RECENZJA. Podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Zarządzania Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie z dnia r.

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Józef Gawlik Politechnika Krakowska Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych RECENZJA Rozprawy doktorskiej mgra inż. Jakuba Jurasza nt.: Optymalizacja mocy zainstalowanej w słoneczno-wiatrowo-pompowym układzie źródeł energii Promotor: dr hab. inż. Jerzy Mikulik, prof. AGH Promotor pomocniczy: dr inż. Bartosz Sawik Podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Zarządzania Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie z dnia r. 1. Zakres i charakterystyka rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa obejmuje 183 strony, a w tym: 2 strony spisu treści, 1 stronę wykazu oznaczeń i skrótów, 2 strony oznaczeń dla modeli matematycznych, 6 stron streszczeń (w j. polskim, j. angielskim i j. niemieckim), 11 stron wykazu bibliografii (166 pozycji), 14 stron spisu literatury (195 pozycji), 32 stron załączników (z wynikami badań i komentarzami dotyczącymi scenariuszy różnych wariantów rozwiązań), 5 stron spisu rysunków (zestawienie zawiera 83 rysunki) oraz 3 strony wykazu tabel ( zestawienie zawiera 65 tabel). Praca składa się z 5 rozdziałów. We wprowadzeniu rozdział 1, Autor rozprawy syntetycznie ujmuje główne aspekty zarządzania systemami energetycznymi we współczesnej gospodarce, w której rozwojowi konwencjonalnych źródeł energii towarzyszą niekonwencjonalne źródła (Odnawialne Źródła Energii OZE), wykorzystujące ruch mas powietrza (elektrownie wiatrowe), energię potencjalną wód (elektrownie wodne), czy też promieniowanie słoneczne (fotowoltaika). Jednakże systemy energetyczne wykorzystujące OZE na ogół nie mają możliwości korzystania z międzynarodowych mostów energetycznych, które mogą zapewnić dopływ energii w przypadku braku ich zasilania z niedyspozycyjnych źródeł odnawialnych (problem zmienności siły wiatru, przepływu wody czy też braku nasłonecznienia). Dlatego też podjęcie przez Autora rozprawy problemu integracji niedyspozycyjnych źródeł odnawialnych energii z Krajowym Systemem Energetycznym w oparciu o układy hybrydowe, współpracujące z magazynem energii oraz wykorzystanie koncepcji czasowej komplementarności źródeł generacji wiatrowej i słonecznej jest w pełni uzasadnione. Obecny rozwój energetyki rozproszonej zmierza w kierunku modelu prosumenckiego, tj. takiego, w którym konsument staje się także producentem energii elektrycznej. W takim systemie sformułowany cel pracy, którym jest "... optymalizacja mocy zainstalowanej pojedynczego układu hybrydowego typu instalacja fotowoltaiczna turbina wiatrowa elektrownia szczytowo-pompowa (PV-TW-ESP), zasilającego wybraną grupę odbiorców dla założonych scenariuszy współpracy takiego układu z siecią elektroenergetyczną uznaję za trafnie sformułowany. Uwaga 1: wg mnie symulacja (s.16) jest w tym przypadku sposobem (narzędziem) do osiągnięcia założonego celu, a nie celem samym w sobie. 1

2 W świetle tak określonego celu pracy Autor rozprawy sformułował hipotezę: metoda przeglądu zupełnego wariantów umożliwi optymalizację mocy zainstalowanej słonecznowiatrowo-pompowego układu źródeł energii. Hipoteza została sformułowana poprawnie, natomiast uważam, że cele główne to są zadania, które należy rozwiązać do zweryfikowania postawionej hipotezy badawczej (główny cel pracy został już zdefiniowany wcześniej na str. 16). W rozdziale 2 (s.18 s.59) Doktorant przedstawia stan wiedzy na podstawie analizy literatury w aspekcie hybrydowych układów wykorzystujących niedyspozycyjne źródła energii. Odnawialne źródła energii bazują na pierwotnych źródłach, tj.: słońcu, ruchu i potencjale grawitacyjnym Słońca, księżyca oraz Ziemi, energii geotermalnej, sterowanych przez człowieka reakcjach jądrowych i reakcjach chemicznych, zachodzących w surowcach mineralnych. Stan techniki i technologii: hydroenergetyka, energetyka geotermalna i pompy ciepła, energetyka biomasowa, energetyka wiatrowa, energetyka słoneczna umożliwiają pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych. Syntetycznie ujął to Doktorant na rys.1, a bliższą ich charakterystykę oraz problemy związane z dostępnością tych źródeł przedstawił w pracy (s.19 s.30). Zagadnieniem o istotnym znaczeniu jest integracja odnawialnych źródeł energii (OZE) z krajowym systemem energetycznym (KSE). Rozwiązanie tego złożonego i merytorycznie obszernego problemu wiąże się z projektowaniem i zarządzaniem pracą systemów elektroenergetycznych z udziałem niedyspozycyjnych OZE. Szczegółowe zadania związane z tym problemem przedstawił Doktorant w rozprawie (s.35 s.36.) Za istotne z punktu widzenia tematyki i zakresu rozprawy doktorskiej przyjął dwa z nich, tj.: budowę układów bazujących na czasowej komplementarności źródeł energii (np. promieniowanie słoneczne i energia wiatru) oraz sterowalnych źródeł energii w celu uzupełniania deficytów na linii: zapotrzebowanie generacja słoneczna lub wiatrowa; magazynowanie energii elektrycznej w miejscu jej generowania za pomocą akumulatorów różnej technologii, wodoru, stopionej soli, sprężonego powietrza, elektrowni szczytowo-pompowych oraz kół zamachowych. Te dwa wybrane zagadnienia, tzn. komplementarność źródeł energii oraz magazynowanie energii (s.36 s.49) zostały głębiej przeanalizowane i uzupełnione o własne opracowania Autora rozprawy (tab.1 tab.3 oraz rys.19 rys.22). Poprawę niezawodności układów energetycznych zasilanych przez OZE można osiągnąć stosując układy hybrydowe. Dobór urządzeń wytwórczych w układzie hybrydowym musi (lub powinien) zapewniać ich komplementarność, tzn., że niedobór zasilania w jednym powinien być skompensowany przez drugie, współpracujące z nim. Te zagadnienia przedstawia Doktorant w rozprawie (s.49 s.59), przy czym szczególnie wyróżniam w tej analizie syntetyczne opracowanie zawarte w punkcie 2..3, które dotyczy układów hybrydowych. Oceniając tę część rozprawy doktorskiej stwierdzam, że analiza literatury została przeprowadzona w sposób systematyczny i przemyślany, na poziomie potwierdzającym bardzo dobre przygotowanie mgr. inż. J. Jurasza do zrealizowania własnej koncepcji badań. 2

3 Zasadnicza część własnych opracowań Autora rozprawy została zawarta w rozdziale 3 część modelowa i w rozdziale 4 wyniki i ich dyskusja. Do zrealizowania zaproponowanych wcześniej zadań badawczych mgr inż. J. Jurasz wytypował układ hybrydowy PV-TW-ESP składający się z instalacji fotowoltaicznej (PV), turbiny wiatrowej (TW) oraz elektrowni szczytowo-pompowej (ESP). W pierwszym rzędzie poddał analizie uzysk energii elektrycznej z poszczególnych zespołów (rys.23 rys.25 oraz zależności 4-5), a schemat przepływu energii w strukturze układu hybrydowego z uwzględnieniem sieci elektroenergetycznej zaprezentował na rys. 26. Następnie Doktorant poddał szczegółowej analizie sześć scenariuszy współpracy układów hybrydowych. W tych scenariuszach zostały uwzględnione różne kombinacje realnego generowania energii w hybrydowym układzie PV-TW-ESP. Przykładowe wykresy skumulowanego pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla tych scenariuszy zostały przedstawione na rys.27 rys.31. Nie omawiam ich tu szczegółowo, ponieważ Doktorant przedstawił je w sposób zwięzły, a równocześnie wyczerpujący na potrzeby matematycznego modelowania. Istotne jest też przedstawienie koncepcji scenariusza PO punkt odniesienia, dla którego brak jest założenia odnośnie do z góry ustalonego charakteru współpracy układu PV-TW-ESP. Podstawą do dalszej analizy są modele symulacyjne (s.69 s.77) dla poszczególnych scenariuszy. Śledząc sformułowane założenia w modelu optymalizacyjnym i tok postępowania w procedurze optymalizacyjnej (zależności 23-41) wraz ze schematami blokowymi (rys.32 - rys.34) stwierdzam, że zostały one poprawnie zdefiniowane Do wyznaczenia optymalnej wartości mocy znamionowej systemu energetycznego składającego się z instalacji fotowoltaicznej oraz turbin wiatrowych o określonej mocy znamionowej, dla kryterium: minimum sumy wymiany energii z zewnętrzną siecią energetyczną oraz ograniczeniu prawdopodobieństwa wystąpienia deficytu energii poniżej założonej wartości dopuszczalnej Doktorant zaproponował metodę przeglądu zupełnego. Uważam, że był to właściwy wybór, gdyż liczba możliwych wariantów mocy znamionowej instalacji fotowoltaicznej i turbin wiatrowych jest ograniczona (wynosi ona 7308). Dane do obliczeń zostały wykorzystane z lat 2010 i 2015 (rys.35 i rys.36) w postaci szeregów czasowych, których parametry statystyczne są zestawione w tab.5. Po normalizacji wartości szeregów czasowych do przedziału [0,1] (wzór 42), ponownie zostały wyznaczone parametry statystyczne szeregów (tab.6.) Podobne analizy zostały wykonane dla nasłonecznienia i prędkości wiatru za okres lat Uwaga 2: w tab.7 pojawiają się dane dot. struktury i parametrów zastosowanej sieci neuronowej, o 16-tu wielkościach wejściowych, a ponieważ jest to sieć autorska Doktoranta, warto by podać nieco więcej informacji na ten temat. W rozdziale 4 Doktorant analizuje wyniki badań optymalizacyjnych dla różnych scenariuszy, uzyskane na podstawie kombinacji szeregów czasowych wietrzności oraz zapotrzebowania na moc (przykład struktury tych kombinacji przedstawia rys.41.) Optymalizacja była przeprowadzona dla 82 kombinacji zmiennych wejściowych i charakterystyk modelu (s.86 s.127). W modelach symulacyjnych, jako dane wejściowe, Doktorant wprowadził: parametry w postaci szeregów czasowych godzinowego zapotrzebowania na energię elektryczną, dane dotyczące nasłonecznienia oraz prędkości wiatru; 3

4 dodatkowe parametry (tab.12), tj.: sprawność pracy ESP dla trybu pracy pompowej i generatorowej; sprawność całkowitą instalacji fotowoltaicznej; stały wolumen energii pobieranej z sieci; dopuszczalne prawdopodobieństwo utraty zasilania; natężenie promieniowania słonecznego w warunkach standardowych; prędkość startową pracy turbiny wiatrowej; prędkość, dla której turbina osiąga moc znamionową; prędkość, przy której po jej przekroczeniu turbina jest wyłączana; wielomian aproksymujący moc uzyskiwaną przez turbinę wiatrową dla prędkości z założonego przedziału; wysokość, dla której dokonano pomiaru prędkości wiatru; wysokość osi łopat turbiny wiatrowej; maksymalną, dopuszczalną ilość energii wykorzystanej do pracy pompowej w określonej chwili. To zestawienie danych wejściowych ukazuje złożoność analizowanego modelu. Na podstawie wytypowanego, optymalnego rozwiązania z zastosowaniem metody przeglądu zupełnego, dla każdego ze scenariuszy Autor rozprawy przedstawił i wyczerpująco skomentował wyniki dotyczące: mocy zainstalowanej w PV oraz TW; stopnia wykorzystania generacji źródeł wiatrowych oraz słonecznych i stosunku do uzysku całkowitego danego źródła w analizowanym okresie; bilansu energetycznego dla wybranych dwóch wariantów modelu; udziału PV, TW, ESP, KSE w pokrywaniu zapotrzebowania oraz powstającej nadwyżki energii. Warunkiem poprawnego funkcjonowania zaproponowanego układu PV-TW-ESP i jego współpracy z KSE jest: ograniczenie wpływu źródeł niedyspozycyjnych na nieplanowaną wymianę energii z siecią, a więc tworzenie dodatkowego popytu i podaży energii elektrycznej; zwiększenie udziału źródeł generacji słonecznej oraz wiatrowej w pokrywaniu zapotrzebowania na energię elektryczną, przy jednoczesnym dotrzymaniu założonych ograniczeń. Obliczone parametry statystyczne planowanej wymiany energii z KSE zostały zestawione w tab.16. Do oceny zmienności szeregów czasowych o różnych średnich Doktorant zaproponował współczynnik zmienności (wzór 46), ale co jest istotne, wskazał też na problem jego wiarygodności w przypadku, gdy wartość średniej zmierza do zera. Przepływy energii dla różnych wariantów są zawarte w załącznikach: scenariusz A (rys.81 - rys.82 oraz tab.17 tab.28); scenariusz B (rys.83 oraz tab.29 tab.40); scenariusz C (rys. 84 oraz tab.41 tab.52); scenariusz D (rys.85 oraz tab.53 tab.64); scenariusz E (rys.86); scenariusz punkt odniesienia - PO (rys.87). W rozdziale 5 zakończeniu zostały przedstawione wnioski, które wynikają z przeprowadzonych badań i analiz. Doktorant sformułował szereg tych wniosków i uwag (s.128 s.130), wskazał na oryginalne osiągnięcia (s.130 s.132) oraz zaproponował kierunki dalszych badań. Dowodzi to głębokiej znajomości podjętej problematyki badawczej, a równocześnie świadomości, że wyłaniają się kolejne zagadnienia do wyjaśnienia. Trafnie więc stwierdza, że: proponowane badania powinny zarówno koncentrować się na rozważaniach teoretycznych, jak i uwzględniać możliwość stworzenia w ramach polskiego systemu elektroenergetycznego małego pokazowego układu typu PV-TW-ESP oraz zbadania jego właściwości i charakterystyki pracy w warunkach rzeczywistych. 4

5 Uwaga 3: na str.128 Doktorant pisze, że opracowane modele symulacyjne, a następnie model optymalizacyjny pozwoliły na zastosowanie metody przeglądu zupełnego, która gwarantuje uzyskanie rozwiązania optymalnego. Pytanie: czy to oznacza, że tylko takie modele: symulacyjny i optymalizacyjny umożliwiają stosowanie metody przeglądu zupełnego w celu uzyskania rozwiązania optymalnego? 2. Ocena metodologicznej i metodycznej koncepcji rozprawy doktorskiej Na podstawie przedstawionej syntetycznej analizy rozprawy doktorskiej oraz procedury rozwiązywania postawionych zadań badawczych, metodologiczną i metodyczną koncepcję tej pracy oceniam w pełni pozytywnie. Zawiera ona poprawną i gruntowną, wg mnie, merytoryczną analizę problemu wykorzystania odnawialnych źródeł energii w krajowym systemie energetycznym. Doktorant jednoznacznie wskazuje na możliwości oraz ograniczenia w tym zakresie. O odpowiednim przygotowaniu Autora rozprawy do prowadzenia prac badawczych świadczą: rzeczowa, obszerna i merytoryczna analiza oraz synteza literatury, poprawne wykorzystanie wiedzy z zakresu planowania i organizacji badań, opracowanie odpowiednich modeli matematycznych i oprogramowania do badań symulacyjnych oraz pogłębiona analiza i ocena uzyskanych wyników ze wskazaniem możliwości praktycznego ich zastosowania. Za oryginalny i ważny pod względem naukowym oraz utylitarnym wkład Doktoranta w rozwiązanie postawionego problemu badawczego uznaję: sformułowanie matematycznych modeli do określenia bilansu energetycznego dla różnych wariantów układu: instalacja fotowoltaiczna- turbina wiatrowa - elektrownia szczytowo-pompowa (PV-TW-ESP) oraz modeli symulacyjnych; sformułowanie ograniczeń i modelu optymalizacyjnego do wyboru racjonalnego wariantu układu PV-TW-ESP w połączeniu go z krajowym systemem energetycznym (KSE); przeprowadzenie obszernych badań symulacyjnych pracy hybrydowego układu PV-TW-ESP z zastosowaniem matematycznego modelu programowania całkowitoliczbowego-binarnego; wykazanie możliwości optymalnego udziału niedyspozycyjnych, odnawialnych źródeł energii (OZE) w pokrywaniu zapotrzebowania na energię przy jednoczesnej minimalizacji nieplanowanej wymiany energii z KSE; wykazanie kluczowej roli magazynów energii w zwiększaniu wykorzystania energii z instalacji fotowoltaicznych i turbin wiatrowych w miejscu jej produkcji. Podsumowując stwierdzam, że zadania badawcze, które podjął Doktorant uzupełniają wiedzę w zakresie rozwoju i zastosowania metod analizy układów przemysłowych, a w szczególności zarządzania hybrydowymi systemami energetycznymi. Syntetyczne przedstawienie dokonań mgra inż. Jakuba Jurasza upoważnia mnie do wyrażenia opinii, że zastosowane metody i procedury symulacyjne oraz uzyskane efekty świadczą o szerokiej wiedzy oraz umiejętności analizy i syntezy złożonych problemów badawczych, a co jest równie ważne, nakierowanych na praktyczne ich zastosowania w gospodarce. 5

6 Opracowanie edytorskie rozprawy jest na bardzo dobrym poziomie (w tekście dostrzegłem zaledwie kilka pomyłek literowych w niektórych wyrazach). 3. Ocena końcowa rozprawy doktorskiej Przedstawiona rozprawa doktorska należy do aktualnego i ważnego dla gospodarki kraju obszaru badawczego, związanego z rozwojem i wdrażaniem nowych rozwiązań lokalnych układów energetycznych. Mgr inż. Jakub Jurasz potwierdził, że opanował na bardzo dobrym poziomie współczesne metody organizacji badań i właściwe dla nich narzędzia informacyjne, służące do rozwiązywania złożonych, wielowariantowych problemów badawczych. Opiniowana rozprawa doktorska, mieszcząca się w dyscyplinie inżynieria produkcji posiada oryginalne cechy nowości i znaczące walory utylitarne. Biorąc pod uwagę uzyskane efekty i wysoki poziom opracowania rozprawy wnioskuję o rozważenie jej wyróżnienia. Na podstawie przedstawionej analizy stwierdzam, że rozprawa doktorska mgra Jakuba Jurasza nt.: Optymalizacja mocy zainstalowanej w słoneczno-wiatrowopompowym układzie źródeł energii spełnia wymagania ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (ustawa z dnia 14 marca 2003 r., tekst ujednolicony z dnia 29 września 2014 r. wraz z późniejszymi rozporządzeniami) i wnoszę o dopuszczenie jej Autora do publicznej obrony. Kraków, dnia 29 sierpnia 2016 r. 6