Napredno energetsko planiranje pametnih otoka

Climate change represents one of the greatest challenges of our time. Human activity is causing global temperature to rise and failure to act swiftly and efficiently on this issue will result in irreversible consequences. European union has recognised this and set ambitious goals for tackling this issue. The role of geographical islands is also recognised in the European union legislation. Thus, many studies deal with the analysis of energy systems on islands and offer solutions for their energy transition. The main objective of this thesis is to show that the transition of energy systems on islands to fully renewable is possible and that it is possible to quantify the risks of energy planning scenarios on islands. Additionally, the objectives of this thesis are to provide new models and methods for design of the smart energy systems on the islands. For this purpose, the Smart Islands method that automatically generates energy planning scenarios for islands and that considers seven different sectors was developed. The method bases its results on the indexation method with quantified indicators developed it the scope of this thesis and on the linear optimization model that minimizes the investment cost of the energy planning scenarios on islands. In order to quantify the risk of the energy planning scenarios for islands, a method based on the probability of outages and the damage caused by particular outage was developed. The multiplication of the outage probability and damage results in risk vectors that quantifies the risk of each energy planning scenario. Novel models and methods for the demand response, maritime transport electrification, detailed spatio-temporal modelling soft-linked to the power flow, participation of flexibility providers in the joint energy and reserve network-constrained markets were developed and tested on islands. Models and methods are based on different formulations of the optimization problem and also include different sensitivity and well as uncertainty management methods such as robust optimization and Monte Carlo method. The results of the study showed that it is possible to design fully renewable systems on islands with defined type and capacities of technologies that meet local needs with local resources. It was also shown that the integration of different flows results in increased flexibility in the energy system. The results also showed that it is possible to quantify the risk level of energy planning scenarios for islands and that increased penetration of renewable energy sources and flexibility sources lead towards lower levels of risk. Additionally, the results showed that spatial distribution can have a significant impact on the energy system modelling. Finally, the results showed that different solutions that increase the flexibility of the island energy systems such as energy storage systems, cross-sector integration and different market frameworks can increase the possibility for the integration of the renewable energy sources and reduce the overall cost of the island energy systems.Klimatske promjene su danas prepoznate kao jedna od najozbiljnijih prijetnja čovječanstvu. Kontinuirana emisija stakleničkih plinova dovodi do povećanja prosječne temperature koja posljedično može dovesti do nepovratnih negativnih promjena. Iako su klimatske promjene već odavno prepoznate kao prijetnja, konkretnije djelovanje u svrhu sprječavanja klimatskih promjena je nastupilo tek u devedesetim godinama prošlog stoljeća. Tek su se Pariškim sporazumom 2015. godine zemlje svijeta obvezale poduzeti akcije u svrhu sprječavanja porasta temperature. Znanstvenici se slažu da bi porast prosječne temperature od 2 °C predstavljao točku u kojoj bi nastupile nepovratne negativne posljedice te postoji jasan konsenzus da je sprječavanje takvog porasta moguće jedino provođenjem ubrzane dekarbonizacije svih sektora. Europska Unija je prepoznala važnost djelovanja po pitanju klimatskih promjena te je definirala tzv. 20-20-20 ciljeve za 2020. godinu. Ti ciljevi uključuju smanjenje emisija ugljikovog dioksida za 20% u odnosu na 1990. godinu, 20% povećanja obnovljivih izvora energije u ukupnoj potrošnji energije te povećanje energetske efikasnost za 20% te su ti ciljevi u velikom broju država članica ispunjeni. Nedavno je donesen novi, ambiciozniji plan koji za svoj cilj ima klimatsku neutralnost Europske unije do 2050. s novim ciljevima za 2030. godinu. Nadalje, od država članica se očekuje donošenje nacionalnih planova kojima će se definirati akcije za postizanje propisanih ciljeva. U svom cilju energetske tranzicije kontinenta, Europska unija je također prepoznala ulogu geografskih otoka pa je tako donijela nekoliko važnih dokumenata koji promoviraju energetsku tranziciju na otocima. Jedan od njih je Čista energija za otoke Europske unije kojima je formalizirana namjera za dekarbonizaciju otoka. Također je formirano i tajništvo za energetsku tranziciju otoka koji imaju ulogu pružanja potpore otocima u njihovim nastojanjima provođenja akcija energetske tranzicije. Drugi važan dokument je Deklaracija o pametnim otocima koja je postavila deset akcijskih točaka koji promoviraju razvoj pametnih otoka kroz digitalizaciju i zelene tehnologije. Nadalje, Deklaracija prepoznaje otoke kao živuće laboratorije koji mogu predstavljati pilote za demonstraciju naprednih tehnologija i rješenja koji se mogu skalirati i transferirati na kopno. Prilikom analize otočnih sustava, potrebno je nastojati lokalne potrebe zadovoljiti lokalnim resursima. Naime, rješenja metoda planiranja energetskih sustava prilagođenih za prilike na kopnu ne moraju nužno biti optimalna rješenja za otočne sustave iz razloga što su cijene dobara, ali i dostupnost resursa bitno drugačija. Stoga je prilikom planiranja otočnih sustava potrebno identificirati dostupne resurse i potrebe. Za te potrebe je razvijena RenewIslands metoda koja se sastoji od niza kvalitativnih indikatora koji služe za mapiranje resursa i potreba otoka za sedam različitih sektora. Iako sveobuhvatna metoda, RenewIslands je podložna subjektivnoj interpretaciji pojedinih eksperata pa je to dovodilo to toga da pojedini eksperti dodjeljuju različite kvalitativne indikatore za iste otoke. U posljednjih dvadesetak godina izrađen je značajan broj znanstvenih studija koji analiziraju energetske sustave na otocima. U samim počecima znanstvene analize energetskih sustava na otocima, stručnjaci su uglavnom predlagali integraciju varijabilnih obnovljivih izvora energije uz reverzibilne hidroelektrane ili podmorskog kabela za održavanje stabilnosti sustava. Otočni sustavi su također služili ispitivanju mogućnosti integracije vodika, kao i desalinizacijskih postrojenja u energetske sustave na otocima. Sa sve većim korištenjem informacijsko-telekomunikacijske tehnologije i naprednih tehnologija poput baterijskih spremnika energije dolazi do značajnijeg broja analiza i prijedloga rješenja za dekarbonizaciju otoka i stvaranja pametnih otoka. Tako sve više postaju zastupljene ideje koje zagovaraju međusektorsku integraciju, elektrifikaciju transporta, korištenje spremnika energije te uključivanje otočana u energetsku tranziciju otoka uz pomoć informacijsko-komunikacijske tehnologije. Iako su predložene metode rezultirale s relevantnim scenarijima za otočne zajednice, potrebno je analizirati različite pristupe energetskom planiranju koje prije svega podrazumijevaju razinu prostorno vremenske rezolucije te istražiti i razviti dodatne mogućnosti za samoodrživost otočnih zajednica temeljem njihovih resursa i potreba. CILJEVI I HIPOTEZA Ciljevi ovog rada su sljedeći: Razviti indeksacijski model za procjenu stupnja razvijenosti otoka koji može služiti kao temelj za planiranje strateškog razvoja otoka s posebnim osvrtom na energetski sustav Razviti sveobuhvatnu Smart Islands metodu za proračun scenarija energetskog planiranja s posebnim naglaskom na integraciju različitih tokova u svrhu postizanja sinergije energetskog sektora s ostalim sektorima Izraditi metodu za procjenu rizika pojedinih energetskih scenarija uzimajući u obzir vjerojatnost pojave kvara na pojedinim elementima elektroenergetskog sustava i potencijalnu štetu nastalu kao posljedica kvara. Hipoteza ovog istraživanja jest da se primjenom Smart Islands metode i metode za procjenu rizika energetskih sustava može pokazati da je moguća transformacija energetskih sustava na otocima prema potpuno obnovljivim sustavima uz precizno definiranu količinu i vrstu potrebne tehnologije te uz kvantificiranu razinu rizika pojedinog scenarija energetskog planiranja. ZNANSTVENI DOPRINOSI Znanstveni doprinosi ovog rada su sljedeći: Smart Islands metoda za razvoj scenarija energetskog planiranja koja pruža potporu za strateško odlučivanje i daje podlogu za izradu planova energetske tranzicije otoka. Metoda za procjenu rizika pojedinih scenarija energetskog planiranja koja će evaluirati utjecaj spremnika energije, odziva potrošnje i ostale napredne tehnologije na smanjenje rizika prilikom promjena pogonskih i topoloških stanja u elektroenergetskim sustavima na otocima. METODE I POSTUPCI Za potrebe doktorskog rada razvijeno je nekoliko metoda i postupaka koji doprinose naprednom energetskom planiranju na pametnim otocima. Predložene metode i postupci razmatraju problematiku planiranja energetskih sustava na otocima s nekoliko stajališta, a predstavljeni su kroz šest znanstvenih članaka u prilogu ovog doktorskog rada. Za potrebe planiranja energetskih sustava na otocima razvijena je Smart Islands metoda. Smart Islands metoda automatski generira potreban tip i količinu tehnologija potrebnih za zadovoljavanje lokalnih potreba s lokalnim resursima te prelazak na potpuno obnovljive sustave. U svom prvom koraku, Smart Islands metoda generira liste tehnologija kojima je moguće zadovoljiti lokalne potrebe s lokalnim resursima za sedam različitih sektora. Za te potrebe, razvijen je indeksacijski model koji sadrži kvantitativne indikatore koji služe za mapiranje resursa i potreba otoka za sedam različitih sektora. U svom drugom koraku, Smart Islands metoda proračunava moguće energetske scenarije te za svaki scenarij proračunava potreban kapacitet pojedine tehnologije. Za te potrebe razvijen je linearni optimizacijski model koji minimizira ukupan investicijski trošak za svaki scenarij energetskog sustava na otocima. Kako bi se ispitala robusnost Smart Islands metode, primijenjena je Monte Carlo metoda. Kako bi se kvantificirao rizik energetskih scenarija na otocima, razvijena je metoda za procjenu rizika. Metoda razmatra topologiju sustava te pomoću Poissonove distribucije proračunava vjerojatnost ispada pojedinog elementa sustava. Za potrebe proračuna nastale štete kao posljedica ispada pojedinih elemenata razvijen je mješoviti cjelobrojni linearni optimizacijski model. Umnoškom vjerojatnosti ispada pojedinih elemenata i posljedično nastale štete moguće je proračunati vektor rizika gdje svaki član vektora predstavlja rizik pojedinog energetskog scenarija. Optimizacijski model je razvijen kao robusni model kako bi se istražio utjecaj nesigurnosti potražnje za električnom energijom. Kako bi se evaluiralo detaljno prostorno i vremensko energetsko planiranje razvijena je metoda koja omogućuje usporedbu različitih pristupa planiranju otočnih energetski sustava. S jedne strane, razmatrane su metode koje sve tehnologije razmatraju na jednoj lokaciji te modeliraju sustav na satnoj razini, dok su s druge strane razmatrane metode koje modeliraju više lokacija na polusatnoj razini. Metoda je također povezana s proračunom tokova snaga kako bi se evaluirale mogućnosti za implementaciju pojedinih energetskih scenarija na otocima. Razvijen je također model odziva potrošnje koji se temelji na razlikama u cijeni na dan unaprijed tržištu električne energije. Model je integriran u detaljan optimizacijski model distribucijske mreže koji uvažava sva relevantna ograničenja koja razmatra i operator distribucijskog sustava. Nadalje, razvijena je metoda koja evaluira financijski i tehnički utjecaj modela odziva potrošnje. Funkcija cilja optimizacijskog modela također uključuje i poticajnu naknadu za pružatelja usluga odziva potrošnje što omogućuje analizu utjecaja različitih poticaja na rad sustava i ukupan trošak pogona. Za potrebe evaluacije utjecaja naprednih tehnologija odziva potrošnje i spremnika električne energije na otocima kada oni mogu sudjelovati na tržištu energije i tržištu rezerve, predstavljen je pristup koji uspoređuje ta dva slučaja. Također je razvijen optimizacijski model zajedničkog tržišta energije i rezerve koji uvažava ograničenja relevantna za prijenosnu elektroenergetsku mrežu. Potražnja za električnom energijom je uzeta kao nesiguran parametar, a da bi se to uvažilo razvijen je robusni optimizacijski model. Konačno, metoda za evaluaciju utjecaja elektrifikacije pomorskog transporta je također razvijena u sklopu ovog doktorskog rada. Metoda uključuje i novi model električnog broda integriran u optimizacijski model koji predstavlja distribucijsku mrežu. Metoda omogućuje evaluaciju utjecaja elektrifikacije pomorskog transporta na pogonske uvjete u distribucijskoj mreži te utjecaj na mogućnost integracije obnovljivih izvora energije u energetski sustav