Απανθρακοποίηση κοινοτήτων και ομάδων καταναλωτών με τη χρήση μικρο-δικτύων και ενσωμάτωση τεχνολογιών χαμηλού άνθρακα

Abstract

The global energy landscape is undergoing a profound transformation, characterized by a growing emphasis on sustainability, efficiency, and the integration of renewable energy sources. Central to this transformation are Battery Energy Storage Systems (BESS), which play a pivotal role in enabling the reliable and sustainable deployment of renewable energy. This Ph.D. research presents a comprehensive analysis, optimization, and comparative evaluation of various battery technologies within diverse energy scenarios to provide critical insights into their applications and implications for the future of energy storage. This Ph.D. research is underpinned by an advanced optimization model designed to identify efficient and cost-effective configurations of battery energy storage systems within diverse energy scenarios. The model leverages cutting-edge optimization algorithms, exploring various parameters such as battery type, capacity, charging strategies, and energy sales approaches to achieve optimal solutions that balance performance, cost, and environmental impact. To enhance user accessibility and decision-making, a Graphical User Interface (GUI) has been developed. This GUI empowers users to interact with the optimization model, customize scenarios, visualize results, and assess different energy storage strategies. Additionally, parallel computing capabilities are incorporated using the Microgrid Performance and Investment Rating (MPIR) framework to accelerate simulations. This enables timely evaluation of numerous scenarios and addresses real-world energy challenges, making this research an invaluable tool for advancing sustainable energy solutions. The study deals with an in-depth exploration of six distinct battery types: Lead Acid, NCM, LFP, NCA, Lithium Air, and Flow batteries. Each battery type is rigorously examined across various scenarios, encompassing capacity, emissions, costs, and energy sales strategies. The research leverages advanced modeling and simulation techniques to assess the performance and environmental impact of these batteries, considering both short-term and long-term perspectives. The findings reveal unique strengths and limitations for each battery type, shedding light on their suitability for different energy storage applications. Lead Acid batteries, for instance, demonstrate significant capacity in some scenarios but suffer from high emissions and low efficiency. In contrast, LFP and NCA batteries emerge as versatile options, offering balanced performance, lower emissions, and the potential for profitable energy sales. Flow batteries, with their extended lifespan and revenue-generating capabilities, stand out as a promising choice for long-term energy storage strategies. In conclusion, this Ph.D. research contributes valuable innovative insights into the evolving field of battery energy storage systems. It provides a nuanced understanding of various battery technologies, their performance under different scenarios, and their potential contributions to sustainable energy solutions. These findings serve as a foundation for informed decision-making in the pursuit of a cleaner, more efficient, and environmentally responsible energy future. Incorporating the optimization model, GUI, and MPIR framework, this Ph.D. research offers a holistic approach to understanding and optimizing battery energy storage systems, making it a valuable tool for advancing sustainable energy solutions and contributing to the transition to a cleaner and more resilient energy landscape.

Το παγκόσμιο ενεργειακό τοπίο υφίσταται μια βαθιά μεταμόρφωση, που χαρακτηρίζεται από αυξανόμενη έμφαση στη βιωσιμότητα, την αποδοτικότητα και την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Κεντρικό ρόλο σε αυτόν τον μετασχηματισμό διαδραματίζουν τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας (BESS), τα οποία διαδραματίζουν καίριο ρόλο στην αξιόπιστη και βιώσιμη ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η διδακτορική έρευνα παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη ανάλυση, βελτιστοποίηση και συγκριτική αξιολόγηση διαφόρων τεχνολογιών μπαταριών σε διάφορα ενεργειακά σενάρια για να παρέχει κρίσιμες γνώσεις σχετικά με τις εφαρμογές και τις επιπτώσεις τους για το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας. H έρευνα υποστηρίζεται από ένα προηγμένο μοντέλο βελτιστοποίησης που έχει σχεδιαστεί για τον εντοπισμό αποτελεσματικών και οικονομικά αποδοτικών διαμορφώσεων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας σε διάφορα ενεργειακά σενάρια. Το μοντέλο αξιοποιεί αλγόριθμους βελτιστοποίησης αιχμής, διερευνώντας διάφορες παραμέτρους όπως ο τύπος μπαταρίας, η χωρητικότητα, οι στρατηγικές φόρτισης και οι προσεγγίσεις πωλήσεων ενέργειας για την επίτευξη βέλτιστων λύσεων που εξισορροπούν την απόδοση, το κόστος και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Για να βελτιωθεί η προσβασιμότητα των χρηστών και η λήψη αποφάσεων, έχει αναπτυχθεί ένα γραφικό περιβάλλον χρήστη (GUI) που δίνει τη δυνατότητα στους χρήστες να αλληλεπιδρούν με το μοντέλο βελτιστοποίησης, να προσαρμόζουν σενάρια, να οπτικοποιούν αποτελέσματα και να αξιολογούν διαφορετικές στρατηγικές αποθήκευσης ενέργειας. Επιπλέον, ενσωματώνονται παράλληλες υπολογιστικές δυνατότητες χρησιμοποιώντας το πλαίσιο Microgrid Performance and Investment Rating (MPIR) για την επιτάχυνση των προσομοιώσεων. Αυτό επιτρέπει την έγκαιρη αξιολόγηση πολυάριθμων σεναρίων και αντιμετωπίζει πραγματικές ενεργειακές προκλήσεις, καθιστώντας αυτή την έρευνα ένα ανεκτίμητο εργαλείο για την προώθηση βιώσιμων ενεργειακών λύσεων. Η μελέτη ασχολείται με μια εις βάθος εξερεύνηση έξι ξεχωριστών τύπων μπαταριών: μπαταρίες μολύβδου οξέος, NCM, LFP, NCA, Lithium Air και Flow. Κάθε τύπος μπαταρίας εξετάζεται αυστηρά σε διάφορα σενάρια, συμπεριλαμβανομένης της χωρητικότητας, των εκπομπών, του κόστους και των στρατηγικών πωλήσεων ενέργειας. Η έρευνα αξιοποιεί προηγμένες τεχνικές μοντελοποίησης και προσομοίωσης για την αξιολόγηση της απόδοσης και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων αυτών των μπαταριών, λαμβάνοντας υπόψη τόσο βραχυπρόθεσμες όσο και μακροπρόθεσμες προοπτικές. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος, για παράδειγμα, παρουσιάζουν σημαντική χωρητικότητα σε ορισμένα σενάρια, αλλά φέρουν υψηλές εκπομπές και χαμηλή απόδοση. Αντίθετα, οι μπαταρίες LFP και NCA αναδύονται ως ευέλικτες επιλογές, προσφέροντας ισορροπημένη απόδοση, χαμηλότερες εκπομπές ρύπων και τη δυνατότητα κερδοφόρων πωλήσεων ενέργειας. Οι μπαταρίες ροής, με την εκτεταμένη διάρκεια ζωής τους και τις δυνατότητες δημιουργίας εσόδων, ξεχωρίζουν ως μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για μακροπρόθεσμες στρατηγικές αποθήκευσης ενέργειας.Συμπερασματικά, η διδακτορική έρευνα συνεισφέρει πολύτιμες καινοτόμες γνώσεις στον εξελισσόμενο τομέα των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας. Αυτά τα ευρήματα χρησιμεύουν ως βάση για τεκμηριωμένη λήψη αποφάσεων στην επιδίωξη ενός καθαρότερου, αποδοτικότερου και περιβαλλοντικά υπεύθυνου ενεργειακού μέλλοντος. Ενσωματώνοντας το μοντέλο βελτιστοποίησης, το GUI και το πλαίσιο MPIR, η διδακτορική έρευνα προσφέρει μια ολιστική προσέγγιση για την κατανόηση και τη βελτιστοποίηση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας, καθιστώντας το πολύτιμο εργαλείο για την προώθηση βιώσιμων ενεργειακών λύσεων και συμβάλλοντας στη μετάβαση σε ένα καθαρότερο και πιο ανθεκτικό ενεργειακό τοπίο.