Techno-economic optimization of superconducting cables

Abstract

La demanda creciente de energía y la necesidad de reducir su consumo, hacen necesario encontrar maneras de extender las líneas de transporte de energía con menos pérdidas. En este contexto, el desarrollo de cables superconductores parece necesario. Sin embargo, estos están poco estandarizados y comercializados y su ventaja competitiva no es clara. Para avanzar en esta dirección, este trabajo propone una optimización técnico-económica del mismo. El objetivo de este proyecto es desarrollar un algoritmo que encuentre los parámetros del cable óptimo a construir, dadas unas especificaciones y una configuración de cable determinada. Para optimizarlo, se estudiará el mismo componente a componente, buscando las características que se puedan modificar y cómo. Hecho esto, se definirán las variables del problema de optimización, así como los límites y las funciones objetivo. Los limites del problema serán los rangos de operación del nitrógeno líquido que fluye por el mismo. Primero se utilizará como funciones objetivo la longitud del material superconductor y sus pérdidas. Desués se utilizarán el coste de instalación y el costes operacional. Se implementará con un algoritmo de optimización metaheurístico MOPSO que, mediante unas ecuaciones de dinámica predeterminadas, harán recorrer un enjambre de partículas (puntos candidatos) por el espacio de búsqueda. Para considerar correctamente los dos objetivos antagonistas del problema de optimización, y elegir así las soluciones optimas a cada iteración, se utilizará el criterio de Pareto. Dicho algoritmo se desarrollará por etapas, añadiendo nuevas variables al problema y actualizando las funciones objetivo a cada una. Esto permitirá validar a cada etapa que el resultado obtenido es coherente con el anterior, siendo el primer resultado fácilmente comparable con las características ya conocidas del cable. Todo el código se desarrolará en Matlab.

The growing demand for energy and the need to reduce its consumption makes it necessary to find ways to extend power transmission lines with less losses. In this context, the development of superconducting cables seems necessary. However, these are poorly standardized and commercialized and their competitive advantage is not clear. In order to advance in this direction, this work proposes a technical-economic optimization of it. The objective of this project is to develop an algorithm that finds the parameters of the optimal cable to be built, given a test case and specifications. To optimize it, the cable will be studied component by component, looking for the characteristics that can be modified and how. Once this is done, the variables of the optimization problem will be defined, as well as the limits and the objective functions. The limits of the problem will be the operating ranges of the liquid nitrogen flowing through it. First, the length of the superconducting material and its losses will be used as objective functions. Then, the installation cost and the operational cost will be used. It will be implemented with a metaheuristic optimization algorithm MOPSO that, by means of predetermined dynamics equations, will drive a swarm of particles (candidate points) through the search space. In order to correctly consider the two antagonistic objectives of the optimization problem, and thus choose the optimal solutions at each iteration, the Pareto criterion will be used. This algorithm will be developed in stages, adding new variables to the problem and updating the objective functions at each one. This will allow validating at each stage that the result obtained is consistent with the previous one, being the first result easily comparable with the already known characteristics of the cable. All the code will be developed in Matlab.