Iskanje po katalogu digitalne knjižnice

Opis: Blaženje podnebnih sprememb je eden največjih izzivov sodobne družbe, ki je tesno povezan z vprašanjem energetskega sistema v prihodnosti. Zaradi vse večjega povpraševanja po energiji in s tem povezanega vpliva na okolje in človeštvo je potrebno preoblikovanje energetskega sistema in nadaljnji razvoj v smeri učinkovitejše proizvodnje, dobave in rabe energije. Sedanji ukrepi za doseganje ogljične nevtralnosti in omejitve globalnega segrevanja pod 2 °C glede na predindustrijsko raven so prepočasni in nezadostni, zato bodo za dosego tega cilja potrebna velika prizadevanja na globalni ravni. Proizvodne sisteme je treba sintetizirati v smeri trajnostnega in regenerativnega razvoja, da bodo prilagodljivi na podnebne spremembe in uravnoteženi ter da bodo ohranjali biotsko raznovrstnost za zadovoljitev potreb človeštva v prihodnosti z ohranjanjem celovitosti narave. V doktorski disertaciji prikazujemo razvito metodologijo za celovito sintezo in optimizacijo obsežnih energetskih, (bio)kemijskih in kmetijskih oskrbovalnih mrež za prehod na trajnostni energetski sistem in postopno doseganje ogljične nevtralnosti v Evropski uniji do leta 2050. Hkratno reševanje teh sistemov je možno le z uporabo pristopa matematičnega programiranja, ki zagotavlja tudi dopustnost optimalnih rezultatov za dani niz pogojev. Sinteza takšnih obsežnih oskrbovalnih mrež vsebuje ogromno število zelo kompleksnih interakcij, zato smo pri modeliranju uporabili številne tehnike za zmanjšanje velikosti modela in učinkovite dekompozicijske tehnike. Razvili smo metodologijo za dinamično sintezo oskrbovalnih mrež z biogorivi, električno energijo in toploto iz obnovljivih virov energije ob upoštevanju vseh treh stebrov trajnostnega razvoja – ekonomskega, okoljskega in socialnega. Za povečanje učinkovitosti prihodnjega energetskega sistema in izkoriščanja sinergističnih učinkov povezovanja med sektorji smo matematični model dodelali z medsektorsko integracijo in vključitvijo tako kratkoročnih kot dolgoročnih hranilnikov energije. Doktorska disertacija prikazuje tudi razvoj koncepta regenerativnih oskrbovalnih mrež za postopen prehod na samoobnovitveni (regenerativni) energetski sistem in doseganje letnih negativnih neto emisij oziroma preseganje ogljične nevtralnosti. V ta namen smo razvili napovedovalni model za določanje samoobnovitvene zmožnosti Zemlje glede zajemanja CO2 in koncentracije CO2 v atmosferi. Rezultati optimizacije oskrbovalnih mrež z biogorivi kažejo, da bi z dodatno proizvodnjo biogoriv lahko že do leta 2030 dosegli bistveno večji delež obnovljivih virov energije v prometu, kot je cilj direktive EU, vendar bo za konkurenčnost proizvodnje biogoriv v nekaterih državah ključnega pomena, da bodo podjetja prejela dodatne subvencije. Ugotovili smo tudi, da optimizacija oskrbovalnih mrež na širši, kontinentalni ravni, privede do bistveno boljše trajnostne in ekonomske neto sedanje vrednosti kot v primeru optimizacije na ravni posameznih držav. Rezultati prav tako kažejo, da bo imela medsektorska integracija, predvsem elektrifikacija prometnega in stanovanjskega sektorja ter storitvenih dejavnosti, velik vpliv na izboljšanje učinkovitosti sistema in pospešitev prehoda na trajnostno energetsko prihodnost. Prav tako je pri načrtovanju prihodnjega energetskega sistema pomembno, da ne stremimo le k doseganju ogljične nevtralnosti, temveč k regenerativnemu energetskemu sistemu z negativnimi neto letnimi emisijami, sicer koncentracija CO2 v atmosferi ne bo začela padati, povprečna temperatura pa bo še naprej naraščala. Dobljeni rezultati predstavljajo celoten energetski prehod z izbiro ustreznih tehnologij, lokacij in surovin za doseganje regenerativnega energetskega sistema, ki je sposoben samoobnavljanja. Razvoj novih konceptov in metodologij za sintezo in optimizacijo širših sistemov trajnostnih in regenerativnih oskrbovalnih mrež na osnovi matematičnega programiranja je zelo pomemben za načrtovanje prihodnjega proizvodnega in energetskega sistema.
Ključne besede: matematično programiranje, oskrbovalne mreže, sinteza oskrbovalnih mrež, trajnostni razvoj, regenerativni razvoj, energetski prehod, ogljična nevtralnost
Objavljeno v DKUM: 11.10.2023; Ogledov: 562; Prenosov: 138
Celotno besedilo (11,23 MB)

Opis: V doktorski disertaciji je prikazan razvoj robustnih računalniških metod za načrtovanje in sintezo fleksibilnih procesov in mrež z velikim številom negotovih parametrov. Uporaba natančnejših metod, kot je npr. Gaussova integracijska metoda, vodi do eksponentne rasti matematičnega problema glede na število negotovih parametrov. Glavni dosežek disertacije je metodologija, s katero se izognemo eksponentni rasti. Metodologija temelji na dvostopenjski stohastični formulaciji z rekurzom in razstavi reševanje na več korakov, v katerih ločeno določimo prvostopenjske spremenljivke, tj. topologijo in velikost oz. kapaciteto procesa, ter drugostopenjske spremenljivke, tj. obratovalne in regulacijske spremenljivke. Pri tem praviloma rešujemo matematični problem le v eni točki (scenariju), v posameznih variantah metode pa hkrati v manjšem številu scenarijev, npr. do deset. Osnovna ideja metodologije je naslednja: začetno optimalno, a praktično nefleksibilno procesno shemo generiramo pri nominalnih vrednostih negotovih parametrov. To shemo nato zaporedoma optimiramo pri različnih skrajnih vrednostih negotovih parametrov, tako da za procesne enote, ki so že v shemi, določimo potrebno povečanje velikosti, nove enote pa dodajamo le, če je to potrebno za doseganje dopustne rešitve. Na ta način določimo izbor procesnih enot in njihove velikosti za fleksibilno obratovanje. Ko se ti ne spreminjajo več, izračunamo indeks fleksibilnosti za dobljeno rešitev in izvedemo stohastično optimizacijo Monte Carlo za določitev optimalnih drugostopenjskih spremenljivk. Obenem izračunamo pričakovano vrednost optimizacijskega kriterija z določeno stopnjo zaupanja. Za vzpostavitev toka informacij med ločenima korakoma določanja prvo- in drugostopenjskih spremenljivk smo izdelali modificirano metodo, v kateri izračunavamo korekcijske faktorje, s katerimi izboljšamo vzpostavljanje kompromisov med obema vrstama spremenljivk in iterativno izboljšujemo končni rezultat. Za povečanje učinkovitosti optimizacije Monte Carlo v zgoraj opisani metodologiji smo razvili indikator, s katerim določimo minimalno potrebno število scenarijev, da so rezultati dovolj točni za praktično uporabo. Na ta način skrajšamo čas reševanja. Vpeljali smo tudi relativni indeks optimalnosti, s katerim primerjamo približne pristope, ki smo jih razvili, z bolj točnimi. S predlagano metodologijo smo izvedli sinteze fleksibilnih omrežij toplotnih prenosnikov in dobavnega omrežja za proizvodnjo električne energije iz bioplina, ki smo jo nadgradili s predelavo digestata v kvalitetnejša gnojila. Dokazali smo, da lahko s to metodologijo generiramo fleksibilne rešitve za velike procesne sheme z več deset negotovimi parametri v zmernem času z obvladljivim računalniškim naporom. V zadnjem delu disertacije smo oblikovali pristope za vključevanje negotove vrednosti davka na emisije CO2 v sintezo fleksibilnih procesov v celotnem življenjskem ciklu. Razvili smo enoperiodni in večperiodni stohastični pristop. Primerjava rezultatov z determinističnim pristopom je potrdila prednost stohastičnega pristopa. Razvita metodologija predstavlja orodje za sprejemanje trajnostnih investicijskih odločitev v pogojih negotovosti in prispeva k dolgoročnemu povečanju učinkovitosti in konkurenčnosti v procesni industriji. Njena glavna prednost je, da je uporabna za reševanje primerov z velikim številom negotovih parametrov. V nekaterih študijskih primerih smo uporabili trajnostno namensko funkcijo in tako sintezo fleksibilnih procesov povezali s trajnostnim razvojem, pri čemer se vzpostavljajo dolgoročni optimalni kompromisi med fleksibilnostjo obratovanja ter ekonomskimi, okoljskimi in socialnimi vidiki. S predelavo odpadka iz bioplinarne v koristne produkte smo v sintezo fleksibilnih procesov in mrež uvedli zapiranje zank in krožno gospodarstvo.
Ključne besede: matematično programiranje, negotovost, fleksibilnost, stohastično optimiranje, sinteza procesov, dobavno omrežje, emisije CO2, trajnostni razvoj
Objavljeno v DKUM: 03.09.2021; Ogledov: 1219; Prenosov: 105
Celotno besedilo (3,26 MB)

Opis: V Sloveniji je že dlje časa samooskrba s hrano pomembna tema, ki je na nizki ravni. Posebej nizko je ta stopnja vidna pri zelenjavi, zato smo se odločili pristopiti k analizi problematike. V raziskavi smo k problematiki pristopili »od spodaj navzgor« in sicer z namenom, da najdemo empirične rešitve, ki kmetovalcem omogočajo pogoje, s katerimi bi dvignili nizko samooskrbo. V ta namen smo razvili 5 matematičnih modelov, s katerimi se bo analizirala problematika samooskrbe. 1. model je namenjen analizi ekonomske upravičenosti v raziskavo vključenih kultur, kot tudi posameznih sort in hibridov. Rezultati le-tega predstavljajo vhodne podatke za naslednje faze razvoja modelov. Rezultati analize modela 1 kažejo ekonomsko upravičenost vseh analiziranih zelenjadnic. V 2. fazi smo razvili 2 modelni orodji. S prvim ocenjujemo potrebne količine zelenjadnic za zagotovitev oskrbe po zelenjavi za določen teden v letu, v naboru razpoložljivih kultur. Drugo modelno orodje 2. faze pa izmed razpoložljivih kultur in njihovih hibridov/sort oceni potrebne površine, s čimer zadovoljimo želene potrebe po oskrbi z zelenjavo. 3. faza je namenjena izboru ustrezne metode ciljnega programiranja, na podlagi katere bi lahko ocenili ustrezne sorte/hibride. Za oceno problema smo uporabili 3 metode ciljnega programiranja (tehtano ciljno programiranje, prioritetno ciljno programiranje in Čebiševo ciljno programiranje). Kot najustreznejše se je pokazalo tehtano ciljno programiranje, ki je doseglo nekoliko slabše rezultate v primerjavi s prioritetnim ciljnim programiranjem, ki pa je med izračunom doseglo večje število napak. Kot najslabše se je pokazalo Čebiševo ciljno programiranje. V fazi 4 je sledilo načrtovanje kolobarja znotraj posameznega koledarskega leta. S pomočjo razvitega orodja smo sestavili 538 letnih scenarijev, ki jih potem v fazi 5 združimo v 183 5-letnih kolobarjev. Rezultati kažejo, da na 874,66 ha obdelovalnih površin zagotavljamo popolno samooskrbo z zelenjavo za območje Pomurja od 1. maja do 13. novembra. V nadaljevanju raziskave na osnovi s. w. o. t. analize stanja trga na organizacijske strani pridelave in prodaje predlagamo ukrepe, ki stimulirajo pridelavo. Prva je uvedba indeksa izkoriščenosti njivskih površin kot ukrepa, s katerim bi lahko stimulirali pridelavo preko neposrednih plačil, ki so drugače razdeljena. Drugi ukrep predstavlja povezovanje pridelovalcev. Tretji ukrep je organiziranje skupnega prostora, kjer se srečata ponudba s strani pridelovalcev in povpraševanje s strani odkupa. Kot ključen ukrep pa je seveda ureditev cen.
Ključne besede: matematično programiranje, modelna orodja, proces odločanja, samooskrba, indeks izkoriščenosti, s. w. o. t., zelenjava, kolobar.
Objavljeno v DKUM: 12.09.2019; Ogledov: 2596; Prenosov: 192
Celotno besedilo (7,13 MB)

Opis: Magistrsko delo obravnava problem dodeljevanja frekvenčnih kanalov v brezžičnih omrežjih. Na začetku je predstavljen izvor problema in njegovo teoretično ozadje. Sledi opis osnovnih pojmov iz teorije grafov, ki so potrebni za nadaljnje razumevanje tega dela. Problem je predstavljen z matematičnim modelom iz teorije grafov, ki je soroden problemom barvanja vozlišč grafa. Opisane so metode za reševanje problemov barvanja vozlišč grafa: linearno programiranje in njegova posplošitev semidefinitno programiranje ter nadalje kombinatorični algoritmi, aproksimacijski algoritmi in hevristični algoritmi. Opisan je alternativni pristop k problemu dodeljevanja frekvenčnih kanalov s področja teorije iger. Teorija iger obravnava modele, kjer igralci med seboj sodelujejo za dosego skupnega cilja, ali pa med seboj tekmujejo za dosego lastnega cilja. Zadnja poglavja so namenjena empiričnemu delu raziskovanja problema. Najprej je opisan matematični model dodeljevanja frekvenčnih kanalov iz teorije telekomunikacij. Sledita mu dve družini optimizacijskih primerov na podlagi konkretnih podatkov. Empirični del zaključujejo rezultati optimizacije ter njihova analiza. V vseh optimizacijskih primerih je bila dosežena izboljšava v učinkovitosti brezžičnega omrežja.
Ključne besede: dodeljevanje frekvenčnih kanalov, teorija grafov, operacijske raziskave, matematično programiranje, teorija iger.
Objavljeno v DKUM: 16.09.2016; Ogledov: 1697; Prenosov: 146
Celotno besedilo (1,09 MB)

Opis: V doktorski disertaciji obravnavamo tematiko s področja rekonstruiranja obstoječih industrijskih procesov. Pri tem podrobneje predstavljamo predlagan koncept za rekonstrukcijo, ki zajema ključne aktivnosti za doseganje izboljšav nerentabilnih kemijskih procesov. Aktivnosti so zajete v predvidenih korakih, kot so spoznavanje procesa, matematično modeliranje, optimiranje, generiranje alternativ in ocena ustreznosti generiranih alternativ. Kompleksna infrastruktura, veliko število nemerljivih podatkov in alternative, ki jih je potrebno v naprej preučiti, so omejitve, ki zahtevajo kompleksen pristop k rekonstrukcijskemu načrtovanju. Obrati v preteklosti niso bili prilagojeni tipičnim rekonstrukcijskim zahtevam, ki bi omogočale večjo energijsko učinkovitost, zadovoljivo produktivnost in rentabilnost. Z ustreznimi modifikacijami se lahko bistveno izboljšajo omenjeni dejavniki in podaljša življenjska doba obstoječih kemijskih procesov. Pri tem imajo ustrezno razviti rekonstrukcijski načrti pomembno vlogo za doseganje konkurenčnosti ob upoštevanju negotovosti, trendov prihodnjih cen in zanimanj po tržnih produktih. Znotraj koncepta sta v prvem delu generiranja alternativ predlagana preprosti in kompleksni sklop tehnoloških izboljšav, ki temeljita na rekonstrukciji obstoječega procesa v smeri novih produktov. Drugi del generiranja alternativ zajema modifikacije v smeri surovinskih, produktnih in tehnoloških izboljšav. Za preprosti in kompleksni sklop izboljšav smo razvili matematične modele na podlagi simulacij kemijskih procesov in matematičnega programiranja za vsako izmed predlaganih alternativ posebej. Sintezni pristop je omogočal hkratno optimiranje procesnih parametrov in koriščenje morebitnih interakcij med procesnimi podsistemi, ki so na videz ločeni. Za surovinske, produktne in z njimi povezane tehnološke izboljšave smo razvili drevesno in mrežno superstrukturo z matematičnimi modeli, ki predstavljajo ustrezno orodje za simultano iskanje najprimernejše procesne alternative glede na optimizacijski kriterij. Razviti koncept za rekonstrukcijsko načrtovanje in prenovo obstoječih kemijskih procesov ter ustvarjene matematične modele smo aplicirali na realnem industrijskem procesu proizvodnje metanola. Rezultati kažejo, da je predlagani rekonstrukcijski koncept na podlagi matematičnih modelov privedel do izboljšav v primeru proizvodne novega produkta dimetil etra z neposredno potjo sinteze iz zemeljskega plina in višjo tržno ceno novega produkta. Prispevek raziskav lahko umestimo na področje rekonstrukcijskega načrtovanja v procesni sistemski tehniki. Načrtovanje zajema veliko količino podatkov na podlagi realnih kemijskih procesov, simulacij, hevrističnih pravil in spoznanj dobljenih tekom generiranja procesnih alternativ. Disertacija ne temelji na strateškem odločanju, temveč na razvoju orodij in tehnik za rekonstruiranje obstoječih procesov in procesnih linij v kemičnih in procesnih industrijah.
Ključne besede: rekonstrukcija, sintezni pristop, matematično programiranje, obstoječ industrijski proces, generiranje procesnih alternativ
Objavljeno v DKUM: 11.07.2016; Ogledov: 2061; Prenosov: 150
Celotno besedilo (5,65 MB)