Ποια είναι η πιο αποτελεσματική διαμόρφωση για αστικά ενεργειακά συστήματα στη Βόρεια Κίνα;
Τα πολλαπλά ενεργειακά συστήματα (MES) υποδηλώνουν την ενοποίηση της παραγωγής, μεταφοράς, αποθήκευσης και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, ψύξης και υποσυστημάτων αερίου στα σύγχρονα ενεργειακά συστήματα. Με γνώμονα την τεχνολογία πληροφοριών και επικοινωνιών, η αυξανόμενη σύζευξη διαφορετικών ενεργειακών συστημάτων επιτρέπει μια πιο έξυπνη διαχείριση της ενέργειας από τη λειτουργία κάθε είδους ενεργειακού συστήματος ξεχωριστά. Για παράδειγμα, το MES είναι σε θέση να βελτιώσει τη συνολική ενεργειακή απόδοση με τη συνθετική καταρράκτη αξιοποίηση της ενέργειας. Μπορεί επίσης να διερευνήσει επιπλέον ευελιξία για να φιλοξενήσει περισσότερη ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Η Κίνα είναι η μεγαλύτερη χώρα κατανάλωσης ενέργειας στον κόσμο. Τα αστικά ενεργειακά συστήματα καταναλώνουν το πιο σημαντικό κλάσμα ενέργειας στην Κίνα. Τα αστικά ενεργειακά συστήματα έχουν υψηλή ένταση ενεργειακής ζήτησης, γεγονός που καθιστά την ενεργειακή απόδοση μεγάλη ανησυχία. Με την ανάπτυξη της μεταρρύθμισης της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας και του σχεδίου δράσης του ενεργειακού Διαδικτύου, η ολοκληρωμένη ενεργειακή υπηρεσία είναι ανοιχτή σε δημόσιες επενδύσεις. Επιτρέπεται σε ιδιωτικές εταιρείες να επενδύουν και να είναι υπεύθυνες για τον ενεργειακό εφοδιασμό της νεόδμητης αστικής περιοχής. Ένας ολοκληρωμένος σχεδιασμός του σχεδιασμού του αστικού ενεργειακού συστήματος είναι απαραίτητος για τον συντονισμό διαφορετικών μορφών ενέργειας για την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης και την παροχή περισσότερων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Ωστόσο, δεν είναι εύκολη δουλειά να διεξαχθεί ένας τέτοιος σχεδιασμός μιας στάσης λόγω τριών προκλήσεων:1) το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, κρύου και φυσικού αερίου ανήκει σε διαφορετική χρησιμότητα και δεν υπάρχει προηγούμενη εμπειρία για τον από κοινού σχεδιασμό ολόκληρου του ενεργειακού συστήματος. 2) τα φυσικά θεμελιώδη μοντέλα συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, ψύχους και αερίου είναι διαφορετικά. 3) η σύζευξη διαφορετικών ενεργειακών συστημάτων αποδίδει έναν πολύ μεγαλύτερο επιπλέον χώρο βελτιστοποίησης για τον προγραμματισμό της διαμόρφωσης, όπου δεν υπάρχει ώριμη μεθοδολογία για υιοθέτηση. Για να καλυφθούν αυτά τα κενά, αυτή η μελέτη προτείνει μια συστηματική και τυποποιημένη προσέγγιση μοντελοποίησης που διευκολύνει τον ολοκληρωμένο σχεδιασμό του MES. Η μεθοδολογία χρησιμοποιείται αργότερα στη μελέτη ενός τυπικού αστικού ενεργειακού συστήματος στη βόρεια Κίνα.
Η έννοια του ενεργειακού κόμβου (EH) χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη. Ένα EH μοντελοποιεί ένα MES ως μονάδα με πολλαπλές θύρες εισόδου και εξόδου, όπως φαίνεται στο Σχ. 1. Η μετατροπή, αποθήκευση και διανομή ενέργειας στο MES θα πρέπει να μοντελοποιηθεί στο εσωτερικό του EH. Μια τυποποιημένη μοντελοποίηση πινάκων μπορεί να περιγραφεί με βάση τη θεωρία γραφημάτων, όπου τα χαρακτηριστικά των μετατροπέων/αποθήκευσης ενέργειας και η τοπολογία τους εκφράζονται σε μορφή πίνακα. Το Σχ. 2 δείχνει τις συνδέσεις μεταξύ των τριών μετατροπέων ενέργειας (#1, #2 και #3) ενός απλού ενδεικτικού MES.
Κάθε μετατροπέας ενέργειας σε ένα EH μπορεί να αντιμετωπιστεί ως κόμβος σε ένα γράφημα. Οι ενεργειακοί κόμβοι μπορούν στη συνέχεια να αναλυθούν χρησιμοποιώντας τη θεωρία γραφημάτων εάν αντιστοιχίσουμε τα φυσικά τους στοιχεία στις έννοιες της θεωρίας γραφημάτων ως εξής:
- Κάθε ροή ενέργειας προς ή από έναν μετατροπέα αντιπροσωπεύεται από έναν κλάδο . Επομένως, οι κλάδοι μεταφέρουν ενεργειακές ροές σε οποιοδήποτε διάνυσμα. (π.χ. αέριο, ηλεκτρισμός, θερμότητα, ψύξη)
- Ένας κόμβος είναι η αφαίρεση ενός μετατροπέα ενέργειας και επίσης η αφαίρεση των τελικών σημείων διακλάδωσης. Οι είσοδοι και οι έξοδοι αντιμετωπίζονται ως ειδικοί κόμβοι.
- Κάθε κόμβος έχει μία ή περισσότερες θύρες μέσω των οποίων ανταλλάσσει ενέργεια με άλλους κόμβους. Κάθε μετατροπέας έχει έναν σταθερό αριθμό θυρών εισόδου και εξόδου. Για παράδειγμα, μια μονάδα CHP έχει μια θύρα εισόδου για φυσικό αέριο και δύο θύρες εξόδου για ηλεκτρισμό και θερμότητα.
- Ένα γράφημα είναι μια συλλογή από κόμβους και κλάδους.
- Το EH είναι ένα προσανατολισμένο γράφημα επειδή κάθε κλάδος έχει μια καθορισμένη κατεύθυνση, δηλαδή από μια πηγή σε ένα νεροχύτη.
Η τυποποιημένη μέθοδος μοντελοποίησης μήτρας παρέχει μια λύση γραμμικής μοντελοποίησης για το MES. Μπορεί επίσης να αντιμετωπίσει τη συνάρτηση μη γραμμικής μετατροπής ενέργειας με τμηματικά γραμμικό τρόπο. Το πιο σημαντικό, η προτεινόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί τη θεωρία γραφημάτων για να μεταφέρει την τοπολογία και τα χαρακτηριστικά των μετατροπέων ενέργειας σε μορφή μήτρας, γεγονός που καθιστά την ανάλυση του MES να αυτοματοποιείται εύκολα από υπολογιστές. Η μέθοδος παρέχει επίσης έναν τρόπο αναλυτικής ανάλυσης της εγγενούς ευελιξίας του EH σύμφωνα με τον βαθμό ελευθερίας της γραμμικοποιημένης σύνθεσης.
Με βάση την αυτόματη και τυποποιημένη μοντελοποίηση του EH, προτείνεται ένας βέλτιστος σχεδιασμός διαμόρφωσης EH «ξεκινώντας από το μηδέν». Ο βέλτιστος σχεδιασμός διαμόρφωσης EH σε αυτή την εργασία αντιμετωπίζει δύο προκλήσεις σε σύγκριση με τα παραδοσιακά προβλήματα σχεδιασμού EH:1) παραδοσιακά, μέρος της διαμόρφωσης του EH και οι τύποι μετατροπέων ενέργειας έχουν ήδη αποφασιστεί. Σε αυτή τη μελέτη, δεν υπάρχει κανένα τεκμήριο σχετικά με τη διαμόρφωση ή τους μετατροπείς που θα επιλεγούν για το EH. 2) το μεγαλύτερο μέρος της υπάρχουσας βιβλιογραφίας βελτιστοποιεί μόνο την χωρητικότητα των μετατροπέων. Σε αυτή τη μελέτη, βελτιστοποιούμε ταυτόχρονα τη χωρητικότητα των μετατροπέων και τη διαμόρφωση του EH. Ο σχεδιασμός ενός EH "ξεκινώντας από το μηδέν" σημαίνει ότι δεν γίνονται a priori υποθέσεις σχετικά με την επιλογή των μετατροπέων ενέργειας και τη διαμόρφωση της ροής ενέργειας.
Το Σχ. 3 παρέχει μια γενική απεικόνιση του προτεινόμενου προβλήματος σχεδιασμού. Αρχικά, το EH είναι άδειο. Μπορούν να επιλεγούν και να συνδεθούν διάφοροι μετατροπείς ενέργειας και συσκευές αποθήκευσης με διαφορετική χωρητικότητα, απόδοση και κόστος επένδυσης. Οι μετατροπείς περιλαμβάνουν μονάδες ΣΗΘ, λέβητες αερίου, EB, αντλίες θερμότητας, μετασχηματιστές, ψύκτες απορρόφησης, κλιματιστικά, μονάδες ισχύος σε αέριο κ.λπ. Οι συσκευές αποθήκευσης περιλαμβάνουν αποθήκευση θερμότητας και αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Οι απαιτήσεις για θερμότητα, ψύξη και ηλεκτρική ενέργεια μπορούν να προβλεφθούν και χρησιμοποιούνται ως οριακές συνθήκες του προτεινόμενου προβλήματος σχεδιασμού. Είναι επίσης γνωστές οι τιμές των πηγών ενέργειας εισροής, όπως η ηλεκτρική ενέργεια και το φυσικό αέριο. Ο βέλτιστος σχεδιασμός διαμόρφωσης ενός EH καθορίζει ποιοι μετατροπείς ενέργειας πρέπει να επιλεγούν και πώς θα πρέπει να συνδεθούν για να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό κόστος, δηλαδή το άθροισμα του κόστους επένδυσης και λειτουργίας, για δεδομένες ενεργειακές απαιτήσεις και τιμές. Το πρόβλημα μπορεί να δηλωθεί ως εξής:
Χρησιμοποιούμε την προτεινόμενη μέθοδο για να μελετήσουμε τη βέλτιστη διαμόρφωση ενός τυπικού αστικού ενεργειακού συστήματος στη βόρεια Κίνα. Το αστικό ενεργειακό σύστημα που μελετήθηκε καλύπτει έκταση 6,0 τετραγωνικών χιλιομέτρων με επιφάνεια δαπέδου περίπου 3,8 εκατομμύρια τετραγωνικά μέτρα. Η ζήτηση θερμότητας, η ζήτηση ψύξης και η ζήτηση φορτίου ηλεκτρικής ενέργειας φαίνονται στο Σχήμα 4. Αυτό το προφίλ ζήτησης ενέργειας είναι αντιπροσωπευτικό στη βόρεια Κίνα.
Το αποτέλεσμα βελτιστοποίησης του σχεδιασμού διαμόρφωσης MES παρουσιάζεται στο Σχ. 5. Όπως δείχνει το αποτέλεσμα βελτιστοποίησης, 60 MW συνδυασμένης θερμότητας και ισχύος (CHP), ηλεκτρική αντλία θερμότητας 30 MW (EHP), 40 MW συμπίεσης ηλεκτρικής ομάδας ψυγείων (CERG), Ως βέλτιστο σχέδιο προγραμματισμού επιλέχθηκαν ομάδα ψυγείων απορρόφησης νερού 80 MW (WARG), αποθήκευση θερμότητας 360 MWh (HS), αποθήκευση ψύξης 135 MWh (CS) και φωτοβολταϊκό (PV) σύστημα 46,5 MW. Η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας ικανοποιείται από την αγορασμένη ηλεκτρική ενέργεια, τη ΣΗΘ και το Φ/Β σύστημα οροφής.
Σε όλες τις στέγες προτάθηκε η εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος λόγω του χαμηλού λειτουργικού τους κόστους και του χαμηλού κόστους επένδυσης στην Κίνα σήμερα. Η ζήτηση θερμότητας ικανοποιείται από CHP και EHP. Η ζήτηση ψύξης ικανοποιείται από τα WARG και CERG. Το CHP και το WARG επιλέχθηκαν για να αποφευχθεί η αγορά πολλής ηλεκτρικής ενέργειας για την κάλυψη της ζήτησης σε περιόδους αιχμής και περιόδους αιχμής. Επιπλέον, επιλέχθηκαν συστήματα αποθήκευσης θερμότητας/ψύξης για τη μείωση του κόστους θέρμανσης/ψύξης με την αποθήκευση θερμικής/ψυκτικής ισχύος κατά τη διάρκεια των χρόνων κοιλάδας και την εκφόρτωσή της σε περιόδους αιχμής.
Η ληφθείσα διαμόρφωση MES παρέχει ένα βασικό σχέδιο για την κατασκευή ενός αποδοτικού αστικού ενεργειακού συστήματος στην Κίνα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Standardized Matrix Modeling of Multiple Energy Systems, and Optimal configuration plans of multi-energy systems λαμβάνοντας υπόψη την κατανεμημένη ανανεώσιμη ενέργεια που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό IEEE Transactions on Smart Grid , το άρθρο με τίτλο Mixed-Integer Linear Programming-Based Optimal Configuration Planning for Energy Hub:Starting from Scratch, and Automatic and linearized modeling of energy hub and its flexibility analysis, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy .
Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Yi Wang (Πανεπιστήμιο Tsinghua), Ning Zhang (Πανεπιστήμιο Tsinghua), Wujing Huang (Πανεπιστήμιο Tsinghua) και Chongqing Kang (Πανεπιστήμιο Tsinghua), Daniel Kirschen (Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον).
