Βέλτιστη διαχείριση ενέργειας σε λιμάνια με περιορισμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου

Abstract

The amount of electrical energy required by ports is closely associated with adjustable loads such as refrigerated containers (reefers), plug-in electric vehicles (PEVs), and electric shore power supplies (SPS) (cold ironing) for ships at berth. At the same time, ports present significant opportunities for energy generation from renewable energy sources (RES). However, controlling these diverse adaptable loads is challenging with conventional control systems. Multi-agent systems (MAS) have proven to be highly efficient in managing complex systems and as demonstrated in this paper, can also be effective for port management applications. This research proposes a distributed demand-response system using MAS, implemented in the Java Agent DEvelopment Framework (JADE), to manage power demand for adjustable loads in ports. The ASEME Methodology, which has been successfully employed in the smart grid application domain, was followed for the MAS analysis and design. Two independent fuzzy logic-based systems are integrated into the MAS to minimize the operating costs of reefers and PEVs, respectively. In addition, ships at berth, operating in parallel with SPS and acting as smart prosumers, can effectively optimize operational costs while maintaining emissions within the prescribed limits. The efficiency of the proposed method is evaluated by detailed simulations of a port. Results demonstrate, in the specific systems and operating scenarios, a 38.54% reduction in the total energy cost per kWh for reefers and PEVs. A further 17.68% reduction in overall port operational costs is achieved when including ships at berth, with the reduction limited to 15.92% or 9.32% when emission control is applied per ship, or per port, respectively. This thesis also presents a real–time simulation of multi-agent systems for decentralized voltage control in distribution network. The multi-agent approach is used to share the voltage regulation effort and perform the coordination of distributed loads and generators with flexibility and reliability in distribution network. In simulations, the MAS with local voltage support keeps voltages within ±5% while preserving near-optimal cost and runtime suitable for real-time control.Nowadays, power consumption at container terminals is related to flexible loads. Arguably, the most significant flexible loads are the refrigerated containers, termed reefers. On average, reefers are responsible for 47.87% of the total energy consumption of container terminals. To control the reefers in a container terminal, it is hard to succeed with conventional methods. The multi-agent systems (MAS) are well suited to control complex systems. In this thesis, it is shown that MAS can be particularly well-suited to control reefers in a container terminal. It is demonstrated using real-world data, that a MAS system, implemented in JADE, is suitable for active power management of reefers. Additionally, it is used a fuzzy logic system, integrated in the MAS structure, to estimate the coefficient of utilization of the reefers. The results of the simulations with real data of a large terminal proved the effectiveness of the method. Ιn the specific systems and operating scenarios, a reduction of 37.08% to total energy cost of reefers at a container terminal was achieved.Finally, this thesis introduces an innovative, emission-aware optimal operation scheduling method for ports, designed to manage power demand across distributed flexible electric loads. The proposed approach simultaneously addresses multiple objectives: limiting in-port emissions, minimizing operational costs, optimizing port load time-shifting, and satisfying the operational constraints of numerous system components. To date, few studies have treated ships as smart prosumers capable of effectively mitigating all harmful emissions. To solve this highly complex problem, is employed Multi-Agent Systems (MAS), implemented in JADE. MAS was selected due to the complex nature of the power system under study and the need for a fast and reliable solution. Each agent solves a local optimization problem very quickly and robustly, enabling the overall system to reach a globally optimal solution. The proposed method was rigorously evaluated through detailed simulations in a case study involving a port with hundreds of reefers, plug-in electric vehicles (PEVs), and two shore power supplies. The results confirm the method’s effectiveness, achieving optimal outcomes, while fully meeting all optimization goals and operational constraints. The proposed methodology ensures rapid and reliable convergence of the optimization algorithm in one round and exhibits enhanced performance relative to existing approaches.

Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται από τα λιμάνια συνδέεται στενά με ρυθμιζόμενα φορτία, όπως εμπορευματοκιβώτια ελεγχόμενης θερμοκρασίας (ΕΕΘ), συνδεδεμένα στο ρεύμα ηλεκτρικά αυτοκίνητα (ΣΡΗΑ) και τροφοδοσία με ηλεκτρική ενέργεια από την ακτή στα πλοία (ΤΗΕΑΠ) σε αγκυροβόλιο. Ταυτόχρονα, τα λιμάνια παρουσιάζουν σημαντικές ευκαιρίες για παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Ωστόσο, ο έλεγχος αυτών των διαφορετικών προσαρμόσιμων φορτίων είναι δύσκολος με τα συμβατικά συστήματα ελέγχου. Τα συστήματα πολλαπλών πρακτόρων (ΣΠΠ) έχουν αποδειχθεί εξαιρετικά αποτελεσματικά στη διαχείριση πολύπλοκων συστημάτων και, όπως αποδεικνύεται σε αυτή τη διατριβή, μπορούν επίσης να είναι αποτελεσματικά για εφαρμογές διαχείρισης λιμανιών. Αυτή η εργασία προτείνει ένα κατανεμημένο σύστημα διαχείρισης ζήτησης με χρήση ΣΠΠ, που αναπτύχθηκε με το Java Agent DEvelopment Framework (JADE), για τη διαχείριση της ζήτησης ισχύος για ρυθμιζόμενα φορτία στα λιμάνια. Η Ανάλυση και Σχεδίαση του ΣΠΠ έγινε ακολουθώντας τη μεθοδολογία ASEME, η οποία έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στο πεδίο εφαρμογής του έξυπνου δικτύου. Δύο ανεξάρτητά συστήματα που βασίζονται σε ασαφή λογική ενσωματώνονται στο ΣΠΠ για την ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους των ΕΕΘ και των ΣΡΗΑ, αντίστοιχα. Επιπλέον, τα πλοία που βρίσκονται αγκυροβολημένα, και λειτουργούν παράλληλα με ΤΗΕΑΠ, λειτουργούν ως έξυπνοι προμηθευτές και μπορούν να βελτιστοποιήσουν αποτελεσματικά το λειτουργικό κόστος διατηρώντας παράλληλα τις εκπομπές εντός των προβλεπόμενων ορίων. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου αξιολογείται με λεπτομερείς προσομοιώσεις ενός λιμανιού. Τα αποτελέσματα, στα συγκεκριμένα συστήματα και σενάρια λειτουργίας που εξετάζονται στη διδακτορική διατριβή (ΔΔ), καταδεικνύουν μείωση κατά 38,54% στο συνολικό ενεργειακό κόστος ανά KWh για ΕΕΘ και ΣΡΗΑ. Περαιτέρω μείωση κατά 17,68% στο συνολικό λειτουργικό κόστος του λιμανιού επιτυγχάνεται όταν περιλαμβάνονται τα πλοία σε ελλιμενισμό, με τη μείωση να περιορίζεται στο 15,92% ή 9,32% όταν εφαρμόζεται έλεγχος εκπομπών ανά πλοίο ή συνολικά στο λιμάνι, αντίστοιχα. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει επίσης μια προσομοίωση σε πραγματικό χρόνο συστημάτων πολλαπλών πρακτόρων για αποκεντρωμένη στήριξη τάσης στο δίκτυο διανομής. Η προσομοίωση σε πραγματικό χρόνο εκτελείται χρησιμοποιώντας ένα ΣΠΠ που χρησιμοποιείται στη στήριξη της τάσης των κατανεμημένων φορτίων και των γεννητριών με αξιοπιστία στο δίκτυο διανομής. Στις προσομοιώσεις, τα αποτελέσματα στα συγκεκριμένα συστήματα και σενάρια λειτουργίας που εξετάζονται στη ΔΔ, το ΣΠΠ με στήριξη τάσης διατηρεί τις τάσεις εντός του επιτρεπτού ορίου ±5% και παράλληλα το βέλτιστο κόστος και τη μείωση των εκπομπών ρύπων και χρόνο εκτέλεσης κατάλληλο για έλεγχο σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, σήμερα η κατανάλωση ενέργειας στους τερματικούς σταθμούς εμπορευματοκιβωτίων σχετίζεται με ευέλικτα φορτία. Αναμφίβολα, τα πιο σημαντικά από αυτά τα ευέλικτα φορτία είναι τα ΕΕΘ. Κατά μέσο όρο, τα ΕΕΘ ευθύνονται για το 47,87% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας των τερματικών σταθμών που δεικνύεται με πραγματικά δεδομένα ότι το ΣΠΠ μπορεί να είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για τον έλεγχο ΕΕΘ σε έναν τερματικό σταθμό. Προτείνεται ένα ΣΠΠ, που υλοποιείται στο JADE, για τη διαχείριση ενεργού ισχύος των ΕΕΘ, με χρήση ασαφούς λογικής, ενσωματωμένο στη δομή του ΣΠΠ, για την εκτίμηση του συντελεστή αξιοποίησης των ΕΕΘ. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεών ενός μεγάλου τερματικού σταθμού απέδειξαν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Επιτεύχθηκε, στα συγκεκριμένα συστήματα και σενάρια λειτουργίας που εξετάζονται στη ΔΔ, μείωση 37,08% στο συνολικό κόστος ενέργειας των ΕΕΘ σε έναν τερματικό σταθμό, στα συγκεκριμένα συστήματα και σενάρια λειτουργίας. Τέλος, η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια καινοτόμο μέθοδο βέλτιστου προγραμματισμού λειτουργίας λιμανιών με γνώμονα τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, σχεδιασμένη για τη διαχείριση της ζήτησης ισχύος σε κατανεμημένα ευέλικτα ηλεκτρικά φορτία. Η προτεινόμενη προσέγγιση αντιμετωπίζει ταυτόχρονα πολλαπλούς στόχους: τον περιορισμό των εκπομπών εντός του λιμανιού, την ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους, τη βελτιστοποίηση της χρονικής μετατόπισης του φορτίου του λιμανιού και την ικανοποίηση των λειτουργικών περιορισμών πολλών στοιχείων του συστήματος. Μέχρι σήμερα, λίγες μελέτες έχουν αντιμετωπίσει τα πλοία ως έξυπνους prosumers που είναι σε θέση να μετριάσουν αποτελεσματικά όλες τις επιβλαβείς εκπομπές. Για την επίλυση αυτού του εξαιρετικά πολύπλοκου προβλήματος, χρησιμοποιείται ένα ΣΠΠ, υλοποιημένο στη JADE. Το ΣΠΠ επιλέχθηκε λόγω της περίπλοκης φύσης του υπό μελέτη συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας και της ανάγκης για μια γρήγορη και αξιόπιστη λύση. Κάθε πράκτορας επιλύει ένα τοπικό πρόβλημα βελτιστοποίησης πολύ γρήγορα και αξιόπιστα, επιτρέποντας μια συνολική βέλτιστη λύση. Η προτεινόμενη μέθοδος αξιολογήθηκε αυστηρά μέσω λεπτομερών προσομοιώσεων σε μια μελέτη περίπτωσης που περιλάμβανε ένα λιμάνι με εκατοντάδες ΕΕΘ, ΣΡΗΑ και δύο ΤΗΕΑΠ. Τα αποτελέσματα, στα συγκεκριμένα συστήματα και σενάρια λειτουργίας που εξετάζονται στη ΔΔ, επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου, επιτυγχάνοντας βέλτιστα αποτελέσματα, ενώ ικανοποιούνται πλήρως όλοι οι στόχοι βελτιστοποίησης και οι λειτουργικοί περιορισμοί. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εξασφαλίζει ταχεία και αξιόπιστη σύγκλιση του αλγορίθμου βελτιστοποίησης σε έναν γύρο και παρουσιάζει βελτιωμένη απόδοση σε σχέση με τις υπάρχουσες προσεγγίσεις.