Development of a mathematical programming model and construction of an information decision support system for the long-term energy planning of the greek power sector

Ανάπτυξη μοντέλου μαθηματικού προγραμματισμού και κατασκευή πληροφοριακού συστήματος υποστήριξης αποφάσεων για το μακροχρόνιο ενεργειακό σχεδιασμό του ελληνικού συστήματος ηλεκτροπαραγωγής

Development of a mathematical programming model and construction of an information decision support system for the long-term energy planning of the greek power sector

Georgiou, Paraskevas

Γεωργίου, Παρασκευάς

PhD Thesis

2010

The PhD thesis' scope is the long-term energy planning of the Greek power sector for the period 2009-2020 using Mathematical Programming. An integrated methodological approach is developed based on a mathematical model which is incorporated in a suitable information decision support system. The PhD thesis' innovative feature is the modeling of the electrical interconnection of Aegean islands to the mainland Greece under the perspective of the best economic expansion and operation of the whole power sector. The answers given concern questions like: a) which insular clusters should be interconnected, b) when each interconnection should begin and c) which the interconnection's capacity should be. An engineering energy model belonging to the Mixed Integer Linear Programming problems is constructed representing in great detail the structure and the peculiarities of the Greek power sector. The long-term energy planning is treated by following two approaches: a) as a classical optimization problem with sole criterion the minimization of total electricity generation cost and b) as a multicriterion problem with 2nd objective function, the total amount of CO2 emissions. The main conclusion is the impulsive trend of Greek electrical system towards the development of interconnection between the Aegean islands and the mainland sector which presents both economic and environmental benefits for the whole power sector. After the interconnections, the net present value of the total electricity generation cost is reduced about 3% in relation to the scenario without interconnection, due to the 4.3 billion € saving in the cumulative fuel cost. The interconnections also drive to a significant reduction in CO2 emissions. The reduction is greater in islands due to the high wind energy penetration, the electricity imports from the mainland system and the cease of oil power stations. A very interesting finding is the extreme penetration of wind energy which is enhanced by the interconnections' development, succeeding in the installation of more 2 GW wind parks. The multi-criteria version of the problem reveals alternative strategies available for the long-term energy planning. The main conclusion is that the efficient solutions of the baseline scenario with interconnection dominate all over those ones of the baseline scenario without interconnection, confirming that the development of the interconnections acts constantly in favor of the power sector in both criteria.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί ο μακροχρόνιος ενεργειακός σχεδιασμός του ελληνικού τομέα ηλεκτροπαραγωγής για την περίοδο 2009-2020 με τη χρήση του Μαθηματικού Προγραμματισμού. Αναπτύσσεται μία ολοκληρωμένη μεθοδολογική προσέγγιση υποστήριξης αποφάσεων η οποία βασίζεται σε ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο ενσωματώνεται σε ένα κατάλληλο πληροφοριακό σύστημα. Το καινοτόμο γνώρισμα της διατριβής συνίσταται στη μοντελοποίηση της διερεύνησης διασύνδεσης των νησιών του Αιγαίου πελάγους με την ηπειρωτική Ελλάδα υπό το πρίσμα της οικονομικά άριστης επέκτασης και λειτουργίας ολόκληρου του τομέα ηλεκτροπαραγωγής. Κατασκευάζεται ένα τεχνολογικό ενεργειακό μοντέλο Μικτού Ακέραιου Γραμμικού Προγραμματισμού το οποίο αναπαριστά σε πολύ υψηλό βαθμό ανάλυσης τη δομή και τις ιδιαιτερότητες του ελληνικού τομέα ηλεκτροπαραγωγής. Το πρόβλημα του μακροχρόνιου ενεργειακού σχεδιασμού αντιμετωπίζεται ακολουθώντας δύο προσεγγίσεις: α) ως ένα κλασικό πρόβλημα αριστοποίησης με κριτήριο την ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους ηλεκτροπαραγωγής και β) ως πολυκριτηριακό πρόβλημα με 2η αντικειμενική συνάρτηση την ποσότητα των συνολικών εκπομπών CO2. Το βασικό συμπέρασμα είναι η εμφανής τάση του ελληνικού ηλεκτρικού συστήματος για την ανάπτυξη διασυνδέσεων μεταξύ των νησιών του Αιγαίου και της ηπειρωτικής Ελλάδας, η οποία παρουσιάζει οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη για ολόκληρο τον κλάδο της ηλεκτροπαραγωγής. Στο σενάριο αναφοράς με διασύνδεση, η καθαρή παρούσα αξία του συνολικού διαχρονικού κόστους μειώνεται κατά 3% σε σχέση με το αντίστοιχο σενάριο δίχως διασύνδεση και οφείλεται στη συμπίεση του σωρευτικού κόστους καυσίμων κατά 4,3 δισεκατομμύρια €. Επίσης πραγματοποιείται σημαντική μείωση των εκπομπών CO2 ιδίως στη νησιωτική Ελλάδα εξαιτίας της υψηλής αιολικής διείσδυσης, των εισαγωγών ηλεκτρικής ενέργειας και της παύσης λειτουργίας των πετρελαϊκών σταθμών. Μία ενδιαφέρουσα διαπίστωση είναι η πολύ μεγάλη διείσδυση της αιολικής ενέργειας η οποία ενισχύεται σημαντικά με την ύπαρξη των διασυνδέσεων οδηγώντας στην εγκατάσταση 2 GW περισσότερης αιολικής ισχύος. Η πολυκριτηριακή εκδοχή του προβλήματος καταδεικνύει την ύπαρξη εναλλακτικών στρατηγικών υλοποίησης του μακροχρόνιου ενεργειακού σχεδιασμού. Βασική διαπίστωση είναι ότι όλες οι ικανές λύσεις του σεναρίου με διασύνδεση υπερέχουν εκείνων του σεναρίου δίχως διασύνδεση, επιβεβαιώνοντας το γεγονός ότι η ανάπτυξη των διασυνδέσεων δρα συνεχώς επ' ωφελεία του τομέα ηλεκτροπαραγωγής και προς τις δύο κατευθύνσεις των κριτηρίων.

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία ➨ Επιστήμη Χημικού Μηχανικού

Energy model

Διασύνδεση

Ενεργειακό μοντέλο

Ηλεκτροπαραγωγή

Energy planning

Chemical Engineering

Ενεργειακός σχεδιασμός

Decision support

Multicriteria programming

Επιστήμες Μηχανικού και Τεχνολογία

Επιστήμη Χημικού Μηχανικού

Engineering and Technology

Interconnection

Power sector

Μαθηματικός προγραμματισμός

Υποστήριξη αποφάσεων

Mixed integer linear programming

Μικτός ακέραιος γραμμικός προγραμματισμός

Πολυκριτηριακός προγραμματισμός

Mathematical programming

Ελληνική γλώσσα

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ)

National Technical University of Athens (NTUA)

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)

National Documentation Centre (EKT)

National Archive of PhD Theses

Συλλογή ΕΑΔΔ