Optimization approaches for dynamic environmental and energy management problems

Thumbnail Image
Files
isbn9789526414119.pdf (2.01 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-10-27
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023
Department
Matematiikan ja systeemianalyysin laitos
Department of Mathematics and Systems Analysis
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58 + app. 102
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 137/2023
Abstract
Today, in problems related to environmental decision making as well as to the use of electricity, one has to take into account time dependent effects, such as prices or system dynamics, together with multiple objectives. These problems are examples in which one can utilize dynamic multiobjective and bi-level optimization. These problems can have multiple conflicting objectives, such as the minimization of costs and the maximization of comfort. In environmental decision making, the objectives may relate to harmful impacts and the interests of the stakeholders. The problems may contain complex time dependent dynamics describing the reactions to changes in the operating environment and the choices made. Moreover, the situation may be of the leader-follower type where the leader tries to maximize the overall benefits by taking into account the reactions of the followers. This dissertation addresses these kinds of real-world problems in energy management and environmental decision making. The problems considered include the multiobjective optimization of an electrically space heated home and the regulation of a lake-river system. The dissertation also studies a new model in electricity markets where a group of consumers are working in cooperation. Additionally, the problem of combining the production planning and energy management in the process industry is examined. Typically, there are no generally applicable standard solution methods for dynamic multiobjective or bi-level optimization problems. This dissertation develops new solution methods for the practical case studies mentioned above. These methods include price coordination, dynamic interval goal programming and a combined goal programming and constraint method. The applicability of the methods is tested and verified numerically with real life data. The dissertation also develops practical implementations of the methods in a spreadsheet environment. The implementations proved to be successful. The space heating model gives the user a possibility to optimize heating costs by taking into account the hourly varying goal for the indoor temperature. The model showed that cooperation of the consumers in energy purchasing is also possible. The Finnish Environment Institute utilized the lake-river regulation model in the real development and evaluation of the regulation policies. In the industrial energy management problem, the price coordination method produced solutions for the problem quickly, although, in general, the convergence of the coordination method cannot be guaranteed.

Tänä päivänä niin ympäristöpäätöksenteossa kuin sähkön käytössä on otettava huomioon ajan mukana kehittyviä ilmiöitä, kuten hinnat ja ilmiöiden dynamiikka, ja monia eri kriteereitä. Tämän tyyppiset tehtävät ovat esimerkkejä, joissa voidaan hyödyntää dynaamista monitavoiteoptimointia ja kaksitasoista optimointia. Tehtävissä saattaa olla useita toisilleen mahdollisesti vastakkaisia tavoitteita, kuten kustannusten minimointi ja mukavuuden maksimointi. Ympäristöalalla kriteerit voivat liittyä tarkasteltavissa hankkeissa syntyviin haittoihin ja sidosryhmäintresseihin. Tehtävät voivat myös sisältää kohdesysteemeihin liittyvää ajasta riippuvaa dynamiikkaa. Lisäksi tilanne voi olla myös johtaja-seuraaja tyyppinen asetelma, jossa johtaja pyrkii maksimoimaan kokonaishyötyä ottaen huomioon seuraajien reaktiot. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan tämänkaltaisia reaalimaailman energianhallinnan ja ympäristöpäätöksenteon ongelmia. Tarkasteltavia tehtäviä ovat monitavoitteinen sähkölämmitteisen omakotitalon lämmitysongelma ja vesistön säännöstelyn ongelma. Väitöskirjassa tutkitaan myös uutta toimintamuotoa sähkömarkkinoilla, missä kuluttajat toimivat yhteistyössä. Lisäksi tarkastellaan tuotannon suunnittelun ja energianhallinnan yhdistämisen ongelmaa prosessiteollisuudessa. Dynaamisiin monitavoite- tai kaksitasoisiin optimointitehtäviin ei ole olemassa valmista yleisesti sopivaa ratkaisumenetelmää. Tässä väitöskirjassa kehitetään edellä mainittuihin reaalimaailman ongelmiin soveltuvia uusia ratkaisumenetelmiä. Näitä ovat hintakoordinointi, intervallitavoitemenetelmä sekä tavoite- ja rajoiteyhtälöiden yhdistetty menetelmä. Menetelmien soveltuvuutta testataan ja niiden toimivuus todennetaan reaalimaailman ongelmien numeerisilla esimerkeillä. Väitöskirjassa tarkastellaan myös kehitettyjen menetelmien käytännön toteuttamista taulukkolaskentaohjelmalla. Nämä toteutukset osoittautuivat toimiviksi ratkaisuiksi. Sähkölämmitysmallin avulla käyttäjän on mahdollista optimoida lämmityskustannus ottaen huomioon tunneittainen tavoitelämpötila asunnossa. Kehitetty malli osoitti, että kuluttajien yhteistyö on mahdollista sähkön hankinnassa. Suomen ympäristökeskus hyödynsi vesistön säännöstelytehtävän mallia todellisessa säännöstelyn suunnittelussa ja arvioinnissa. Prosessiteollisuuden energiahallinnan tehtävässä hintakoordinointimenetelmä tuotti tehtävälle ratkaisun nopeasti, vaikka koordinointimenetelmän konvergenssia ei yleisesti voidakaan todistaa.
Description
Supervising professor
Virtanen, Kai. Prof., Aalto University, Department of Mathematics and Systems Analysis, Finland
Thesis advisor
Hämäläinen, Raimo P., Prof. Emeritus, Aalto University, Finland
Keywords
dynamic multiobjective optimization, bi-level optimization, price coordination, demand side management, space heating, electricity markets, lake-river regulation, energy management in process industry, dynaaminen monitavoiteoptimointi, kaksitasoinen optimointi, hintakoordinointi, sähkön kulutuksen ohjaus, lämmityksen optimointi, sähkömarkkinat, vesistöjen säännöstely, energianhallinta prosessiteollisuudessa
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Mäntysaari, J., and Hämäläinen, R. P. (1997). Prototyping customized DSS with a spreadsheet program - the power agents system. Journal of Decision Systems, 6(4), 391-402.
    DOI: 10.1080/12460125.1997.10511736 View at publisher
  • [Publication 2]: Hämäläinen, R. P., Mäntysaari, J., Ruusunen, J., and Pineau, P-O. (2000). Cooperative consumers in a deregulated electricity market - Dynamic consumption strategies and price coordination. Energy - The International Journal, 25(9), 857-875.
    DOI: 10.1016/S0360-5442(00)00024-4 View at publisher
  • [Publication 3]: Hämäläinen, R. P., and Mäntysaari, J. (2002). Dynamic multiobjective heating optimization. European Journal of Operations Research, 142(1), 1-15.
    DOI: 10.1016/S0377-2217(01)00282-X View at publisher
  • [Publication 4]: Hämäläinen, R. P., and Mäntysaari, J. (2001). A dynamic interval goal programming approach to the regulation of a lake-river system. Journal of Multicriteria Decision Analysis, 10(2), 75-86.
    DOI: 10.1002/mcda.290 View at publisher
  • [Publication 5]: Hadera, H., Ekström, J., Sand, G., Mäntysaari, J., Harjunkoski, I., and Engell, S. (2019). Integration of production scheduling and energy-cost optimization using mean value cross decomposition. Computers and Chemical Engineering, 129, 106436.
    DOI: 10.1016/j.compchemeng.2019.05.002 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1411-9
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI