JJurasz-2 - Wydział Zarządzania AGH

dr hab. inż. Kazimierz Jagieła
Częstochowa, 14.09.2016 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 07.07.2016 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
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
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
pozyskanymi z platformy SoDa Pro. Na tej podstawie wykreślono przebiegi godzinowych zmian
wartości nasłonecznienia oraz prędkości wiatru w latach 2010 ÷ 2015.
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 13 ÷ 15 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 2010÷2015 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
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
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 PVTW-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
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 91.
6.
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