JJurasz-2016-AGH - Wydział Zarządzania AGH

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 12.07. 2016 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
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
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 2010-2015.
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

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
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
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