dr hab. inż. Kazimierz Jagieła Częstochowa, r. profesor ATH Bielsko-Biała Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Transkrypt

1 dr hab. inż. Kazimierz Jagieła Częstochowa, r. profesor ATH Bielsko-Biała Wydział Budowy Maszyn i Informatyki RECENZJA pracy doktorskiej mgr inż. Jakuba JURASZA pt.: Optymalizacja mocy zainstalowanej w słoneczno - wiatrowo - pompowym układzie źródeł energii dla Rady Wydziału Zarządzania Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie Podstawa opracowania recenzji Przedmiotem opinii jest rozprawa doktorska mgr inż. Jakuba JURASZA doktoranta prof. AGH dr hab. inż. Jerzego Mikulika jako opiekuna naukowego i dr inż. Bartosza Sawika jako opiekuna pomocniczego, pt. Optymalizacja mocy zainstalowanej w słoneczno - wiatrowo - pompowym układzie źródeł zasilania zgodnie z uchwałą Rady Wydziału Zarządzania AGH w Krakowie z dnia r. oraz zleceniem Pana Prodziekana Wydziału Zarządzania w Krakowie prof. AGH dr hab. inż. Mariusza Kudełko w sprawie opracowania recenzji. 1. Aktualność tematyki pracy doktorskiej w aspekcie dyscypliny inżynieria produkcji Tematyka pracy dotyczy bardzo aktualnych i nowatorskich rozwiązań zagadnień naukowych i technicznych związanych z zapewnieniem stałych dostaw energii elektrycznej produkowanej przez różne jednostki wytwórcze z uwzględnieniem optymalnego zarządzania w obszarze podaży i popytu. Przedmiotowa praca, aczkolwiek zaliczana do dyscypliny inżynieria produkcji, ma charakter interdyscyplinarny, bowiem na bazie systemu elektroenergetycznego uwypukla wieloaspektowość problemów związanych z optymalizacją pracy źródeł energii elektrycznej, szczególnie w hybrydowym układzie odnawialnych źródeł energii połączonych z elektrownią szczytowo-pompową traktowaną jako magazyn energii. Z praktyki naukowej jak również inżynierskiej związanej z prowadzeniem czynności z zakresu dyspozycji ruchu systemu elektroenergetycznego wiadomym jest, iż optymalizacja jest zadaniem skomplikowanym, wymagającym olbrzymiego doświadczenia oraz bieżącego przewidywania skutków wynikających z założonych uproszczeń oraz przyjętych procedur w zakresie osiągnięcia wyznaczonego celu. Poruszona w pracy tematyka dotyczy bezpośrednio symulacji oraz optymalizacji układu złożonego z różnych źródeł energii. Opracowane modele symulacyjne mają za zadanie określenie charakterystyk pracy poszczególnych elementów oraz ich wzajemnej roli w rozpatrywanym układzie według przyjętych założeń - scenariuszy. Natomiast zadaniem optymalizacji jest określenie metody projektowania do wyznaczania mocy znamionowej instalacji 1

2 fotowoltaicznej oraz turbin wiatrowych, która pozwoli na zrealizowanie określonych funkcji celu. W rozprawie doktorskiej za funkcję celu przyjęto minimalizację wymiany energii pomiędzy układem źródeł PV-TW-ESP oraz korzystającym z nich odbiorcą a krajowym systemem elektroenergetycznym. Oznacza to w praktyce, iż wobec producenta energii elektrycznej pochodzącej z układu PV-TW-ESP zarówno konsument zużywający określony wolumen energii jak i operator systemu elektroenergetycznego stawiają pewne wymagania co do ilości i jakości dostarczonej energii. Recenzowana praca doktorska porusza zagadnienia zawarte w czterech następujących obszarach: Organizacja i zarządzanie produkcjami i usługami w pracy podjęto problem organizacji procesu wytwarzania energii pod kątem roli i zadań poszczególnych źródeł energii; Systemy wspomagania decyzji. Zarządzanie wiedzą produkcyjną w rozprawie przedstawiono modele matematyczne dla określonych pięciu scenariuszy służące do wspomagania w procesie podejmowania decyzji; Prognozowanie w przedsiębiorstwie. Modelowanie i symulacja komputerowa w dysertacji zbudowano model symulacyjny odwzorowujący proces produkcyjny polegający na wytwarzaniu energii elektrycznej w układzie hybrydowym typu PV-TW-ESP. Konstrukcja takiego modelu pozwala na dokonanie analizy roli poszczególnych elementów procesu/systemu oraz zbadanie wpływu poszczególnych zmiennych na kompleksowe funkcjonowanie w ujęciu globalnym; Optymalizacja łańcuchów dostaw i logistyka według Komitetu Inżynierii Produkcji (KIP) nacisk w tym obszarze położony jest na symulację i optymalizację przepływu materiałów (w przypadku recenzowanej pracy rolę materiałów przejmuje energia elektryczna krążąca w hybrydowym układzie organizacyjnym PV-TW-ESP) w celu dostarczenia i zaspokojenia odbiorcy w oczekiwane dobro. Należy również podkreślić, iż w pracy podjęto zagadnienie ciągłości procesu rozumiane tutaj jako ciągłość dostaw określonego wolumenu energii elektrycznej pojęcie niezawodności dostaw energii elektrycznej. 2. Charakterystyka i ocena merytoryczna rozprawy doktorskiej Rozprawa liczy łącznie 183 strony i podzielona została na pięć zasadniczych rozdziałów uzupełnionych spisem bibliograficznym (rozdział szósty) oraz załącznikiem będącym zbiorem uzyskanych wyników, który obejmuje 32 strony dla pięciu przyjętych scenariuszy do opracowanych modeli optymalizacyjnych. Cytowana literatura zamieszczona w spisie bibliograficznym zawiera 166 pozycji publikacji krajowych i zagranicznych, przepisów prawnych oraz stron www, w tym 6 publikacji Doktoranta: współautorskich - 5 i samodzielnych - 1. Przed rozdziałem "Wprowadzenie" Autor na pierwszych trzech stronach zamieszcza wykazy oznaczeń i skrótów oraz oznaczeń dla przyjętych modeli matematycznych. Dalej bardzo staranie prezentuje krótkie streszczenia napisane w języku polskim, angielskim i niemieckim. 2

3 Rozdział pierwszy to Wprowadzenie, w którym Autor na bazie krótkiego syntetycznego opisu integracji niedyspozycyjnych komplementarnych odnawialnych źródeł energii z krajowym systemem energetycznym współpracującym z magazynami energii (elektrowniami szczytowopompowymi) prezentuje cztery zasadnicze cele pracy, które stanowią fundament do udowodnienia postawionej hipotezy o brzmieniu: " Metoda przeglądu zupełnego wariantów umożliwi optymalizację mocy zainstalowanej słoneczno - wiatrowo - pompowego układu źródeł energii" (s.17). W rozdziale drugim zatytułowanym Część literaturowa", przedstawiony został stan wiedzy poświęcony opisowi pięciu najważniejszych rodzajów odnawialnych źródeł energii, ich współpracy z krajowym systemem elektroenergetycznym. Poruszona została problematyka wzajemnych uzupełnień w zakresie produkcji energii elektrycznej wraz z możliwościami jej magazynowania. Na szczególną uwagę zasługuje syntetyczna charakterystyka układów hybrydowych zebrana w postaci tabelarycznej (tabela 4, s.52 59), która w zwięzły sposób przedstawia stan badań układów hybrydowych typu niekonwencjonalne źródło energii - elektrownia szczytowo -pompowa (ESP). Przegląd literatury wykonano bardzo rzetelnie, wybierając pozycje najbardziej związane z tematyką rozprawy pochodzące w większości z ostatniego dziesięciolecia, co równocześnie dobrze świadczy o ugruntowanej wiedzy Doktoranta w dziedzinie nauki i praktyki objętej rozprawą. Przedmiotem badań rozdziału trzeciego zatytułowanego "Część modelowa" są zagadnienia, w których Autor koncentruje się w swoich rozważaniach nad opracowaniem matematycznych modeli decyzyjnych dla założonych pięciu scenariuszy pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną produkowaną przez różne źródła energii. Wcześniej dla określonych definicji uzysku energii elektrycznej z instalacji farmy wiatrowej i fotowoltaicznej analizuje teoretyczny przebieg uzysku i zapotrzebowania energii w układzie hybrydowym złożonym z PV-TW-ESP. W pracy zaprezentowane są schematy blokowe do obliczania: udziału generacji źródeł fotowoltaicznych i źródeł wiatrowych w pokryciu zapotrzebowania bieżącego oraz energii uzyskanej z instalacji PV (fotowoltaicznej) na potrzeby pracy pompowej układu hybrydowego ESP. Na bazie opracowanych modeli generacji i poboru energii elektrycznej przez odbiorców została zdefiniowana funkcja celu, jako kryterium optymalizacyjne przy ograniczeniu dopuszczalnego prawdopodobieństwa utraty zasilania (wzory 23 i 24 s. 75). W podrozdziale 3.7 opisuje zasadę metody przeglądu zupełnego, która umożliwia znalezienie rozwiązania optymalnego w procesach gdy liczba możliwych kombinacji jest niewielka i możliwe jest sprawdzenie ich wszystkich w skończonym czasie. Do analizy z uwzględnieniem tej metody wybiera układ PV-TW-ESP Żydowo o mocy do 167 MW. Danymi wejściowymi do symulacji wraz z optymalizacją pracy układu hybrydowego PV-TW-ESP były przebiegi zmian zapotrzebowania na energię elektryczna pozyskane od OSD RWE Stoen oraz PSE za okres lat od 2010 roku do 2015 roku, obliczonego nasłonecznienia z zastosowaniem sztucznej sieci neuronowej przy wykorzystaniu bazy danych platformy Solar Data Pro oraz prędkości wiatru posiłkując się danymi 3

4 pozyskanymi z platformy SoDa Pro. Na tej podstawie wykreślono przebiegi godzinowych zmian wartości nasłonecznienia oraz prędkości wiatru w latach Obszerną częścią pracy, bo zawierającą 41 stron i 40 rysunków, jest rozdział czwarty zatytułowany " Wyniki i dyskusja wyników". W rozdziale tym przedstawiono wyniki dla 82. różnych kombinacji szeregów czasowych zmiennych wejściowych oraz charakterystyk dla pięciu scenariuszy modelowych z uwzględnieniem trzech wartości współczynnika wykorzystania mocy znamionowej CF (odpowiednio: 20%, 30% i 40%). W celu weryfikacji efektywności zaproponowanych rozwiązań, Autor uwzględnił istnienie scenariusza odniesienia (PO), w którym nie przewidziano współpracy z krajowym systemem elektroenergetycznym a także z elektrownią szczytowo - pompową (ESP) traktowaną jako magazyn energii. Tak więc układ hybrydowy zmniejszył się do roli PV-TW. Stosując metodę przeglądu zupełnego Doktorant w wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych uzyskał optymalne rozwiązania dla wszystkich pięciu scenariuszy. Otrzymane wyniki zostały zebrane w postaci tabel oraz wykresów pokazujących procentowy udział poszczególnych źródeł energii (PV, TW, ESP) w zależności od parametru prawdopodobieństwa utraty zasilania (LOLP=0% i LOLP 5%) dla rozpatrywanych scenariuszy z uwzględnieniem współczynnika CF w pokryciu zapotrzebowania bieżącego na energię elektryczną. Dla scenariusza E, czyli tzw. pracy wyspowej, procentowe udziały różnych typów energii generowanych przez PV, TW i ESP z nadwyżką uzysku i jego deficytem zostały zilustrowane w postaci wykresów słupkowych. Podobny typ wykresów Doktorant przewidział dla pokazania bilansu energetycznego dla dwóch wariantów modelu zdeterminowanych ograniczeniem parametrycznym LOLP. Rozdział piąty to "Zakończenie", na który składają się trzy podpunkty: podsumowanie i wnioski, elementy oryginalne pracy i dalsze kierunki badań. W podsumowaniu i wnioskach Doktorant potwierdził udowodnienie postawionej hipotezy poprzez realizację zdefiniowanych zasadniczych celów pracy. Uzupełnieniem do uzyskanych wyników z rozdziału piątego jest "Załącznik do wyników" traktowany jako rozdział siódmy i stanowi zbiór tabel i rysunków pomocniczych przedstawiającymi m.in. graf przepływu energii w poszczególnych miesiącach roku na przestrzeni lat z uwzględnieniem stopnia ograniczenia LOLP na poziomie 0%. Pracę kończą spisy rysunków oraz tabel. Struktura rozprawy jest przemyślana i logicznie uporządkowana. Podział treści rozprawy na następujące po sobie spójne rozdziały odpowiada naturalnemu tokowi przeprowadzonych badań naukowych, co znakomicie ułatwia czytanie pracy. Rozprawa pod względem merytorycznym zasługuje na uznanie, bowiem zawiera wszystkie ważne elementy, które zdaniem recenzenta powinny być stawiane pracom doktorskim. Doktorant podjął się rozwiązania ważnego, istotnego i nowatorskiego problemu dla nauki i praktyki. Zaproponował autorską metodę rozważań teoretycznych zbudowanych na bazie modeli 4

5 matematycznych dla najbardziej prawdopodobnych scenariuszy pracy rozpatrywanych różnych źródeł energii elektrycznej. Wykonał mnóstwo obliczeń z wykorzystaniem nowoczesnych metod numerycznych. Sprecyzował konkretne wnioski i zalecenia, które z powodzeniem mogą być wdrożone do praktyki w zawodowej energetyce, pozwalające na optymalne sterowanie przepływami energii w określonym obszarze, na którym zlokalizowane są odnawialne źródła energii, elektrownie szczytowo - pompowe jak również sieć przesyłowa bądź dystrybucyjna operatorów systemów energetycznych. 3. Ocena strony redakcyjnej pracy Przedstawiona rozprawa doktorska należy do kategorii prac objętościowo obszernych, aczkolwiek skala i jakość poruszanych problemów wymusiła na Autorze odpowiednio dużą ilość komentarzy, opisów proponowanych modeli i scenariuszy, rysunków (łącznie 83) i tabel (łącznie 65). Bez wahania można stwierdzić, iż Doktorant zachował właściwy kompromis pomiędzy ścisłością i poglądowością w opisie skomplikowanych zagadnień, dzięki czemu pracę czyta się w sposób płynny z właściwym zrozumieniem. Bardzo dobrą ocenę można wystawić w zakresie opracowanej szaty graficznej pracy. Wszystkie rysunki i wykresy są wykonane bardzo starannie, dokładnie i czytelnie. 4. Oryginalny dorobek Autora Reasumując należy uznać, że zarówno wartość merytoryczna rozprawy, jak i jej kompleksowa kompozycja potwierdzają wysokie walory naukowe i techniczne dla opracowanych modeli matematycznych skonstruowanych na bazie proponowanych scenariuszy, symulacje komputerowe oraz wykonane bardzo szczegółowe analizy z zakresu stopnia wykorzystania generacji energii z farm wiatrowych i fotowoltaicznych, elektrowni szczytowo - pompowych i bilansów energetycznych w aspekcie pokrycia zapotrzebowania mocy przez odbiorców. W świetle powyższego za oryginalne osiągnięcia naukowe opiniowanej pracy doktorskiej uważam: 1. Analizę koncepcji pracy układu hybrydowego złożonego z niedyspozycyjnych ale komplementarnych względem krajowego systemu elektroenergetycznego źródeł energii elektrycznej (PV+TW) współpracującej z elektrownią szczytowo - pompową (ESP) traktowaną jako magazyn energii. Opracowanie pięciu zasadniczych scenariuszy ujmujących ich wzajemne przepływy energii w odniesieniu do bazowego stanu nazwanego punktem odniesienia. 2. Opracowanie modeli matematycznych dedykowanych do implementacji dowolnego środowiska programistycznego z uwzględnieniem funkcji celu pozwalającej na optymalizację pracy układu hybrydowego PV+TW+ESP do określenia procentowego udziału poszczególnych źródeł zasilania oraz przepływów energii elektrycznej dla określonych założeń ograniczających. 5

6 3. Zastosowanie metody przeglądu zupełnego jako przydatnego narzędzia do obliczeń optymalizacyjnych dla złożonych obiektów, jakim niewątpliwie jest układ połączeń i przepływu energii elektrycznej krążącej w układzie hybrydowym. 4. Interdyscyplinarny charakter pracy polegający na trafnym przeniesieniu problematyki energetycznej na obszar inżynierii produkcji, bowiem opracowane modele mogą i powinny zostać wdrożone do wspomagania decyzyjnego w procesie prognozowania w wytwarzaniu a także użytkowaniu energii elektrycznej w zależności od aktualnych potrzeb rynku energetycznego. 5. Opracowanie na bazie danych dostępnych w platformach Solar Data Pro i SoDa Pro godzinowych wartości nasłonecznienia i prędkości wiatru. Rozprawa doktorska świadczy pozytywnie o ugruntowanej wiedzy teoretycznej Autora i opanowaniu przez Niego warsztatu naukowego nie tylko w zakresie inżynierii produkcji ale także gospodarki elektroenergetycznej w zakresie prognozowania oraz optymalizacji przepływów bilansowych. Wykonane badania na podstawie opracowanych modeli symulacyjnych z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi komputerowych potwierdzają Jego przygotowanie do samodzielnego rozwiązywania trudnych zadań projektowych o charakterze innowacyjnym. 5. Uwagi ogólne i dyskusyjne W stosunku do treści i zakresu pracy doktorskiej opiniujący nie wnosi zasadniczych uwag natury merytorycznej. Nie mniej przy lekturze pracy nasunęło się kilka uwag, które wymagają wyjaśnienia w trakcie publicznej obrony: 1. Na podstawie jakich danych zostały wygenerowane przebiegi zmian mocy a nie energii (rys.25 s.63) w horyzoncie dobowym dla farmy fotowoltaicznej (PV), turbiny wiatrowej (TW) i zapotrzebowania? W jaki sposób została określona procentowa wartość (37 % s.63) zapotrzebowania na energię pokrytą z generacji PV i TW? 2. Czy prawdziwe jest stwierdzenie na stronie 65 dla scenariusza A w kontekście rys.27 " Od momentu wschodu (WS) do zachodu (ZS) Słońca, układ PV-TW-ESP musi zapewnic samowystarczalność energetyczną - tzn. w tym okresie nie jest przewidziany pobór energii z KSE"? 3. Scenariusz D charakteryzuje pracę wyspową w części doby od wschodu do zachodu słońca z wykorzystaniem źródeł PV i ESP. Scenariusz E charakteryzuje pracę wyspową źródła fotowoltaicznego i magazynu energii z elektrowni szczytowo - pompowej. Czy Doktorant celowo pominął w obu tych przypadkach generację z turbin wiatrowych ze względów na ich chaotyczny przebieg zmienności mocy? Jakie inne ważne problemy natury technicznej mogą ograniczać przepływy energii według takich konfiguracji? 4. Jak należy interpretować obszar w którym znajdują się źródła generacji hybrydowej PV- TW-ESP w połączeniu z KSE? Doktorant pisze o elektrowni szczytowo - pompowej Żydowo (s.77) znajdującej się w powiecie koszalińskim należącej do grupy kapitałowej ENERGA Wytwarzanie, turbinie wiatrowej w Płocku, farmie fotowoltaicznej (PV) w 6

7 miejscu bliżej nie określonym a zapotrzebowanie to godzinowy trend w Warszawie - Spółce STOEN (s.79). 5. Ile faktycznie wykonano kombinacji do obliczeń optymalizacyjnych? Na stronie 86. podana jest liczba 82, natomiast we wnioskach końcowych figuruje liczba 66 (s.129) a jeszcze inna wartość wynika z tabeli 13 na stronie Począwszy od strony 87 do strony 99 zostały pomylone numery tabel. Ponadto Autor w kilku miejscach nie uniknął niedopowiedzeń, bądź nie do końca dobrze sformułował myśli w ujęciu stylistycznym. Takich drobnych błędów w całej pracy jest nie wiele i zostały one omówione z Doktorantem. Wyszczególnione wyżej uwagi mają charakter dyskusyjny i nie mają większego znaczenia dla wartości merytorycznej pracy, którą oceniam bardzo wysoko. Rozprawa doktorska stanowi interesujące i oryginalne dzieło oparte o wyniki własnych analiz teoretycznych popartych obliczeniami modelowymi z wykorzystaniem metody przeglądu zupełnego. Cel pracy został osiągnięty, a zadania sformułowane w celu udowodnienia hipotezy pracy zostały wykonane. 6. Konkluzja Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska wnosi znaczący wkład do dyscypliny inżynieria produkcji w zakresie czterech obszarów wymienionych w punkcie pierwszym niniejszej recenzji. Biorąc pod uwagę wartość naukową i poznawczą rozprawy uważam, że w pracy doktorskiej pt. Optymalizacja mocy zainstalowanej w słoneczno - wiatrowo - pompowym układzie źródeł energii mgr inż. Jakub Jurasz samodzielnie rozwiązał bardzo ważny problem naukowy z obszaru dyscypliny inżynieria produkcji oraz wykazał się umiejętnościami wymaganymi dla uzyskania stopnia doktora nauk technicznych. Stwierdzam, że w świetle obowiązujących przepisów: Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. z 2003 r. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) oraz Rozporządzenia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 22 września 2011 r. w sprawie szczegółowego trybu i warunków przeprowadzania czynności w przewodach doktorskich, w postępowaniu habilitacyjnym oraz w postępowaniu o nadanie tytułu profesora (Dz. U. z 2011 r. nr 204, poz. 1200) praca spełnia wymagania stawiane rozprawom doktorskim i wnioskuję o dopuszczenie jej do publicznej obrony. Zważywszy na to, że praca spełnia moim zdaniem z nadmiarem kryteria stawiane rozprawom doktorskim, wnioskuję o jej wyróżnienie. 7