Managing multiple interconnected energy production systems

Multiple interconnected energy production systems are a common solution to satisfy the energy demand of industrial processes. Such energy demand is usually the combination of various energy types such as heat and electricity. This implies the installation of different technologies able to produce one or multiple energy types, to satisfy all energy needs. However, multiple interconnected energy production systems may be extremely challenging from a management point of view. The aim of this thesis is to propose optimization models and algorithms for the management of multiple interconnected energy systems. We proposed optimization models for both operational and tactical production planning. We developed a progressive approach, starting with a basic operational model for production scheduling, based on the final consumer's demand and on the electricity market price. We then included a piecewise linearization of the electric efficiency variation curve, accurately describing the impact of load and inlet air temperature inside the compressor on the electric efficiency of the combined heat and power plant (CHP). Subsequently, we implemented the tactical management model to include also the maintenance operations' scheduling phase of the CHP plant. Specifically we considered two types of cleanings operations, i.e., online cleaning and offline cleaning.. The operational model's development is considered functional to achieve the tactical management model for the maintenance operations' scheduling. The models were solved by a general purpose solver on a specific case of study, with three facilities (one CHP plant and two Dual Fuel boilers). Compared to the operational basic model, the results found on electric efficiency variations are more in line with the company’s decisions. This improvement is evident when observing the natural gas consumption, that is more realistic. The resulting profits are 7.82% lower than those obtained by the operational basic model. Moreover, developing a tactical management model for maintenance operations' scheduling led to more realistic results, with an estimated profit of 10.66% lower with respect to the operational model with electric efficiency variations. Therefore, we conclude that in order to make decisions in the tactical planning horizon, the maintenance of the CHP plant is crucial. Furthermore, given the challenge in solving the tactical management model, we proposed a heuristic algorithm to decrease the computation time of the tactical management model, reaching a difference in terms of profit of 3.61%. This result opens the possibility to extend the time range of the tactical management model from one year to several years, giving the chance to increase the decision making time interval for the plant's operator.

I sistemi interconnessi di multipla produzione di energia sono una soluzione comune per soddisfare la richiesta energetica di processi industriali. Tale richiesta energetica solitamente è la combinazione di varie tipologie di energia come calore ed elettricità. Ciò implica l'installazione di differenti tecnologie, capaci di produrre solo una o multiple tipologie di energia, per soddisfare tutte le richieste energetiche. Tuttavia, i sistemi interconnessi di multipla produzione di energia possono essere estremamente impegnativi da un punto di vista manageriale. Lo scopo di questa tesi è di proporre dei modelli di ottimizzazione e degli algoritmi, per la gestione dei sistemi interconnessi di multipla produzione di energia. Abbiamo proposto dei modelli di ottimizzazione per la pianificazione sia operativa che tattica della produzione. Abbiamo sviluppato un approccio progressivo, iniziando con un modello operativo di base per la pianificazione della produzione, basato sulla domanda dell'utilizzatore finale e sul prezzo di mercato dell'elettricità. Abbiamo poi incluso una linearizzazione a tratti della curva di variazione dell'efficienza elettrica, descrivendo accuratamente l'impatto del carico e della temperatura dell'aria in ingresso al compressore, sull'efficienza elettrica dell'impianto in cogenerazione. Successivamente, abbiamo implementato un modello di gestione tattica, per includere anche la fase di programmazione delle operazioni di manutenzione dell'impianto in cogenerazione. Nello specifico abbiamo considerato due tipi di operazioni di lavaggio (online e offline). Lo sviluppo del modello operativo è considerata funzionale, per arrivare al modello di gestione tattica per la programmazione delle operazioni di manutenzione. I modelli sono stati risolti attraverso un risolutore di uso generale su uno specifico caso studio, con tre impianti ( un impianto in cogenerazione e due caldaie Dual Fuel). Comparati al modello operativo di base, i risultati trovati sulla variazione di efficienza elettrica sono più in linea con le decisioni dell'azienda. Questo miglioramento è evidente osservando il consumo di gas naturale, che risulta più realistico. I profitti risultano essere minori del 7.82% rispetto a quelli ottenuti dal modello operativo di base. Inoltre, lo sviluppo del modello di gestione tattica per la programmazione delle operazioni di manutenzione, ha portato a risultati più realistici, con un profitto stimato minore del 10.66% rispetto al modello operativo con variazioni di efficienza elettrica. Pertanto concludiamo che, in modo da prendere decisioni nel periodo di programmazione tattica, la manutenzione dell'impianto in cogenerazione è cruciale. Oltretutto, data la difficoltà nel risolvere il modello di gestione tattica, abbiamo proposto un algoritmo euristico per diminuire il tempo computazionale del modello di gestione tattica, raggiungendo un differenza in termini di profitto del 3.61%. Questo risultato apre la possibilità di estendere il periodo di tempo del modello di gestione tattica da un anno a diversi anni, dando la possibilità di aumentare l'intevallo di tempo decisionale per il gestore dell'impianto.