Kaukolämpöakun käytön optimointi ja lyhyen aikavälin suunnittelu
Turunen, Joel (2019)
2019
Automaatiotekniikka
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-03-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201903201319
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201903201319
Tiivistelmä
Uusiutuvien energianlähteiden kasvava käyttö energiamarkkinoilla on johtanut tarpee-seen parantaa sähkön ja lämmön yhteistuotannon (CHP) kannattavuutta sen kilpailu-kyvyn ylläpitämiseksi. Pohjoismaisten sähkömarkkinoiden siirtyminen tuntikohtaiseen kysynnän ja tarjonnan määrittämään sähkönhintaan korosti lämpökuorman seuraami-sen ongelmia CHP-tuotannossa. Samaan aikaan säätilasta riippuvat sähköntuotantota-vat ovat voimistaneet vuorokauden sisäisiä sähkönhintavaihteluja entisestään.
Tässä työssä CHP-tuotannon kannattavuutta yritetään parantaa kaukolämpöakun (KL-akku) käyttöä suunnittelevalla optimointimallilla. Optimointimallin tavoitefunktiolla pyritään minimoimaan kaukolämmöntuotantoon vaadittavat tuotantokustannukset ja maksimoimaan sähköntuotannon kannattavuutta. Jotta tehtävällä optimointimallilla voidaan ohjata KL-akkua automaattisesti kaikissa CHP-tuotannon normaaleissa tuo-tantotilanteissa, CHP-tuotanto prosessirajoitteineen mallinnetaan mahdollisimman tarkasti. Tämän vuoksi optimointimallista tehdään MILP-malli (eng. Mixed Integer Linear Programming), jolla tarkasteltavaa epälineaarista ja aikajatkuvaa systeemiä mallinnetaan osittaislinearisoinnin ja aikadiskretoinnin avulla pitäen optimointion-gelma samalla lineaarisena. Jotta optimointimallia voidaan käyttää ohjaamaan KL-akkua jatkuvaluonteisessa CHP-tuotannossa, optimointimalliin sovelletaan liukuvan aikaikkunan menetelmää. Optimointimallin tulos on seuraavan vuorokauden KL-akun käyttösuunnitelma, jolla CHP-tuotannon käyttökustannus saadaan mahdollisimman pieneksi. Optimointimallia voidaan käyttää sekä automaattiseen KL-akun ohjaukseen että tuottamaan tietoa KL-akun investointipäätöksiin.
Optimointimallin soveltuvuutta tutkimusongelmaan tutkittiin vertailemalla sen suun-nittelemaa KL-akun käyttöä Vapo Oy:n Forssan voimalaitoksen toteutuneeseen KL-akun käyttöön vuoden ajalta. Optimointimallin vakioparametrit asetettiin kuvaamaan Forssan CHP-tuotantoa ja sisään syötettävinä parametreina käytettiin oikeassa tuotan-nonsuunnittelussa käytettyjä tietoja. Optimointimallin todettiin soveltuvan KL-akun käytön lyhyen aikavälin suunnitteluun ja parantavan CHP-tuotannon kannattavuutta 2.3 % KL-akun ympärivuotisella aktiivisella käytöllä. Lisäksi systeemin tarkemman mallinnuksen avulla pystyttiin arvioimaan käytännön prosessirajoitteiden vaikutuksia optimoinnilla saavutettaviin tuloksiin käyttökustannuksien pienentämisessä.
Tässä työssä CHP-tuotannon kannattavuutta yritetään parantaa kaukolämpöakun (KL-akku) käyttöä suunnittelevalla optimointimallilla. Optimointimallin tavoitefunktiolla pyritään minimoimaan kaukolämmöntuotantoon vaadittavat tuotantokustannukset ja maksimoimaan sähköntuotannon kannattavuutta. Jotta tehtävällä optimointimallilla voidaan ohjata KL-akkua automaattisesti kaikissa CHP-tuotannon normaaleissa tuo-tantotilanteissa, CHP-tuotanto prosessirajoitteineen mallinnetaan mahdollisimman tarkasti. Tämän vuoksi optimointimallista tehdään MILP-malli (eng. Mixed Integer Linear Programming), jolla tarkasteltavaa epälineaarista ja aikajatkuvaa systeemiä mallinnetaan osittaislinearisoinnin ja aikadiskretoinnin avulla pitäen optimointion-gelma samalla lineaarisena. Jotta optimointimallia voidaan käyttää ohjaamaan KL-akkua jatkuvaluonteisessa CHP-tuotannossa, optimointimalliin sovelletaan liukuvan aikaikkunan menetelmää. Optimointimallin tulos on seuraavan vuorokauden KL-akun käyttösuunnitelma, jolla CHP-tuotannon käyttökustannus saadaan mahdollisimman pieneksi. Optimointimallia voidaan käyttää sekä automaattiseen KL-akun ohjaukseen että tuottamaan tietoa KL-akun investointipäätöksiin.
Optimointimallin soveltuvuutta tutkimusongelmaan tutkittiin vertailemalla sen suun-nittelemaa KL-akun käyttöä Vapo Oy:n Forssan voimalaitoksen toteutuneeseen KL-akun käyttöön vuoden ajalta. Optimointimallin vakioparametrit asetettiin kuvaamaan Forssan CHP-tuotantoa ja sisään syötettävinä parametreina käytettiin oikeassa tuotan-nonsuunnittelussa käytettyjä tietoja. Optimointimallin todettiin soveltuvan KL-akun käytön lyhyen aikavälin suunnitteluun ja parantavan CHP-tuotannon kannattavuutta 2.3 % KL-akun ympärivuotisella aktiivisella käytöllä. Lisäksi systeemin tarkemman mallinnuksen avulla pystyttiin arvioimaan käytännön prosessirajoitteiden vaikutuksia optimoinnilla saavutettaviin tuloksiin käyttökustannuksien pienentämisessä.