε ότι αφορά την βέλτιστη εξέλιξη και πορεία των ενεργειακών συστημάτων. Η παρούσα διατριβή εστιάζει σε ένα από τα πλέον κρίσιμα ενεργειακά συστήματα, ήτοι το ηλεκτρικό σύστημα, το οποίο αποτελεί σημαντικό τμήμα της συνολικής ενεργειακής δραστηριότητας για κάθε οικονομία, αντιπροσωπεύοντας τις διαδικασίες παραγωγής, μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι αναπτυχθείσες υπολογιστικές προσεγγίσεις δύναται να χρησιμοποιηθούν και υπό συνθήκες αβεβαιότητας κάποιων παραμέτρων του συστήματος, σε ευρεία χρονική κλίμακα, από ωριαίο επίπεδο έως και μιας σειράς ετών, ενώ μπορούν επίσης να επεκταθούν και σε αποκεντρωμένα ενεργειακά δίκτυα, καλύπτοντας έτσι ολόκληρο το φάσμα της ενεργειακής εφοδιαστικής αλυσίδας.