Tevékenység

Részletek

Készült: 2010. április 27. kedd, 13:56

Megújuló energiaforrásokat (napelem, szél stb.) és energiatárolókat is tartalmazó intelligens lokális hálózatok (smart grid) tervezése és energia-optimális üzemeltetése

Az alprojekt megvalósításában a PE Műszaki Informatikai Karának két egysége, a Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék és a Matematika Tanszék munkatársai, valamint a munkatársak hallgatói vettek részt Dr. Magyar Attila egyetemi docens, alprojektvezető irányításával:

Kutatásainkat három, egymással szorosan összefüggő K+F projektbe szervezve végeztük.

Az „Energiatermelő generátorok és szélerőművek optimális üzemeltetése és irányítása” K+F projektben irányításelméleti módszereket alkalmaztunk alapvetően energetikai alkalmazási területről származó elektromechanikai rendszerekre, elsősorban szinkron generátorokra.

Mivel az erőművekben alkalmazott szinkron generátorok folyamatos üzemben működnek, és a gerjesztésük kimerül a éjszakai-nappali felterhelés, illetve a nappali-éjszakai leterhelés során alkalmazott alapjel váltásban. Az identifikációhoz szükséges, ún. elegendő gerjesztő jel (pl. PRBS jelek, vagy fehérzaj) alkalmazására a létesítmény jellege miatt nincs lehetőség, ezért a paraméter identifikáció eredményei sokszor ne m kellően pontosak. Ennek a problémának a kiküszöbölésére LQ optimális állapotvisszacsatoláson alapuló szabályozót terveztünk egy korábban felépített és mérési adatok alapján identifikált szinkron generátormodellre. A szabályozási célt később kibővítettük a hatásos és meddő teljesítmény alapjel követéssel, erre egy LQ szervo típusú szabályozót terveztünk, amely sikerrel képes követni az alapjel váltás jellegű hatásos és meddő teljesítmény igényeket.

A „Megújuló energiaforrásokra támaszkodó energia-termelő egységek (napelem, szél, stb.) és energiatárolók optimális tervezése, üzemeltetése és irányítása” K+F projektben optimalizáláson alapuló összetett szabályozási módszereket fejlesztettünk ki megújuló energiaforrásból származó villamos energia hálózatba történő integrálására.

A K+F projekt egyik részeként egy összetett energetikai modellt építettünk fel, amellyel egy háztartási kiserőművet is tartalmazó lokális hálózat (transzformátorkörzet) villamos szimulálása vált lehetővé. A modellre egy komplex szabályozási rendszert terveztünk és implementáltunk, melynek lényege, hogy a megújuló forrásból származó elektromos energiát oly módon integráljuk a villamos hálózatba, hogy annak minőségi jellemzői (teljes harmonikus torzítás, teljesítménytényező) javuljanak, ezzel csökkentve a veszteséget, és a CO₂ kibocsátást, továbbá növelve a hálózat üzembiztonságát.

A szabályozó központi eleme a felharmonikus szabályozó, amely egy aszinkron párhuzamos mintaillesztési algoritmus alapján minden szabályozási lépésben meghatározza, hogy a 3,5,7,9,11. felharmonikus összetevőket milyen mértékben táplálja be a hálózatba. Ez a szabályozó algoritmus a jelenleg használt szinkron inverter működését befolyásolj, új rendszerelemek nem szükségesek az alkalmazásához, tehát a potenciális későbbi alkalmazások esetében a beruházási költség elhanyagolható lesz. A felépített szabályozórendszer több üzemmódban is képes hatékonyan működni, annak megfelelően, hogy milyen elemek találhatók a hálózatban (pl. elektromos akkumulátor, biodízel generátor, stb.)

A K+F projekt másik célja az aktuálisan fel nem használt elektromos energia tárolásának kérdése volt, amelyben száraz HHO cellát használtunk arra, hogy az elektromos energiából hidrogéngázt állítsunk elő, szabályozott körülmények között.

A „Megújuló energiaforrások optimális hálózati integrációja és üzemeltetése” K+F projektben történő kutatások során a tervezéshez és az optimális üzemeltetési körülmények megválasztásához is modern, nagy hatékonyságú optimalizálási módszereket alkalmaztunk, amelyek lehetővé teszik akár a valós időben történő újratervezést, ütemezést és a fellépő zavarások elnyomását. Szimulációs körülmények között vizsgáltuk megújuló energiaforrásokat használó kiserőművek (napelemes villamos kiserőmű) működését és optimális üzemeltetésének módszereit.

Az alprojekt eredményeiből 8 referált angol nyelvű szakfolyóiratban megjelent cikk, számos nemzetközi és hazai konferencián megjelent közlemény, valamint TDK dolgozatok, szakdolgozatok és diplomamunkák is készültek.

Három résztvevő (Balló Gábor doktorjelölt, Görbe Péter és Fodor Attila fiatal kutatók) készülő PhD értekezésének értékes tézispontjai is az alprojektben végzett munkájuk eredményeképpen keletkeztek.

Döntéstámogató módszerek kivitelezése energia-optimális hálózatok termelés- és felügyeleti irányítási feladatainak megoldására

Az alprojekt megvalósításában a PE Műszaki Informatikai Karának két egysége, a Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék és a Matematika Tanszék munkatársai, valamint a munkatársak hallgatói vettek részt Dr. Hangos Katalin egyetemi tanár, alprojektvezető irányításával:

Kutatásainkat két, egymással szorosan összefüggő K+F projektbe szervezve végeztük.

Az „Energia-optimális hálózatokban alkalmazható optimális ütemezési algoritmusok kifejlesztése és vizsgálata” K+F projektben a rendszerszintű karbantartás- és fogyasztás-ütemezési problémákra eredményesen alkalmazható, ládapakolási algoritmusokon alapuló kombinatorikus ütemezési eljárásokat fejlesztettünk ki és vizsgáltunk. Hatékony algoritmusokat terveztünk és implementáltunk Fist Fit és a Best Fit ládapakolási algoritmusok félig online és online verzióinak különböző változataira. Az algoritmusok képesek kezelni a hierarchikusan dekomponált ütemezési feladatokat több párhuzamos ütemező egység esetére is.

Az energetikai rendszerek termelés-elosztásának tervezésére is terveztünk hatékony algoritmusokat kooperatív, dinamikus környezet figyelembe vételével. Ezek a módszerek heurisztikus evolúciós algoritmusok segítségével végzik az ütemezést, ezek integrációjával egy többcélú általános ütemező algoritmus is kifejlesztésre került. Az energiahatékonysággal kapcsolatos kooperatív ütemezési algoritmusok szimulációs vizsgálatára kidolgoztunk továbbá egy keretrendszert is, amelyben folyamatbányászati eszközök alkalmazására is mód nyílik.

Ezen túlmenően ágens alapú, akkumulátor bankot kiszolgáló robotok útvonaltervezésére szolgáló eljárást dolgoztunk ki, ahol az ágensek kommunikációjának módszereit is meghatároztuk.

A bináris ládapakolási algoritmusokon, valamint a heurisztikus evolúciós algoritmusokon alapuló módszerek szintézisével megteremtettük az energiahatékonysággal kapcsolatos ütemezési algoritmusok közös tervezési keretrendszerét, az empirikus szimulációs vizsgálatok végrehajtásához pedig kidolgoztunk egy energetikai hálózatszimulátor programot.

A „Modell alapú diszkrét diagnosztikai módszerek fejlesztése és vizsgálata energia-optimális hálózatokra” K+F projektben diszkrét eseményeken alapuló módszereket fejlesztettünk és használtunk energetikai rendszerek rendszerszintű felügyeletére és diagnosztikájára, valamint optimális termelés-elosztás tervezésére energiatermelő hálózatokban.

Ennek céljából először kiterjesztettük a veszély és működőképesség elemzési (HAZID) információkat alkalmazó diagnosztikai módszert eseményekre oly módon, hogy általánosítottuk és időbélyeggel egészítettük ki a HAZID táblázatokat. Kidolgoztuk az időbélyeggel kiegészített kiterjesztett HAZID táblázatok hierarchikus dekompoziciójának elméleti alapjait, és a diagnosztikai következtető eljárást alkalmassá tettük az ilyen dekomponált táblázatokon való következtetésre is.

Ezen túlmenően vizsgálatokat végeztünk hibaeseményeket is tartalmazó színezett Petri háló alapú modellek elérhetőségi gráfjainak analízise témában, aminek során összehasonlítottuk a különböző modellek (hibamentes/ hibaeseményeket is tartalmazó; időzítés nélküli/ időzített) elérhetőségi gráfjait. Az elérhetőségi gráf analízisét segítő keresések végrehajtása logikai kifejezések alkalmazásával történik, felhasználva a hálóban előforduló helyeket, színeket, illetve színkombinációkat. A modellekben előforduló színhalmazok változtatásának hatását is vizsgáltuk az elérhetőségi gráfra. Az energiatermelő rendszerek Petri háló segítségével történő modellezése érdekében hibalehetőségeket is tartalmazó, soros és pérhuzamos kapcsolású rendszerek színezett, hierarchikus Petri háló alapú modelljeit készítettük el, amelyekkel szimulációs és diagnosztikai vizsgálatokat végeztünk.

A K+F projekt végső fázisában pedig integráltuk a színezett, hierarchikus Petri háló alapú, valamint a HAZID információkon alapuló diagnosztikai módszereket, és megvizsgáltuk az integrált diagnosztikai módszer felbontóképességét a kvalitatív modell pontosságának függvényében többszörös, együttesen fellépő hibaokok esetére is komplex, hierarchikusan dekomponált energetikai rendszerekre.

Az alprojekt eredményeiből 8 referált angol nyelvű szakfolyóiratban megjelent cikk, számos nemzetközi és hazai konferencián megjelent közlemény, valamint TDK dolgozatok, szakdolgozatok és diplomamunkák is készültek.

Kér résztvevő (Dulai Tibor tanársegéd és Tóth Attila doktorjelölt, fiatal kutató) PhD készülő PhD értekezésének értékes tézispontjai is az alprojektben végzett munkájuk eredményeképpen keletkeztek.

A “Megújuló termikus energia hasznosítására alkalmas új hőtároló anyag kifejlesztése mikrokapszulázással” című alprojekt kidolgozása során elért eredmények

A megújuló energiaforrások közül a napenergia hazánkban is nagy mennyiségben áll rendelkezésre. Ehhez járul az ipari tevékenység során képződő hulladék hő, és a háztartási berendezésekből távozó nem hasznosult hőenergia. Ezek felhasználása vagy visszanyerése azonban különböző nehézségek miatt ma még nem kellő mértékű. Ennek egyik oka az, hogy ezek a potenciális energiaforrások általában nem a kívánt időpontban vagy formában állnak rendelkezésre. Az ipari, mezőgazdasági, vagy háztartási energiafelhasználás ugyanis megkívánja, hogy a szükséges hő a megfelelő időben, mennyiségben és hőmérsékleti szinten legyen elérhető. Ehhez az általában csak bizonyos időszakokban rendelkezésre álló hőenergiát gazdaságos módon, ésszerű időtartamig, és viszonylag egyszerűen visszanyerhető formában tárolni kell.

A hőenergia tárolásának egyik lehetséges módja az úgynevezett fázisváltó hőtároló anyagok alkalmazása, melyekben a hőt az anyag megolvadása lehet tárolni, majd megdermedése révén, visszanyerni. Ehhez azonban számos műszaki problémát kell megoldani. Tömbfázisban ezek az anyagok a kis fajlagos hőátadó felület és az általában rossz hővezetési tényező miatt túlságosan lassan veszik fel, és adják vissza a bennük tárolt hőmennyiséget, és technológiailag nehezen kezelhetők. Ezek a nehézségek megoldhatók ezeknek az anyagoknak a mikrokapszulázásával, amikor a fázisváltó anyagot apró kapszulákba zárjuk be, melyek nagy hőátadó felületet és jó hővezetést biztosítanak.

Az alprojekt célja mikrokapszulázott hőtároló anyagi rendszerek előállítása, és alkalmas előállítási módszerek, műszaki eljárások kidolgozása volt. Utóbbiak segítségével a fázisváltó hőtároló anyagok kisméretű részecskéit a hőt áteresztő, de a jelenlévő anyagokat át nem eresztő, tartós bevonattal vesszük körül.

A feladat megoldására többféle eljárást dolgoztunk ki, különböző anyagi rendszerekre. Egyik ilyen módszer az úgynevezett emulziós – oldószer elpárologtatásos eljárás volt, melynek során a fázisváltó hőtároló anyagot, például megfelelő lánchosszúságú paraffin szénhidrogént (esetünkben hexadekánt) feloldottuk a bevonó anyag (például etil-celulóz) könnyen párolgó oldószerrel (diklór-metán) készített oldatában. Ennek az oldatnak egy vizes fázisban történő diszpergálásával emulziót kaptunk, amiből az oldószer elpárologtatásával a fényképen látható megjelenésű mikrokapszulák jöttek létre, amelyek megfelelő formában tartalmazták a fázisváltó hőtároló anyagot.

Külföldi együttműködő partnerünkkel (Cseh Tudományos Akadémia Makromolekuláris Kutatóintézete) közösen dolgoztunk ki előállítási módszert a fényképen látható, szilícium-dioxid borítású, paraffin fázisváltó hőtároló anyagot tartalmazó polimer (PGMA) mikrogyöngyök előállítására, melyek vizsgálataink szerint kiváló hőtechnikai tulajdonságokkal rendelkeztek.

Az utolsó fényképen látható csepegtetéses kapszulázó berendezés, valamint többszörös fázisszeparáció és kémiai keresztkötések alkalmazásával mag-héj szerkezetű paraffin/alginát mikrokapszulákat állítottunk elő. Az eredmények újdonsága alapján hazai találmányi bejelentést tettünk.

Az alprojekt végrehajtása során más módszerek kidolgozását is elvégeztük. Így például a szervetlen sóhidrát (kálium-alumínium-szulfát) kapszulamagok előállítására gördülőréteges granulálási eljárást, oldószerelegyben végrehajtott szférikus agglomerációs módszert, és a magok bevonására koacervációs eljárásokat dolgoztunk ki.

Elvégeztük a kapott termékek laboratóriumi léptékű alkalmazástechnikai vizsgálatait is. Erre a célra ciklikus hőterhelési módszert és vizsgáló berendezést dolgoztunk ki.

Az eredményekből nemzetközi folyóiratokban 5 tudományos publikáció, magyar folyóiratban 1 szakcikk, több új eljárás, számos anyagminta, és egy hazai találmányi bejelentés született.

Folyamatok és rendszerek integrációja az energia-megtakarítás és környezeti hatások csökkentése érdekében.

A világ energia felhasználása évről évre növekvő tendenciát mutat. Számos nemzetközi egyezmény célja a Föld felmelegedésének szabályozása, az üvegház hatású gázok - amelyek leginkább a fosszilis tüzelőanyagok elégetéséből származnak - kibocsátásának csökkentése. Nemzetközi szinten az ipari szektor tárt karokkal várja az energia-hatékony és megújuló energiaforrásokat.

A projektben a következő munkacsomagokat definiáltuk:

1. A Total Site integráció és optimalizálási technológia a különböző „lábnyomokkal” kombinálva a környezetre való hatás elemzésére.
2. A Total Site szénmenedzsment és nem szénalapú energiatechnológiák.
3. A folyamat integrációja a távfűtési energia rendszerekkel a szinergikus ipar- és városfejlesztés érdekében
4. A Total Site hulladék hőjének újrahasznosítása
5. A technológia átadása, hasznosítása és terjesztése

Az első munkacsomagon belül megvalósult a nagy üzem-szintű hő- és villamos energia kezelés alapos megértése; szisztematikus, hatékony és megbízható eljárás kidolgozása az energiaigény számítására az adatok és szimulációk bizonytalanságok számszerűsítésével, továbbá megtörtént az üzemek energiafogyasztásának minimalizálása multikritériális és több célfüggvényű optimalizálási megközelítésű szisztematikus keretrendszer kidolgozása bizonytalansági paraméterek figyelembe vételével.

A második munkacsomagban a nagy üzemek szén menedzsmentjének javítása valamint a nagy üzemi szinten a nem szénalapú energiák integrálása volt a cél, amely keretében az energiaforrások megtakarítási lehetőségeit beazonosítva a kezdőponttól a végpontig kidolgozásra került az energia menedzsment folyamata.

Az energiafelhasználás racionalizálását a harmadik munkacsomagban történt meg; a hulladékhő forrásainak beazonosításával és kiválasztásával, integrálva a „Total Site” rendszerbe. Ugyanakkor Total Site integráció technológiájának kiválasztásával és kiterjesztésével megvalósult a hővisszanyerés. A tervezési módszertan bevezetésével a kombinált hő- és villamos energia előállítására történt meg a Total Site kontextusban.

A folyamatokban nagyon sokszor keletkezik nagy mennyiségű, alacsony hőmérsékletű meleg víz, illetve más hő hordozó. Ezeket a folyamatokon belül már nem lehet hasznosítani azonban nagy lehetőség van az ilyen hőforrások távfűtésben történő felhasználására.

A negyedik munkacsomag keretében tervezési módszertan kifejlesztésére került sor, amely a mikro szinttől egészen a makró szintig szisztematikusan integrálja a különböző hő- és villamos energiatermelési technológiákat a lokálisan-integrált elosztott energetikai rendszereken belül

Kifejlesztésre került az energetikai cél-meghatározási eljárás, amely reálisan meghatározza az energia-megtakarítási lehetőségeket az elosztott energetikai rendszerekben; továbbá létrejött egy új top-down megközelítés, amely hatékonyan azonosítja és értékeli az integrált hő-és villamos energia-termelés tervezési lehetőségeket.

Az ötödik munkacsomag keretében kidolgozásra került egy úgynevezett terjesztési stratégiát, amely lehetővé teszi a projekt eredményeinek a széles körű megismertetését; tudományos folyóiratokban, tanulmányokban. A stratégia másik fontos eleme az együttműködések kialakítása lokális, nemzeti és nemzetközi szinten egyaránt; így szoros kapcsolat alakult ki a Veszprémi Közüzemi Szolgáltató Zrt.-vel, a MOL csoporttal, továbbá Maribori Egyetem Vegyészet és Vegyészmérnöki Karával (prof. Kravanja), a Brnoi Műszaki Egyetem Gépészmérnöki Karával (Prof. Stehlik), az osztrák Nowak Abwasserberatung Nowak Waste Water Consult céggel (Prof. Nowak), valamint a Malaysiai Műszaki Egyetemmel (Prof. Manan).

Az együttműködések, közös kutatások által sikerült tanulmányozni az ipari- és a közszférát a maga sajátosságaival.

A projektben folytatott tudományos munkának köszönhetően rangos szakfolyóiratokban - Applied Thermal Engineering [IF=2.624], Energy [IF=4.159], Chemical Engineering Research and Design [IF=2.281], Journal of Cleaner Production [IF=3.59], Chemical Engineering Transactions - megjelent publikációk impakt faktora meghaladja az ötvenet.

Megújuló energia termelése és a technológiai energiaigény csökkentése új vegyipari és energia integrált elválasztás technikai eljárásokkal

A megújuló energia hasznosítás/termelés tipikus alternativái a biomassza közvetlen/közvetett alkalmazása energiatermelésre (ez utóbbi alkalmazás pl. a bioüzemanyag-gyártás) és az energiatermelés különböző ionkoncentrációjú elegyek keverésével membrán eljárások felhasználásával, mint pl. nyomásvisszatartott ozmózis, fordított elektrodialízis. A technológiai folyamatok és rendszerek integrációja (energia integráció, kombinált eljárások, energiahatékonyabb műveletek) is jelentős mértékben javíthatja az energiamegtakarítást és a káros anyag kibocsátást. A fenti témakörökben elvégzett kutatásaink rövid összefoglalóját adjuk meg a következőkben.

1. Lignocellulóz alapú mezőgazdasági hulladék, elsősorban kukoricaszár, felhasználása a második generációs bioetanol előállítására. A kukoricaszár mellett vizsgáltuk a búzaszalma, kukoricahéj, és a kipréselt cukorcirok felhasználását. A bioüzemanyag-termelés fontos lépései: előkezelés, enzimes cukrosítás, fermentáció, a bioetanol elválasztása, töményítése (desztilláció, pervaporáció, vagy ezen eljárások kombinációja), valamint folyamat energihatékonyságának elemzése, javítása. Az egyes lépések közül részletesen vizsgáltuk az előkezelést, valamint a bioetanol töményítését laborméretű és félüzemi berendezéssel és a folyamatok energetikai elemzését.

1. A cellulóz-gazdag biomassza előkezelése:

Az összetett szénhidrátok megbontása alapvető fontosságú. Kísérleteink során hígsavas (1-4 s% kénsav), valamint szerves oldószeres (etanol-víz oldat 10-60 s% etanollal) előkezelést alkalmaztunk, 100 és 220 ^oC hőmérséklettartományban, 30-120 perc időtartammal és 7-15 s% biomassza szuszpenzióval. Megállapítottuk, hogy a legkedvezőbb eredményeket, 85-95 % cukorkinyerést (pl. a kukoricaszár cellulóz és hemicellulóz glükóz tartalmához viszonyítva), a 40-45 s% etanol vizes oldatával, 220 ^oC hőmérsékleten, 60 perc időtartamú előkezeléssel érhetünk el. Ezen eredmények elérik vagy meghaladják a savas előkezelés hatását

1. A cukrosítást citrát (ez bizonyult jobbnak a kísérleteink során és ezt alkalmaztuk a méréseink zömében) és acetát pufferben végeztük Novozyme enzimkeverék (Cellic® CTec2 illetve Cellic® HTec2) alkalmazásával.
2. A fermentálást az ismert körülmények mellett, 33-34 oC hőmérsékleten, pH= 4.9, kereskedelmi élesztővel, laborméretű (1 L hasznos térfogatú) és nagy laboratóriumi (37 L hasznostérfogatú) fermentációs reaktorban végeztük.
3. Az etanol elválasztását/töményítését desztillációval és/vagy pervaporációval végeztük fókuszálva az energiahatékonyság javítására. A desztilláció kombinálása membránelválasztással bíztató lehetőség a viszonylag nagy energiaigényű, jelenleg is általánosan alkalmazott desztilláció energiaigényének csökkentésére. Az etanol töményítésére laborméretű (kb. 100 cm² hasznos felületű) hidrofób (etanol kinyerésére a 4-10 s% etanolt tartalmazó fermentációs oldatból) és hidrofil (víz kinyerése töményebb etanolos oldatból), szerves lapmembrán, valamint kerámia csőmembránt alkalmaztunk. A félüzemi kísérletekhez mindkét membrántípus esetében (mintegy 0,2-1 m² membránfelületű) csőmembránt alkalmaztunk. Megállapítottuk, hogy a membrán eljárás akkor lesz versenyképes a desztillációval szemben az energiaigényt tekintve, ha az elválasztási tényező (a koncentrációk arányának hányadosa a fázisokban) értéke nagyobb, mint 50-100. Jelenleg ilyen minőségű membránt még csak laboratóriumi körülmények között állítottak elő.
4. Vizsgáltuk a desztilláció energiahatékonyságát exergia analízissel.

2. Energiatermelés sóoldatok keverésével és fordított elektrodialízissel. Az előbbi eljárás során nagy sótartalmú (pl. ipari víz) és alacsony sótartalmú (felszíni víz) oldatokat érintkeztetünk a sót visszatartó membránnal, amelyen keresztül a víz áthatol az ozmózis nyomás hatására még hidrosztatikai nyomással szemben is. Ezt a nyomással rendelkező folyadékot hasznosíthatjuk turbina meghajtására. A fordított elektrodialízisnél a koncentráció különbség következtében, az ioncserélő membránokon keresztül fellépő töltésáramot hasznosítjuk áramtermelésre.

1. A házilag készített készülékkel mértük kereskedelmi membránok alkalmazásával a só- és a vízátadás értékeit különböző körülmények (tömény oldali só-koncentráció 10-100 g/L, keringetési sebesség) és számoltuk a keletkező energia mennyiségét. A folyamat mechanizmusának megismerésére és a hatékonyságának javítása céljából matematikai modellt dolgoztunk ki az anyagátadás leírására. Megállapítottuk, hogy híg vizes oldat sótartalmát lehetőleg zérus közelében kell tartani, hogy adott membránnal maximális energiatermelést tudjunk elérni. A kísérleti tapasztalatok alapján egy új, korszerű készüléket terveztünk és építettünk. A készülék alkalmas arra, hogy igen nagy keringetési sebesség mellett (a külső anyagátadási ellenállás csökkentése érdekében) vizsgáljuk a folyamat hatékonyságát. Ugyancsak megvizsgáltuk annak a feltételeit, hogyan valósítható meg az energia termelés zárt körben, az oldatok regenerálásával és folyamatos felhasználásával minimalizálva a környezeti hatást. Ehhez további kísérleteket tervezünk.
2. A fordított elektrodialízissel közvetlenül nyerhetünk villamos energiát. Meglévő készülékkel, amelyhez automatikus adatgyűjtő és rögzítő berendezést terveztünk, vizsgáltuk elsősorban a tömény só-koncentráció és a keringetési sebesség hatását a keletkezett energiára. Megállapítottuk, hogy készülék villamos ellenállása viszonylag nagy és a folyamat hatékonysága valamivel kisebb, mint a nyomás visszatartott ozmózisé.

Mindkét fenti eljárás kulcstényezője a membrán, a minőségének javítása (szelektivitás növelése, anyagátadási ellenállásának csökkentése) alapvető fontosságú az eljárások gazdaságos, ipari alkalmazásához.

3. Exergia analízis. Az energiahatékonyság javításának témakörét az egyre inkább elterjedten használatos exergia analízissel vizsgáltuk. Az exergia az energia hasznos munkavégző képességét mutatja, és ezért használata egyre inkább elterjedőben van. Az ipari folyamtok közül a legleterjedtebben használatos elválasztás technikai művelet a rektifikálás, mely energiafogyasztása jelentős, elsősorban elterjedt alkalmazása és termelési volumene miatt. Rektifikáló rendszereket vizsgálva megállapítottuk, hogy

1. )Az exergia analízis értékelésénél két módon kell az analízist elvégezni, a környezeti állapotokra és egy ideális esetre, amikor is tetszőleges hőmérsékleten állnak rendelkezésre az energiaforrások és nyelők. A helyes energetikai elemzés csak a két analízis eredménye alapján állapítható meg.
2. )A rektifikálás energetikája a csőkemencével történő pontszerű hőközlés esetén szerény.
3. )Kolonnák hőintegrációjánál a kolonnák nyomásának növelése jelentősen rontja az energetikai hatékonyságot, melyet a hőintegráció nem mindig tud kompenzálni.

Energia-optimális világítási rendszerek tervezése és üzemeltetése

Az alprojekt megvalósításában a PE Műszaki Informatikai Karának két egysége, a Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék és a Matematika Tanszék munkatársai, valamint a munkatársak hallgatói vettek részt Dr. Schanda János professzor emeritusz, alprojektvezető irányításával:

Az alprojekt eredményeit tükröző főbb kulcsszavak: LED világítás, cirkadián ritmus, szemkövető

A mai modern világítási rendszerek alapját a LED fényforrásokra épülő világítótestek képezik. Az alprojekt a kutatási tevékenysége során a LED alapú technológia lehetőségeit kihasználva vizsgálta a LED-ek, illetve a LED-es világítótestek élettartam és fotometriai tulajdonságait. Elemeztük továbbá a LED-ek által kibocsájtott sugárzás élettani hatásait a támogatásból beszerzett szemkövető berendezés segítségével a pupillaátmérő változásának tekintetében.

Az alprojektben az energiahatékonyság szempontjából kiemelten fontos LED-fényforrások LM-80 szabvány szerinti élettartam vizsgálatát végeztük, amely 85°C-os emelt hőmérséklet melletti üzemeltetést jelent több ezer órán át. Az ezer óránként elvégzett fénytechnikai és spektrális mérések eredményei alapján becslés adható a LED-ek várható élettartamára. A LED-ek esetében eredményeink alapján megmutattuk, hogy a különböző típusú LED-ek eltérő módon öregednek, de meglepő módon az azonos típusú LED-ek közötti szórás is számottevő. A fehér LED-ek esetében az öregedés során nem csak a fényáram csökkenését figyelhettük meg, hanem a színképi teljesítményeloszlás változását is. Számos neves gyártó fehér LED termékeinek esetében tapasztaltuk a kibocsájtott fény sárgulásának jelenségével, amelynek oka a fénypor öregedésében keresendő. A színképi méréseink során felderítettük, hogy a fénypor transzmissziójának változása okozhatja a kibocsájtott színképi teljesítményeloszlás ilyen irányú változását. A spektrális méréseink során igen hasznosnak bizonyult a projekt során beszerzésre került OceanOptics ADC1000-es illesztő beszerzése, amely lehetővé tette, hogy újra használatba vegyük OceanOptics S2000-es spektrofotométerünket.

Az ember éberségének és a szem pupillaátmérőjének kapcsolatát kísérleti LED-es fények és szemkövető berendezés segítségével vizsgáltuk. A vizsgálat során megállapítottuk, hogy a pupillaátmérő méretét nem csak a látórendszerünket ingerlő fénysűrűség nagysága, hanem a fényinger színképi összetétele is befolyásolja. Korábbi kutatási eredményekből tudjuk, hogy az éberséget befolyásoló színképi tartalom az ipRGC sejtcsoport érzékenységi maximumánál található. A kísérlet során a beüzemelt szemkövető készülék szolgáltatta az éberség vizsgálatához szükséges adatokat. A készülék mérési adataiból kinyerhető a pupilla átmérője, ami fontos mutatója az alany éberségének.

Vizsgáltuk továbbá az egyre népszerűbb LED-es lámpatestek fénytechnikai mérését úgynevezett lámpatest forgató goniofotométer segítségével. Gyakori érv a lámpaforgató goniofotométer alkalmazásával szemben, hogy a vizsgálandó világítótest a mérés során nem a tervezett üzemi pozíciójában működik, és hogy ez a fotometriai értékekben is jelentkezik. A vizsgált lámpatestre rögzített érzékelő segítségével megmutattuk, hogy a forgatás miatt bekövetkezett változások a fotometriai értékekben legfeljebb 0,5%-os eltérést eredményeztek. Munkánk során mérési eredményeinket összehasonlítottuk lámpatestet nem forgató goniofotométeres mérések eredményeivel. Megmutattuk, hogy lámpatest forgató goniofotométer alkalmazható a LED-es világítótestek összfényáramának és fényerősségeloszlásának meghatározására. Ugyanakkor megjegyzendő, hogy a LED-es lámpatest forgatása miatt bekövetkező termikus változások miatt szükség lehet korrekció alkalmazására.

Az alprojekt eredményeiből 4 referált angol nyelvű szakfolyóiratban megjelent cikket, számos nemzetközi és hazai konferencián megjelent közleményt készítettünk. Csuti Péter doktorjelölt készülő PhD értekezésének értékes gyakorlati részei az alprojektben végzett munkák eredménye.

Fenntartható energiaellátó rendszerek koncepcionális tervezése

Kulcsszavak: P-gráf módszertan, fenntarthatóság, energia

Az alprojekt keretében tervezési módszert dolgoztunk ki fenntartható energiaellátó rendszerekhez a P-gráf módszertan segítségével. Áttekintettük a szakirodalmat, modellezési eljárást dolgoztunk ki egy újfajta költség reprezentációra (a költség nyersanyagként jelenik meg), integráltuk a modellbe az ökológiai lábnyom és az emergia fenntarthatósági mértékeket, eljárást dolgoztunk ki a megújuló és a fosszilis energia arányára vonatkozó feltétel kezelésére, szemléltető példákat oldottunk meg, és az eredményeket konferencia előadások és cikkek formájában tettük közzé.

A fenntarthatóság napjaink egyik kiemelten fontos kutatási területe. Az a felismerés ad neki különös jelentőséget, hogy bolygónk erőforrásai végesek, ezért azokat a lehető legnagyobb körültekintéssel kell felhasználni. Számos nemzetközi kutatócsoport foglalkozik azzal, hogy a fenntarthatóság általános fogalmát, pontosítsa úgy, hogy különböző mértékeket definiálnak, amelyek számszerűen megadják, hogy egy termék, egy szolgáltatás mennyire fenntartható. Ezeknek a mértékeknek jelentős tudományos irodalma van. A fenntarthatóság témakörén belül az ellátó rendszerek fenntarthatósága egyre nagyobb figyelmet kap. Az energiaellátó rendszerek az ellátó rendszerek egy speciális területe, amely segítséget nyújt a különböző energiahordozók és az átalakítási technológiák közötti választásban. Hagyományosan az ellátási láncok, arra a kérdésre keresik a választ, hogy mit honnan kell szállítani, hol kell megvenni, illetve eladni. Egy nagyméretű optimalizálási feladat megoldása a cél, ahol a korlátokat teljesítő megoldások közül a lehető leggazdaságosabbat kell meghatározni.

A Pannon Egyetem Rendszer- és Számítástudományi Tanszékén rengeteg tapasztalt gyűlt össze az optimalizálás és a hálózatszintézis területén. Ezt a tapasztalatot kamatoztattuk a fenntartható energiaellátó rendszerek esetében is. A tanszéken dolgozták ki a folyamathálózat szintézis témakörébe tartozó P-gráf módszertant. Ez a módszertan egy új gráf reprezentálási eljáráson, strukturális tulajdonságokat jelentő axiómákon és hatékony algoritmusokon alapszik. A P-gráf módszertan egy általános eszköz a folyamathálózat szintézis területén, amelyet kellő körültekintéssel, nagyon sok féle esetben lehet alkalmazni. Nem csak a legjobb megoldást adja meg, hanem alternatívákat is, a feladat strukturális tulajdonságait kihasználva az általános célú megoldóknál jóval gyorsabban jut el az optimumig, és nem csak egy matematikai modellt oldj meg, hanem a strukturális modellt is szisztematikusan állítja elő.

A P-gráf keretrendszer segítségével új eljárást dolgoztunk ki fenntartható energiaellátó rendszerek tervezésére. Fenntartható energia ellátó rendszerek esetében a fosszilis energiahordozók használatát a minimálisra kell szorítani és fokozatosan egyre nagyobb szerepet kell adni a megújuló energiahordozóknak. Ehhez szükség volt arra is, hogy a költségen kívül fenntarthatósági szempontok is szerepeljenek a modellben

Célunk volt az is, hogy a helyben illetve a régióban található erőforrásokat minél hatékonyabb használjuk fel. Ez nemcsak környezetvédelmi kérdés, hanem hosszabb távon fontos gazdasági, politikai kérdés is, hiszen így jelentősen csökkenhet a külföldi energiahordozóktól való függés. A régiókat azért hangsúlyozzuk külön, mert a helyi energiahordozókat lehet leggazdaságosabban használni. Például egy szénatüzelésű erőműnek a begyűjtési távolsága nem lehet jelentős, mert ellenkező esetben a szállítás, olyan mértékű környezetszennyezéssel jár, amely kioltja, a megújuló energiahordozó használatának az előnyét.

Amennyiben egy térségben több fajta megújuló energiahordozó érhető el, például fa, biogáz, szél, napenergia, stb., akkor ezek felhasználásának mikéntje komplex kombinatorikus feladat. Annak eldöntésére dolgoztunk ki eljárást, hogy a számtalan egymással versengő energiahordozó illetve energiaátalakítási technológia közül melyeket érdemes használni.

A kidolgozott módszer a P-gráf módszertant használja fel és fejleszti tovább. A módszer újdonsága, hogy az optimalizálás során nem csak a költséget veszi figyelembe, hanem több fenntarthatósági értéket is számol modell szinten. Így például az "emergy"-t vagy az ökológia lábnyomot. Ez lehetővé tette, hogy a megoldásokból meghatározzuk a Pareto frontot, vagyis hogy különböző fenntarthatósági mértékekhez milyen költségű megoldások tartoznak.

Az eddig bemutatott fő témán kívül még több kapcsolódó kutatási területen is értünk el eredményeket. Például a kombinatorika és a gráfelmélet területén egy ütemezési probléma megoldási módszerét adtuk meg. Szimulációs keretrendszert dolgoztunk ki energiahordozók szállítására csővezetékekben illetve vonaton. Végül továbbfejlesztettük a P-gráf módszertanhoz kapcsolódó szoftvereket és felhasználtuk ezeket a fejlesztéseket a fő feladat megoldásához. Például a megoldó modul már képes kezelni különböző mértékegységeket vagy például a megoldások táblázatos formában exportálhatóak.

Intelligens mérőrendszerek alkalmazása energiahatékonyság növelésére

Kulcsszavak: mérésadatgyűjtés, szenzorhálózatok, energiatudatos berendezések

A makroszintű monitorozás területén a műholdas képi adatok felhasználása és feldolgozása nyújthat segítséget. A képi adatok felhasználási területe sokrétű; az energiagazdálkodás szempontjából fontosak lehetnek a különböző hőszigetek, az időjárást befolyásoló földrajzi- vagy települési szerkezetek, illetve a közlekedést meghatározó adottságok. Ez irányú kutatásunk fő célja az urbanizáltság becslése műholdas eszközökkel, ugyanakkor fontos kihangsúlyozni, hogy a kifejlesztett módszer jól használható más földfelszínt elemző alkalmazási területeken, annál is inkább, mivel az urbanizáltság mértéke alapvetően a földfelszín takaró függvénye.

Kutatásunkban a földfelszínről készült optikai felvételek elemzésével foglalkoztunk. A jelenleg elérhető megközelítések összehasonlításából következtettünk az eddigi módszerek hiányosságaira és egy új adatbányászati megközelítést javasoltunk. Az új módszer a képeket blokkokra bontja és a blokkokon belül több tucat képi jellemzőt vizsgál meg. Lehetőség van vektorgrafikus adatok (pl. utak) bevonására az elemzésbe. A képi jellemzők alapján ún. Support Vector Machines osztályozókkal a felületet jellemző kategóriákba sorolja az adott cellát, majd több cella együtteséből jellemzi az adott terület urbanizáltságát. Ez utóbbi mutató jól jellemzi a terület beépítettségét, utakkal való behálózottságát, ill. a növénytakaró jelenlétét. Kifejlesztettünk egy nyilvánosan elérhető számítógépes rendszert, amit már több kutatócsoport is letöltött és használ sikeresen. Az alkalmazás fő előnye, hogy a Google Earth által szolgáltatott, ingyenesen elérhető képekkel dolgozik, egyszerűen használható és adaptivitással is rendelkezik, azaz szükség esetén újratanítható. A program eredményeinek megbízhatóságát az urbanizáció becslésében külön kutatásokkal igazoltuk.

A mikroszintű monitorozás fontos elemei lehetnek az olcsó, nagy mennyiségben telepíthető szenzorhálózatos eszközök. Ilyen szenzorokkal az energiafogyasztás figyelemmel kísérhető akár minden fogyasztóra is, kiegészítő szenzorokkal és beavatkozókkal az energiatudatos viselkedés elősegíthető, illetve automatizálható. Kutatásaink során intelligens mérőberendezéseket (vezeték nélküli fogyasztásmérő, jelenlétdetektor, ajtó- és ablaknyitás érzékelő meglévő riasztórendszer felhasználásával), beavatkozókat (intelligens kapcsoló, vezeték nélkül vezérelhető dugaszoló aljazat), illetve fogyasztókat (lámpa) fejlesztettünk. Kialakítottunk egy háztartási vezeték nélküli rendszert, amely több kommunikációs platformot (pl. WiFi, Zigbee, 6lowPan) egységes módon kezel.

Háztartási gépeink egy részének működése szigorúan időkritikus: ezeknek akkor kell működnie, amikor arra a felhasználó utasítást ad (pl. mikrosütő, lámpa TV, stb). A berendezések egy másik része azonban megengedi, hogy működését magasabb szempontok szerint esetleg késleltessük (pl. mosógép, hűtőszekrény, fagyasztó). Ez utóbbi berendezések intelligens működtetéséhez fejlesztettünk algoritmusokat. Ennek keretében működési modelleket dolgoztunk ki háztartási hűtőgépekre, melyek segítségével olyan prediktív vezérlési algoritmusok készítettünk, amelyek az energiaárak figyelembevételével ütemezik a berendezés működését. A kifejlesztett algoritmusok előnyösek mind a fogyasztónak (alacsonyabb energiaszámla), mind a szolgáltatónak (kiegyenlítettebb fogyasztás).

A smart gridekben –a hálózat számítási kapacitását és kommunikációs csatornáit kihasználva – lehetőség nyílik a fogyasztói oldal szabályozására. Ezen belül mi a készülékszintű engedélyezésre (direct control of smart appliances) fejlesztettünk egy új megközelítést. Ennek lényege, hogy figyelembe vesszük a fogyasztók működésének valószínűségi természetét: fix fogyasztási érték előírása helyett egy fogyasztási tartomány adott valószínűségű teljesítését tűzzük ki célul, vagyis reális feladatot tűzünk ki. A módszer alapja, hogy az intelligens mérő fogyasztásengedélyezőként működik: az engedélyezés alapja, hogy a rendszerben engedélyezett fogyasztók aggregált valószínűségsűrűség függvénye eleget kell tegyen annak, hogy a függvény adott határokat csak adott kis valószínűséggel lépjen túl. Ennek biztosítására algoritmust dolgoztunk ki. A módszer vizsgálatára kifejlesztettünk egy szimulációs rendszert, amely alkalmas a fenti fogyasztásengedélyezési algoritmus hatásainak vizsgálatára, elsősorban arra vonatkozóan, hogy az energetikában használt simasági kritériumokra milyen hatást gyakorol a fogyasztásengedélyezés különböző paramétereinek állítása. A módszerek gyakorlati teszteléséhez kifejlesztettünk egy terepen alkalmazható, robosztus és kompakt kivitelű, power-line kommunikáción alapuló fogyasztásengedélyezést megvalósító tesztrendszert egy időjárás naplózó állomással, illetve jelenlét érzékelővel. Ezeknek a mennyiségeknek a regisztrálása pontosíthatja a fogyasztásengedélyezéshez használt statisztikai paraméterek becslését.

Elosztott informatikai rendszerek energia-optimális tervezése

Kulcsszavak: zöld számítástechnika, energiahatékonyság, döntéstámogatás

Az informatikai eszközök amellett, hogy mindennapi életünk részévé váltak széles skáláról választhatóak az okos telefonoktól a szuperszámítógépekig. A választásban azonban gyakran kis szerepet kap az azonos funkció megvalósítása melletti energia felhasználás. Az „Elosztott informatikai rendszerek energia-optimális tervezése” alprojektben a kutatás célja azonos funkciókat megvalósító különböző felépítésű informatikai rendszerek kiépítése és energetikai elemzése, valamint tervezési módszertan kidolgozása adott funkciók ellátására képes legkisebb energia felhasználású informatikai rendszerek kialakításához. Algoritmust határoztunk meg, mely képes alternatív architektúrájú informatikai rendszereket javasolni a kiválasztott szervezetekben fellelhető üzleti folyamatok támogatására. Megvalósítottunk különböző felépítésű rendszereket, mind a hardver, mind a szoftver környezetet tekintve, melyek a kívánt funkciókat képesek biztosítani. Méréseket végzetünk az erőforrás és energia igények meghatározására, amely a funkció ellátása közben a különböző megvalósításokban teljesíti a kitűzött követelményeket.

Az üzleti folyamatok leírása többféle módon lehetséges. Olyan leíró módszert kerestünk, amely egyértelműen meghatározza az egyes folyamatok lépéseit és az ezekhez kapcsolható egyes funkciókat, valamint segíti az erőforrásigények meghatározását. Az erőforrásigények leírása később segítette a kért infrastruktúra megtervezését. Felmérést végeztünk arra vonatkozóan, hogy az egyes hardver gyártók milyen ajánlásokat tesznek termékeik energiafelhasználását érintően. A mérési eredmények mellett ezen ajánlások határozzák meg a folyamatok lefutását támogató infrastruktúrák energiafelhasználását. A mérések előkészítésre megvizsgáltuk, hogy miként lehetséges egy már meglévő rendszer terhelhetőségének mérése konkrét hardver eszközöket figyelembe véve. A rendszerek optimális kialakításának tervezését formális matematikai módszerekkel végeztük. Az alternatív megoldások meghatározásához vizsgáltuk a többcélú optimalizáló módszereket, illetve a korábban több munkánkban már sikeresen alkalmazott P-gráf módszertant. Megterveztünk és megvalósítottunk egy olyan alkalmazást, amely ezen módszertan segítségével meghatározza az energiaoptimális infrastruktúrát.

Az alprojektben a különböző szervezeti formákban megjelenő meghatározott informatikai feladatok elvégzését támogató informatikai rendszerek mérési megoldásainak kivitelezésének elsődleges célja az volt, hogy egy komplex szervezet (pl.: a Műszaki Informatikai Kar) tipikus felhasználási területeit (iroda, gépterem, szerverhelyiség) és módjait (CPU-, GPU-, memória- ill. I/O művelet-intenzív) azonosítsuk, majd az elkészült profilok alapján egy teljesen egyedi fogyasztásmérő rendszer elemeinek megtervezzük, beüzemeljük, valamint a mérési adatok szabványos hálózaton keresztüli továbbítását és központi adatbázisban történő tárolását biztosítsuk. Ehhez kapcsolódóan szükséges volt az egyedi mérőberendezésekből kinyert mérési impulzusok információit a központi adatbázis rekordszerkezetének megfelelő formára alakítani, ehhez egy konverziós szoftver kidolgozása vált szükségessé. További cél, hogy a mérési impulzusok mellett a felhasználási módok vizsgálatához szükséges batch-programozást elvégezzük a kijelölt gépeken. Ennek eredményeként a különböző erőforrás- és ezáltal energiaigényű szoftverek indítását és leállítását is képesek leszünk rögzíteni, a mérőberendezéseknél használt időbélyegekkel.

Az alternatív infrastruktúra és az optimális energiafelhasználást biztosító kiépítés meghatározásához az optimalizálás során a feladatot folyamathálózat-szintézis feladatként vizsgáltuk. P-gráf módszertan segítségével építettünk fel egy olyan modellt, mely figyelembe veszi a vállalatok munkatársai által használt szoftvereket, azok hardverigényeit és az elérhető hardverek specifikációit. A hardver-alkalmazott összerendeléseket a modell egy gyártó folyamatként specifikálja, ahol a cél olyan alkalmazottak „előállítása”, aki a számára megfelelő hardver használatával képes futtatni a szerepköre által definiált szoftvereket. A modellezési feladat egyszerűsítésére egy webes felületet fejlesztettünk, amely lehetővé teszi olyan felhasználók számára is az energia-optimális infrastruktúra tervezését, akik nem ismeretesek a PNS módszertanban. Az elkészített rendszer a szükséges információk összegyűjtése után a modellt automatikusan építi fel az adott vállalatok igényeinek megfelelően, majd egy PNS megoldó szoftver határozza meg a fogyasztás- és költséghatékony megoldásokat. A P-gráf módszertan használatával a rendszer garantáltan optimális megoldást nyújt, és ezen felül képes előállítani a N legjobb megoldást is, vagyis a rendszer képes több alternatívát is adni, ami megfelelő szabadsági fokot biztosít a döntéshozók számára.