Structural and operational optimisation : applications in energy systems

In this work mathematical programming models for structural and operational optimisation of energy systems are developed and applied to a selection of energy technology problems. The studied cases are taken from industrial processes and from large regional energy distribution systems. The models are based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) and on a hybrid approach of a combination of Non-Linear Programming (NLP) and Genetic Algorithms (GA). The optimisation of the structure and operation of energy systems in urban regions is treated in the work. Firstly, distributed energy systems (DES) with different energy conversion units and annual variations of consumer heating and electricity demands are considered. Secondly, district cooling systems (DCS) with cooling demands for a large number of consumers are studied, with respect to a long term planning perspective regarding to given predictions of the consumer cooling demand development in a region. The work comprises also the development of applications for heat recovery systems (HRS), where paper machine dryer section HRS is taken as an illustrative example. The heat sources in these systems are moist air streams. Models are developed for different types of equipment price functions. The approach is based on partitioning of the overall temperature range of the system into a number of temperature intervals in order to take into account the strong nonlinearities due to condensation in the heat recovery exchangers. The influence of parameter variations on the solutions of heat recovery systems is analysed firstly by varying cost factors and secondly by varying process parameters. Point-optimal solutions by a fixed parameter approach are compared to robust solutions with given parameter variation ranges. In the work enhanced utilisation of excess heat in heat recovery systems with impingement drying, electricity generation with low grade excess heat and the use of absorption heat transformers to elevate a stream temperature above the excess heat temperature are also studied.

Denna avhandling handlar om optimering av energisystem. Matematiska modeller har utvecklats för ett urval av energitekniska problem. De testfall som analyserats har tagits både från industriella processer och omfattande regionala energidistributionssystem. De utvecklade modellerna baserar sig på ett antal matematiska programmeringsmetoder: blandade heltals linjär programmering (Mixed Integer Linear Programming, MILP), blandade heltals icke-linjär programmering (Mixed Integer Nonlinear Programming, MINLP) samt i en hybrid modell icke-linjär programmering (Non-Linear Programming, NLP) och genetiska algoritmer (Genetic Algorithms, GA). Modeller för optimering av energisystems struktur och drift i regioner har utvecklats i detta arbete. Modellerna inkluderar ett antal konsumenter som har varierande behov av elektricitet och värme under olika tidsperioder av året, samt ett antal platser i regionen där ett urval av energikonverteringsmetoder, som kombinerat värme och elproduktion (Combined Heat and Power, CHP), värmeproduktion med biobränsle och elproduktion med vindkraft kan installeras. Värmen kan distribueras till konsumenter via ett fjärrvärmenät eller ledas till varmvattenreservoarer som fungerar som värmeackumulatorer i systemet. I avhandlingen behandlas också regionala fjärrkylenätverk där ett större antal konsumenter med varierande kylbehov har inkluderats. Systemets struktur och drift har analyserats med hänsyn till nuläget och långtidsprognoser för kylbehovet i regionen. Avhandlingen omfattar också modeller för värmeåtervinningssystem vid torkpartiet av pappersmaskinen. Värmekällorna i detta sammanhang är fuktiga luftströmmar. Modellerna är uppbyggda så att man kan ta hänsyn till olika typer av prisfunktioner för de inkluderade värmeväxlarna. Modellerna baserar sig vidare på uppdelning av det totala temperaturområdet i temperaturintervall. Inom varje temperaturintervall kan man effektivt ta hand om kraftigt icke-linjära värmekapaciteter och värmeöverföringskoefficienter, förorsakade av kondenseringen av fukten i luftströmmarna i värmeväxlarna. Inverkan av variationer i både kostnads- och processparametervärden på olika lösningar av värmeåtervinningssystem har också studerats. Punktoptimala lösningar med fixerade parametervärden har jämförts med robusta lösningar, som erhållits med givna variationsområden för processparametrarna. Avhandlingen handlar även om användning av överskottsvärme, då torkpartiet delvis byggs med påblåsningstorkningsenheter, generering av elektricitet från värmeströmmar med låga temperaturer samt användningen av absorptionsvärmetransformator för att höja procesströmmens temperatur över värmekällans temperatur.