Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mallitus ja optimointi

Elnaz Abdollahi

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto (CHP) on tekniikka jossa sähköä ja lämpöä tuotetaan integroidussa prosessissa. CHP-tuotannon etuna on huomattavasti parempi energiatehokkuus verrattuna sähkön ja lämmön erillistuotantoon. Siksi CHP on potentiaalinen tekniikka myös päästöjen vähentämiseksi. Tuuli- ja aurinkosähkön voimakas lisääntyminen hankaloittaa tuotannon ja kysynnän ajallista kohtaamista. Tämä vaikeuttaa erityisesti CHP-tuotannon suunnittelua silloin kun sähkön ja lämmön kysyntävaihtelu ei ajallisesti kohtaa. CHP-järjestelmän joustavuutta voidaan parantaa energiavarastojen ja sähkön siirtoverkon avulla, ja samalla saavuttaa taloudellisia säästöjä. Tällaisen monimuotoisten energiajärjestelmien toimintaa voidaan suunnitella optimointimallien avulla. Tässä tutkimuksessa on kehitetty optimointimalleja CHP-tuotannon suunnitteluongelmiin, jotka ovat erilaisia aikahorisontin pituuden (lyhyt-pitkä aikaväli), alueiden lukumäärän (yksi tai useampi), ja varastojen suhteen (lämpö- tai sähkövarastot vai molempia). Ongelmiin on kehitetty tehokkaita dekompositioon perustuvia ratkaisualgoritmeja. Dekompositiossa järjestelmän kokonaismalli pilkotaan eri tavoin osamalleiksi, jotka ratkaisemalla saadaan kokonaismallin ratkaisu. Yksinkertaisin malleista on yhden alueen CHP-tuotantomalli, johon sisältyy lämpövarasto. Malli voidaan ratkaista yleisenä lineaarisen ohjemoinnin (LP) mallina, mutta mallinnuksessa on sovellettu erityistä ekstreemipisteformulaatiota. Seuraava malli on tunnittainen usean alueen malli, johon sisältyy sähkön siirtoverkko. Mallin ratkaisemiseen on kehitetty kaksivaiheinen dekompositiotekniikka, jossa sovelletaan parametrista LP-analyysia aluekohtaisesti ja muodostetaan analyysin tulosten perusteella usean alueen sähkön tuotannon ja siirron verkkotehtävä. Kolmannessa mallissa tunnittainen malli on laajennettu pitkän aikavälin malliksi ottamalla verkkotehtävään mukaan aluekohtaiset sähkövarastot. Lopuksi mallia on laajennettu kattamaan aluekohtaiset lämpövarastot. Sähkö- ja lämpövarastojen optimomiseksi yhdessä sähkön siirtojen laajennettiin dekompositiotekniikkaa kolmannella dekompositiomallilla ja mallien välisellä iteratiivisella prosessilla.  Realistisen testidatan tuottamiseksi kehitettiin tekniikka, jossa kulutusennustemalleja hyödyntämällä voidaan tuottaa ajallisesti ja alueellisesti oikealla tavalla vaihtelevaa kaukolämmön kulutusdataa niillekin paikkakunnille, joilta ei ole todellista tuntipohjaista mittaustietoa saatavilla. Kehitetyt mallit on validoitu vertailemalla tuloksia aikaisempiin malleihin ja ratkaisutekniikoihin eri kokoisilla CHP-järjestelmillä ja vaihtelevan pituisilla aikahorisonteilla. Kehitetyt menetelmät ovat tarkkoja ja nopeita suurillakin tehtävillä. Menetelmiä voidaan soveltaa sekä CHP-järjestelmien pitkän aikavälin käytön suunnittelussa, että simuloimaan järjestelmän laajennuksia investointipäätösten tueksi.
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Lahdelma, Risto, Valvoja
  • Lahdelma, Risto, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-8743-6
Sähköinen ISBN978-952-60-8744-3
TilaJulkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto
  • optimointi
  • lineaarinen ohjelmointi
  • sähkön siirto
  • energiavarastot

Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Sähkön ja lämmön yhteistuotannon mallitus ja optimointi'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

  • Siteeraa tätä

    Abdollahi, E. (2019). Modelling and optimization of combined heat and power systems. Aalto University.