DOI: https://doi.org/10.1109/tsg.2024.3524550
تاريخ النشر: 2025-01-08
المؤلف: Nan Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: انبعاثات وكفاءة النقل البحري
نظرة عامة
تتناول هذه الورقة البحثية تخطيط وتشغيل الشبكات الدقيقة متعددة الطاقة للسفن (MESMs) في سياق السياحة البحرية الكبيرة، مع التأكيد على الحاجة إلى أنظمة طاقة فعالة من حيث التكلفة وموثوقة طوال فترة حياتها. يقترح المؤلفون طريقة تخطيط منسقة على مرحلتين تهدف إلى تعظيم القيمة الحالية الصافية (NPV) مع تقليل تكاليف الاستثمار في المشروع وتكاليف إمدادات الطاقة. تتضمن الطريقة نماذج تشغيل جديدة تأخذ في الاعتبار راحة العملاء الحرارية، والقصور الحراري، وتأثيرات العوامل البيئية مثل الأمواج والرياح، مما يعزز مرونة وواقعية عملية التخطيط. يتم استخدام نهج تحسين قوي (RO) لضمان عمليات آمنة للسفن وسط عدم اليقين.
تشير النتائج إلى أن طريقة تخطيط MESM المقترحة فعالة في تحقيق التشغيل الاقتصادي والآمن للسفن. تشمل الرؤى الرئيسية فوائد النظر في القصور الحراري وتوسيع نطاق درجات الحرارة المقبولة في أنظمة التدفئة/التبريد، مما يؤدي إلى تقليل التكاليف الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن دمج التأثيرات البيئية في نماذج الملاحة يحسن الاستقرار التشغيلي والسلامة. يعزز نهج RO أيضًا متانة عمليات MESM ضد عدم اليقين. ستركز الأبحاث المستقبلية على تطوير نماذج ربط متعددة الطاقة أكثر دقة، وتحسين إدارة مسارات السفن من أجل الكفاءة الاقتصادية، واستغلال التعلم الآلي للتخطيط والتشغيل الذكي بناءً على البيانات التاريخية.
النتائج
تظهر نتائج المحاكاة فعالية نظام جدولة الطاقة المقترح في أسوأ السيناريوهات، كما هو موضح في الشكل 8. يتم تلبية الطلبات على الطاقة الحرارية بواسطة أنظمة تكييف الهواء (AC) وغلايات تسخين المياه (WHB)، بينما يوفر محول الطاقة (EC) ووسادة الطاقة (EB) طاقة تعويضية بسبب قدراتهما المرنة في الإنتاج. يتم استخدام نظام التخزين الحراري (TS) بشكل أساسي لتخزين وإطلاق الطاقة الحرارية، على الرغم من كفاءته المنخفضة في التخزين التبريدي مقارنةً بـ EC، كما هو موضح في الأشكال 8(a) و8(b).
يستوعب النظام الكهربائي أحمالًا متنوعة، بما في ذلك التبريد والتدفئة، مع تشغيل وحدات التبريد والتدفئة والطاقة المشتركة (CCHP) بشكل مستمر بكفاءة عالية. تحافظ هذه الوحدات على الحد الأدنى من إنتاج الطاقة أثناء التوقف في الميناء، معتمدة على الطاقة الساحلية، بينما تعمل مولدات الديزل (DG) كاحتياطي أثناء الملاحة عالية السرعة عندما يكون إنتاج CCHP غير كافٍ. تخزن كل من أنظمة البطاريات (BT) وTS الطاقة أثناء التوقف في الميناء لاستخدامها أثناء الإبحار، كما هو موضح في الشكل 8(c). المعلمات الملاحية، بما في ذلك السرعة والمسافة، مرنة ولكنها مقيدة، مما يسمح بجدولة ديناميكية للأحمال الدافعة لتحسين استخدام الطاقة وتقليل التكاليف التشغيلية. تشير النتائج إلى إدارة متوازنة للأحمال الكهربائية والتبريد والتدفئة طوال الرحلة، مما يثبت فعالية منهجية تخطيط إدارة النظام متعدد الطاقة (MESM).
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في الورقة البحثية التعقيدات والاعتبارات المتعلقة بتخطيط وتشغيل الشبكات الدقيقة متعددة الطاقة للسفن (MESMs). يبرز تكامل مصادر الطاقة المختلفة، بما في ذلك المولدات الموزعة، وأنظمة تخزين الطاقة، وإدارة الطاقة الحرارية، مع التأكيد على إمكانياتها في تحقيق وفورات في التكاليف وتقليل انبعاثات الكربون. تنتقد الورقة الدراسات الحالية لتركزها بشكل أساسي على استراتيجيات التشغيل قصيرة الأجل مع إغفال التخطيط طويل الأجل والتأثير الكبير لعدم اليقين البيئي، مثل ظروف الأمواج والرياح، على الملاحة وإدارة الطاقة للسفن.
لمعالجة هذه الفجوات، يقترح المؤلفون طريقة تخطيط منسقة قوية على مرحلتين تأخذ في الاعتبار عدم اليقين في الملاحة البحرية والقصور الحراري. تهدف هذه الطريقة إلى تحسين تكوين المولدات الموجودة على متن السفن وأنظمة تخزين الطاقة على مدى فترات زمنية ممتدة، مما يعزز الجدوى الاقتصادية وموثوقية التشغيل لـ MESMs. تستخدم الطريقة المقترحة تقنيات تحسين قوية لضمان عمليات آمنة في أسوأ السيناريوهات، مما يحسن في النهاية مرونة أنظمة الطاقة البحرية بشكل عام. تشمل مساهمات الورقة إطار عمل شامل للنمذجة يأخذ في الاعتبار التنسيق بين الطاقة الكهربائية والحرارية، بهدف تعزيز مرونة وكفاءة العمليات البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1109/tsg.2024.3524550
Publication Date: 2025-01-08
Author(s): Nan Yang et al.
Primary Topic: Maritime Transport Emissions and Efficiency
Overview
This research paper addresses the planning and operation of multi-energy ship microgrids (MESMs) in the context of large cruise tourism, emphasizing the need for cost-effective and reliable energy systems throughout their lifespan. The authors propose a two-stage coordinated planning method aimed at maximizing the Net Present Value (NPV) while minimizing project investment and energy supply costs. The method incorporates novel operational models that account for customer thermal comfort, thermal inertia, and the impacts of environmental factors such as waves and wind, thereby enhancing the flexibility and practicality of the planning process. A robust optimization (RO) approach is utilized to ensure safe vessel operations amidst uncertainties.
The findings indicate that the proposed MESM planning method is effective in achieving economic and safe vessel operation. Key insights include the benefits of considering thermal inertia and expanding the acceptable temperature range in heating/cooling systems, which leads to reduced total costs. Additionally, integrating environmental effects into navigation models improves operational stability and safety. The RO method further enhances the robustness of MESM operations against uncertainties. Future research will focus on developing more precise multi-energy coupling models, optimizing ship route management for economic efficiency, and leveraging machine learning for intelligent planning and operation based on historical data.
Results
The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed energy scheduling system under worst-case scenarios, as depicted in Figure 8. The thermal energy demands are met by the air conditioning (AC) and water heating boiler (WHB) systems, while the energy converter (EC) and energy buffer (EB) provide compensatory power due to their flexible output capabilities. The thermal storage (TS) system, despite its lower cooling storage efficiency compared to the EC, is primarily utilized for the storage and release of thermal energy, as illustrated in Figures 8(a) and 8(b).
The electrical system accommodates various loads, including refrigeration and heating, with combined cooling, heating, and power (CCHP) units operating continuously at high efficiency. These units maintain minimum power output during port stays, relying on shore power, while diesel generators (DG) serve as backup during high-speed navigation when CCHP output is inadequate. Both battery (BT) and TS systems store energy during port stays for use during cruising, as shown in Figure 8(c). The navigation parameters, including speed and distance, are flexible yet constrained, allowing for dynamic scheduling of propulsion loads to optimize energy use and minimize operational costs. The results indicate a balanced management of electrical, cooling, and heating loads throughout the voyage, validating the effectiveness of the multi-energy system management (MESM) planning methodology.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the complexities and considerations involved in the planning and operation of Multi-Energy Ship Microgrids (MESMs). It highlights the integration of various energy sources, including distributed generators, energy storage systems, and thermal energy management, emphasizing their potential for cost savings and reduced carbon emissions. The paper critiques existing studies for primarily focusing on short-term operational strategies while neglecting long-term planning and the significant impact of environmental uncertainties, such as wave and wind conditions, on vessel navigation and energy management.
To address these gaps, the authors propose a two-stage coordinated robust planning method that incorporates uncertainties in ship navigation and thermal inertia. This approach aims to optimize the configuration of onboard generators and energy storage systems over extended timescales, thereby enhancing the economic viability and operational reliability of MESMs. The proposed method utilizes robust optimization techniques to ensure safe operations under worst-case scenarios, thereby improving the overall resilience of maritime energy systems. The paper’s contributions include a comprehensive modeling framework that accounts for both electrical and thermal energy coordination, ultimately aiming to enhance the flexibility and efficiency of maritime operations.