In order to cover the overall energy demands of a vessel (e.g. mechanical, electrical and thermal), energy systems onboard ships are required to produce energy of several forms while at the same time being completely autonomous and cost effective. Optimization of the ship's energy system, as a whole, in terms of synthesis, design and operation, is nowadays an unavoidable aspect of the marine industry. Furthermore, once time dependencies (e.g. time-varying loads and weather conditions) are introduced, the optimization problem is imperatively characterized as dynamic and its complexity increases dramatically. This study is focused on the dynamic optimization of synthesis, design and operation of a marine energy system. The general method, based on differential-algebraic equation formalism combined with mixedinteger nonlinear programming, along with solution procedures is presented first. The three optimization levels (synthesis, design and operation) are tackled simultaneously, with no decomposition. The superconfiguration approach is followed for the synthesis optimization, while time-varying operational requirements with respect to weather conditions and loads are considered. The presentation of the general theory is followed by application examples. A nominal case as described by a particular weather profile and values of parameters is considered, and the optimization problem with minimization of the present worth cost as an objective function is stated and solved. The effect of crucial parameters such as fuel and capital costs on the optimum solution is studied. Also, the problem is solved with a different weather profile, thus revealing the effect of weather on the optimum solution.

Fuel expenses constitute the largest part of the operating cost of a merchant ship. Integrated energy systems that cover all energy loads with low fuel consumption, while being economically feasible, are increasingly studied and installed. Due to the large variety of possible configurations, design specifications, and operating conditions that change with time, the application of optimization methods is imperative. Designing the system for nominal conditions only is not sufficient. Instead, intertemporal optimization needs to be performed that can be static or dynamic. In the present article, intertemporal static and dynamic optimization problems for the synthesis, design, and operation (SDO) of integrated ship energy systems are stated mathematically and the solution methods are presented, while case studies demonstrate the applicability of the methods and also reveal that the optimal solution may defer significantly from the solutions suggested with the usual practice. While in other works, the SDO optimization problems are usually solved by two- or three-level algorithms; single-level algorithms are developed and applied here, which tackle all three aspects (S, D, and O) concurrently. The methods can also be applied on land installations, e.g., power plants, cogenerations systems, etc., with proper modifications.

No abstract

The study of an integrated energy system is presented in this article that will cover all types of energy loads (mechanical, electrical, thermal) on a Very Large Crude Carrier (VLCC) with the maximum technically possible and economically feasible exploitation of fuel energy, thus reducing the operating cost and environmental footprint of the ship. There may be a large variety of configurations, design specifications and operating states that can cover the loads, making it necessary to apply synthesis, design and operation optimization of the system. The net present value of the system is selected as the objective function. For this purpose, a superconfiguration of the system is considered, which includes a number of Diesel engines adapted for possible operation in a combined Diesel and Rankine cycle, heat recovery steam generators producing high and low pressure steam, steam turbines that can contribute to propulsion and/or to the electricity production, an exhaust gas boiler and auxiliary boilers, as well as Diesel-generator sets. The synthesis of the system, that is, the components that will finally exist in the system, and their interconnections, the design specification of the components and the operating properties at characteristic operating states of the ship are not predetermined, but they are the result of formal, mathematical optimization. In addition, the speed of the vessel in each state, an important operational variable that has a crucial effect on the propulsion power and thus on the fuel consumption, is also determined by the optimization. The hull characteristics, the loading condition and the weather state are taken into account for the calculation of the propulsion power. For the optimization, proper models of the various components have been developed and the optimization problem is solved by addressing the three levels (synthesis, design, and operation) at a single computational step. The benefits of optimization, as well as the conditions that make the combined cycle economically justified, are demonstrated through an application example. The numerical solution is obtained for various values of fuel price and freight rate, so that the effects of these two crucial parameters on the optimal solution are assessed.

Το αντικείμενο αυτής της Διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας μεθόδου για τη δυναμική βελτιστοποίηση σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας (Synthesis, Design and Operation, SDO) ολοκληρωμένων ενεργειακών συστημάτων πλοίων. Η συνήθης πρακτική της σύνθεσης, του σχεδιασμού και της λειτουργίας των ενεργειακών συστημάτων, ειδικά στη ναυτιλία, βασίζεται συνήθως σε συγκεκριμένους κανόνες καθώς και στην εμπειρία του σχεδιαστή. Επιπλέον, το σύστημα συχνά σχεδιάζεται σε πλήρες φορτίο υπό τη θεώρηση λειτουργίας σταθερής κατάστασης, ενώ η ‒εκτός σημείου σχεδιασμού‒ δυναμική συμπεριφορά του λαμβάνεται υπόψη μόνο αφότου το σύστημα έχει ήδη σχεδιαστεί. Στόχος αυτής της ερευνητικής δραστηριότητας είναι ο καθορισμός των τεχνο‒οικονομικά βέλτιστων λύσεων για τη σύνθεση, τον σχεδιασμό και τη λειτουργία ενεργειακών συστημάτων πλοίων, προκειμένου να καλυφθούν πλήρως οι διάφορες απαιτήσεις πρόωσης, ηλεκτρικής ενέργειας και θερμικής ενέργειας. Πραγματικά δυναμικά χαρακτηριστικά, όπως οι χρόνο‒ και χώρο‒μεταβαλλόμενες λειτουργικές απαιτήσεις σε σχέση με τις καιρικές συνθήκες και τα χρόνο‒μεταβαλλόμενα φορτία, ενσωματώνονται στα μοντέλα απόδοσης των συνιστωσών του συστήματος και κατά συνέπεια στη συνολική απόδοση του ολοκληρωμένου ενεργειακού συστήματος πλοίου, δημιουργώντας έτσι ένα καθαρά δυναμικό πρόβλημα βελτιστοποίησης.Για την ανάπτυξη της απαιτούμενης μεθοδολογίας ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στην κατασκευή κατάλληλων υπερδομών που απεικονίζουν όλες τις διαθέσιμες επιλογές σύνθεσης καθώς και όλες τις πιθανές διασυνδέσεις των συνιστωσών του ενεργειακού συστήματος. Για τη μοντελοποίηση του συστήματος στο σύνολό του χρησιμοποιείται μια μοντελοποιητική διαδικασία μεικτού ακεραίου προγραμματισμού, ενώ ακέραιες, στατικές και συνεχείς μεταβλητές χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση των επιπέδων της σύνθεσης του σχεδιασμού και της λειτουργίας, αντίστοιχα. Το γενικό πρόβλημα διατυπώνεται με χρήση ενός μαθηματικού φορμαλισμού Αλγεβρικό‒Διαφορικών Εξισώσεων ενώ κατάλληλες μέθοδοι δυναμικής βελτιστοποίησης, συνδυασμένες με μεθόδους μεικτού ακεραίου μαθηματικού προγραμματισμού, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται. Όλα τα παραπάνω οδηγούν στην ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας, η οποία, σε αντίθεση με τις συνήθεις μεθόδους που προτείνονται στη βιβλιογραφία, μπορεί να χαρακτηριστεί ως μια μέθοδος ενός επιπέδου που βελτιστοποιεί τα επίπεδα της σύνθεσης, του σχεδιασμού και της λειτουργίας ταυτόχρονα και δεν απαιτεί την πλήρωση ειδικών συνθηκών αποσύζευξης των επιπέδων του προβλήματος για την εφαρμογή της. Συνεπώς η μεθοδολογία αυτή μπορεί να χαρακτηριστεί ως γενικευμένη, υπό την έννοια ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε κάθε πρόβλημα δυναμικής βελτιστοποίησης σύνθεσης, σχεδιασμού και λειτουργίας.Τέλος, η προσαρμοστικότητα και εφαρμοσιμότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναδεικνύονται με την επίλυση πλήθους ρεαλιστικών αριθμητικών παραδειγμάτων. Σε κάθε παράδειγμα μελετάται η επίδραση συγκεκριμένων τεχνικών και οικονομικών παραμέτρων πάνω στη βέλτιστη λύση μέσω κατάλληλης παραμετρικής μελέτης. Τα αποτελέσματα παρέχουν ενδιαφέρουσες ιδέες σχετικά με τη βέλτιστη σύνθεση,τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των ενεργειακών συστημάτων πλοίων και αποδεικνύουν την καταλληλότητα της προτεινόμενης διαδικασίας μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης για αυτό το είδος των προβλημάτων.