Producción combinada de electricidad, calor, frío y agua, de forma ...

Introducción 

Poligeneración: Procedimiento de síntesis y diseño 

Aplicación del procedimiento a un caso real 

Conclusiones 

Producción combinada de electricidad, calor, 

frío y agua, de forma sostenible en el sector 

turístico 

Carlos Rubio Maya 

Director: Javier Uche 

Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética (8-5004-3) 

Departamento de Ingeniería Mecánica 

Universidad de Zaragoza 

Junio de 2009 

C. Rubio Defensa tesis doctoral

Introducción 



Conclusiones 

Contenido 

1 Introducción 

Contexto enérgetico e hidríco 

Análisis del sector turístico 

Objetivos y alcance 

2 Poligeneración: Procedimiento de síntesis y diseño 

Los sistemas multiproducto 

Producción combinada de electricidad, calor, frío y agua 

Procedimiento de síntesis, diseño y operación 

3 Aplicación del procedimiento a un caso real 

Datos del hotel 

Nivel uno: evaluación de diferentes alternativas 

Nivel dos: diseño detallado y operación 

Análisis termoeconómico 

4 Conclusiones 

Síntesis, aportaciones y perspectivas 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 




















Introducción 



Conclusiones 




El problema del agua y la energía en el siglo XXI 

Consumo de energía 

Datos globales: se estima que el consumo de energía primaria 

en el mundo se incremente en un 50 % entre 2005 y 2030, 

[IEA,2008]. 

Localización: las economías emergentes serán las mayormente 

responsables. 

Sectorización: los sectores industrial y de transporte 

experimentaran un crecimiento con un 2,1 % anual, el residencial 

1,5 % y el comercial un 1,9 %. 

Emisiones de CO2 

En el 2004 las emisiones estimadas fueron de 26.900 Mton y se 

pronostica 33.900 Mton en 2015 y 42.900 Mton en 2030, con un 

crecimiento medio del 1,8 %. 


Introducción 



Conclusiones 

Escasez de agua 

Alrededor de 2.800 millones de personas 

viven con alguna forma de escasez de agua, 

[ONU,2008], (Círculo vicioso de pobreza, falta 

de infraestructura, problemas sanitarios y 

subdesarrollo). 

El nivel de vida origina un aumento de la 

demanda mayor al crecimiento demográfico. 

Agua y energía son un binomio (agua 

produce energía, y se necesita energía en el 

ciclo del agua) y su inapropiada generación y 

gestión puede limitar el desarrollo sostenible. 

El cambio climático es una realidad y es 

necesario tomar medidas inmediatas para 

reducir las tendencias actuales, en todos los 

sectores. 





Contenido 

Introducción 



Conclusiones 




















Introducción 



Conclusiones 




Datos macroeconómicos del sector 

El turismo es un fenómeno social y económico de gran impacto, el número de 

desplazamientos fué de 25 millones en 1950 y de 806 millones en 2005, un 

crecimiento anual del 6,5 %. El destino principal: Europa con 717 millones de 

turistas (49,5 % del total), [UNWTO,2008]. 

Ingresos económicos de 6 % de las exportaciones mundiales de bienes y 

servicios, (584.000 M¤). 


Introducción 



Conclusiones 




Macroconsumos de energía y agua 

Consumidor importante de recursos energéticos con 98 TWh, 39 

TWh corresponden a Europa (40 %). 

Consumo de energía medio anual para hoteles de Europa de 

285-364 kWh/m 2 (8 lts/m 2 ). 

Consumo total Europeo de agua del orden de 150-200 millones 

de metros cúbicos por año. 

Consumo entre 215-515 litros/persona-noche, aproximadamente 

65-163 m 3 /habitación-año. 

Destinos de sol y playa más visitados en Europa: Italia, Grecia, 

España y Portugal. 

Evaluación de ahorro estimada en 8 TWh, [Cardona,2001]. 


Introducción 



Conclusiones 




Emisiones de CO2 asociadas al sector 

Las emisiones de GEI se derivan principalmente del transporte y del 

hospedaje, [Gössling,2002]. 

Origen Emisiones [Mton] 

Transporte aéreo 517 

Otros transportes 468 

Alojamiento 274 

Actividades (ocio) 45 

Total 1307 

Total mundial 26.400 

Fracción [ %] 4,95 

Un turista genera aproximadamente 250 kg de CO2 por estancia 

vacacional. 


Introducción 



Conclusiones 




Temporalidad y localización del turismo 

Los meses de Julio y Agosto son los principales meses para el turismo, y el máximo 

grado de ocupación se registra en Agosto. Las CCAA con mayor grado de ocupación 

(GO) son la Balear con más de un 80 %, Canarias y la Comunidad Valenciana con un 

70 %. 

En España el beneficio económico representa 6,8 % PIB, 51.100 M¤, [WTTC,2007]. 


Introducción 



Conclusiones 




Temporalidad y localización del turismo 

Los meses de Julio y Agosto son los principales meses para el turismo, y el máximo 

grado de ocupación se registra en Agosto. Las CCAA con mayor grado de ocupación 

(GO) son la Balear con más de un 80 %, Canarias y la Comunidad Valenciana con un 

70 %. 

En España el beneficio económico representa 6,8 % PIB, 51.100 M¤, [WTTC,2007]. 


Introducción 



Conclusiones 




Distribución del consumo en hoteles 

Distribución típica del consumo de energía [AVEN,2003]. 

Reparto 

Costes 

C. Rubio Defensa tesis doctoral 

Usos

Introducción 



Conclusiones 

Perfiles de consumo en hoteles 




Mayor consumo en los meses de verano, debido primordialmente a: 

Grado de ocupación 

Demanda de aire acondicionado 


Introducción 



Conclusiones 




El crecimiento insostenible es evidente 

El sector es muy dinámico, y su crecimiento desordenado, con efectos 

negativos: 

Deterioro de áreas costeras por alta ocupación 

Elevado consumo de energía y agua (y por tanto emisiones) 

Concentración de la demanda en períodos puntuales: 

Sobredimensionamiento de redes y centros de generación 

Colapso de redes por alta demanda eléctrica (verano) 


Introducción 



Conclusiones 




Reduciendo consumos de energía y agua 

Gestión de la demanda 

Técnicas pasivas 

Calefacción y refrigeración natural 

Aislamiento térmico (puentes térmicos) 

Iluminación diurna 

Control y gestión 

Interruptores automáticos en función de la ocupación 

Control de habitaciones mediante tarjeta de acceso 

Uso de presiones moderadas en los sistemas de distribución 

Tecnologías 

Zonificación de aire acondicionado 

Sistemas de bajo consumo en WC, duchas y grifos 

Válvulas termostáticas 

Sensibilización social (lujo no significa derroche) 


Introducción 



Conclusiones 




Suministrando eficientemente la energía y el agua 

Gestión de la oferta 

EERR 

Instalación de colectores solares para producción de ACS 

Instalación de módulos fotovoltáicos 

Inclusión de energía eólica 

Integración procesos 

Cogeneración, trigeneración 

Recuperación de calor residual 

Uso de tecnologías activadas térmicamente (TAT) 

Desalación de agua salobre y de mar y/o reutilización 

Mejora de instalaciones 

Incorporación de calderas de alta eficiencia 

Uso de combustibles más limpios (gas natural, biomasa, etc.) 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 




















Introducción 



Conclusiones 




Necesidad y propuesta planteada 

El sector demanda altas cantidades de energía y agua de calidad e 

ininterrumpibilidad, que deben ser sostenibles. 

La producción de agua, aunque no es un servicio energético, consume 

energía si se produce externamente, y se puede integrar y almacenar 

en un esquema multifuncional. 

La poligeneración de energía y agua tiene ventajas evidentes para el sector, 

entre ellas: 

Menor consumo de energía primaria y emisiones de CO2 asociadas 

Disminución de la dependencia energética y redes de suministro por 

generación distribuida “in situ” 

Disminución de pérdidas por transporte y estabilización de las redes 


Introducción 



Conclusiones 




Necesidad y propuesta planteada 

El sector demanda altas cantidades de energía y agua de calidad e 

ininterrumpibilidad, que deben ser sostenibles. 

La producción de agua, aunque no es un servicio energético, consume 

energía si se produce externamente, y se puede integrar y almacenar 

en un esquema multifuncional. 

La poligeneración de energía y agua tiene ventajas evidentes para el sector, 

entre ellas: 

Menor consumo de energía primaria y emisiones de CO2 asociadas 

Disminución de la dependencia energética y redes de suministro por 

generación distribuida “in situ” 

Disminución de pérdidas por transporte y estabilización de las redes 


Introducción 



Conclusiones 

Objeto de la tesis 




Esta tesis se centra en la proposición de un suministro eficiente y sostenible 

de agua y energía (incluyendo frío y calor) en zonas altamente dependientes 

de dichos recursos, en particular el sector turístico Mediterráneo. 

Objetivo principal 

Se plantea establecer un procedimiento sistemático que permita la síntesis, 

diseño y operación de esquemas de producción conjunta de electricidad, 

calor, frío y agua, orientados hacia la minimización del impacto ambiental y el 

uso racional de la energía y el agua, manteniendo una rentabilidad 

económica. 


Introducción 



Conclusiones 

Objeto de la tesis 




Esta tesis se centra en la proposición de un suministro eficiente y sostenible 

de agua y energía (incluyendo frío y calor) en zonas altamente dependientes 

de dichos recursos, en particular el sector turístico Mediterráneo. 

Objetivo principal 

Se plantea establecer un procedimiento sistemático que permita la síntesis, 

diseño y operación de esquemas de producción conjunta de electricidad, 

calor, frío y agua, orientados hacia la minimización del impacto ambiental y el 

uso racional de la energía y el agua, manteniendo una rentabilidad 

económica. 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 




















Cogeneración 

Introducción 



Conclusiones 




Producción simultánea de energía térmica y electricidad (tecnología 

probada), aplicaciones [Sala Lizarraga,1994]: 

Sector industrial 

Calefacción de distrito 

Sector residencial: aplicaciones por debajo de los 100-120 o C, para ACS y 

calefacción y rango de potencias 50-2000 kWe. 


Trigeneración 

Introducción 



Conclusiones 




Cogeneración + producción de frío, se pueden integrar tecnologías de 

enfriamiento convencionales y activadas térmicamente. Producción de frío 

en dos niveles de temperatura: 

5-7 o C para aplicaciones de aire acondicionado 

Introducción 



Conclusiones 




Plantas duales: electricidad y agua (cogeneración) 

La integración de la desalación de agua con la producción conjunta de 

electricidad es una apuesta fiable en el Golfo Pérsico dados sus vastos 

recursos de combustibles fósiles. Existen principalmente dos tipos de 

tecnologías: 

Membranas (consumen energía eléctrica) 

Destilación (calor residual en el rango de 60 a 70 o C en LT-MED, 

[Kronenberg,1997]) 

Desalación: proceso altamente consumidor de energía. 


Introducción 



Conclusiones 

Poligeneración 




Término generalizado para describir un sistema integrado que proporciona 

simultáneamente varios productos. 

Adaptada de: (Chicco y Mancarella 2009) 

Según la UE la poligeneración es un proceso integrado de generación 

conjunta de más de un producto energético y/o material utilizando uno o más 

recursos, ya sean renovables o no renovables, o una combinacion de ambos. 


Introducción 



Conclusiones 




Algunas cuestiones no resueltas en poligeneración 

Custiones en investigación ó no completamente resueltas en 

poligeneración [Chicco y Mancarella,2009; Coronas y Bruno, 2007; Cardona y 

Piacentino, 2006]: 

Evaluación del rendimiento (AEP y RGEI) 

Diversidad de tecnologías y su integración 

Síntesis, diseño y operación 

Estrategia de operación adecuada 

Influencia del marco legal en la viabilidad de la propuesta 

Asignación de costes en esquemas multiproducto 

Todas ellas se tratarán en esta tesis. 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 




















Introducción 



Conclusiones 




La propuesta de esta tesis: poligeneración 

Se plantea el uso de un sistema de poligeneración que proporcione electricidad, calor, 

frío y agua de forma simultánea: la propuesta se basa tanto en la creciente demanda 

de estos recursos, como en la viabilidad técnica fundamentada en la co/tri-generación. 

Dos casos serán considerados: 

Poligeneración con planta de OI (energía eléctrica) 

Poligeneración con planta MED (energía térmica) 


Introducción 



Conclusiones 




AEP y RGEI en la poligeneración (Caso OI) 

IAEP = 1 − 

RGEI = 1− 

ɛ E CO2 

ɛ F CO2 

1 

(1 − λE ) ηCHPE RefE + λC COPtat ηCHPH COPRef RefE + λE SCOIRef ηCHPE SCOI RefE + (1 − λC) ηCHPH RefH 

 

(1 − λ E )η CHPE + λ Cη CHPH COP tat 

COP Ref 


1 

 

+ (1 − λC) ηCHPH RefH + ɛW CO2 

ɛF λE ηCHPH SC 

CO2 

OI

Introducción 



Conclusiones 




AEP y RGEI en la poligeneración (Caso MED) 


Introducción 



Conclusiones 




Valores de IAEP y RGEI para un caso sencillo 

Para mostrar el potencial de AEP y RGEI se plantea un caso teórico 

simplificado de un planta de poligeneración (carga constante): 

Subsistema Parámetro Valor Unidad 

MACI Rendimiento eléctrico 37,4 % 

Rendimiento térmico 52,1 % 

LBSE Coeficiente de operación 0,70 - 

DOI Consumo específico 4,0 kWh/m 3 

MED Consumo específico 50,0 kWh/m 3 

Referencia Factor emisión Unidad 

Planta de potencia 0,407 kgCO2/kWhe 

Caldera alta eficiencia 0,202 kgCO2/kWht 

Enfriador eléctrico 0,407 kgCO2/kWhe 

Desaladora OI + CC 1,75 kgCO2/m 3 

Desaladora MED + CC 1,11 kgCO2/m 3 

Referencia Parámetro Valor Unidad Referencia 

Planta de CC Rendimiento eléctrico 49,61 % 2004/8/EC 

Caldera Rendimiento térmico 90 % 2004/8/EC 

Enfriador Coeficiente de operación 4,0 - Mancarella,2008 

Desaladora OI Consumo específico 4,0* kWh/m 3 

Sin referencia 

Desaladora MED Consumo específico 50,0* kWh/m 3 

Sin referencia 


Introducción 



Conclusiones 

IAEP para el ejemplo (Caso OI) 




IAEP en el rango de 0 a 33 % dependiendo de las porciones de electricidad y 

energía térmica destinadas a la planta OI y al enfriador AT. 


Introducción 



Conclusiones 

IAEP para el ejemplo (Caso MED) 




Poligeneración con tecnología MED (ambas referencias) presenta un IAEP 

en el rango de 0 a 25 %. 

λ Ufix = 0, 2 (Ref. MED) λ Ufix = 0, 2 (Ref. OI) 

λ Ufix + λ D + λ C = 1 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 




















Introducción 



Conclusiones 




El problema de la síntesis, diseño y operación 

El problema de mayor dificultad en el dimensionado de sistemas multiproducto es 

determinar la mejor tecnología y diseño del sistema, y el mejor modo de operación en 

cada momento. 

Más explícitamente, se debe dar respuesta a: 

Potencia y número de sistemas motriz primario 

Elección de tecnologías con uso de EERR 

Tipo de sistemas de recuperación de calor 

Uso y gestión operativa de sistemas ATE 

Interconexión con la red eléctrica y agua (tarificación asociada) 

Modo de operación 

Rendimientos e indices de ahorro de energía (normativa) 

Emisiones evitadas 

Indicadores económicos (rentabilidad) 


Introducción 



Conclusiones 




El problema de la síntesis, diseño y operación 

El problema de mayor dificultad en el dimensionado de sistemas multiproducto es 

determinar la mejor tecnología y diseño del sistema, y el mejor modo de operación en 

cada momento. 

Más explícitamente, se debe dar respuesta a: 

Potencia y número de sistemas motriz primario 

Elección de tecnologías con uso de EERR 

Tipo de sistemas de recuperación de calor 

Uso y gestión operativa de sistemas ATE 

Interconexión con la red eléctrica y agua (tarificación asociada) 

Modo de operación 

Rendimientos e indices de ahorro de energía (normativa) 

Emisiones evitadas 

Indicadores económicos (rentabilidad) 


Introducción 



Conclusiones 

Solución clásica del problema 




El procedimiento desde la concepción inicial hasta el diseño final suele 

desarrollarse en tres etapas sucesivas [Frangopoulos,2001]: 

Evaluación preliminar 

Estudio de viabilidad y selección del sistema 

Diseño detallado (proyecto constructivo) 

Esta forma no asegura que la configuración es la más eficiente y rentable, 

cuando: 

Existe alta variabilidad intradiaria de las cargas térmicas y eléctricas 

Se tienen que considerar a priori todas las tecnologías existentes 

En consecuencia, se requiere de procedimientos más eficientes y 

sistemáticos para identificar la mejor solución: optimización matemática. 


Introducción 



Conclusiones 

Solución clásica del problema 




El procedimiento desde la concepción inicial hasta el diseño final suele 

desarrollarse en tres etapas sucesivas [Frangopoulos,2001]: 

Evaluación preliminar 

Estudio de viabilidad y selección del sistema 

Diseño detallado (proyecto constructivo) 

Esta forma no asegura que la configuración es la más eficiente y rentable, 

cuando: 

Existe alta variabilidad intradiaria de las cargas térmicas y eléctricas 

Se tienen que considerar a priori todas las tecnologías existentes 

En consecuencia, se requiere de procedimientos más eficientes y 

sistemáticos para identificar la mejor solución: optimización matemática. 


Introducción 



Conclusiones 

Solución sistemática y general 




Para sistemas energéticos, se han definido diferentes niveles y procedimientos 

de optimización con las siguientes etapas principales [Frangopoulos,2001; 

Floudas,1995]: 

Optimización de la síntesis (equipos e interconexión) 

Optimización del diseño (capacidad, características termodinámicas, etc.) 

Optimización de la operación (rentabilidad) 

Formulación general del problema de optimización 

min f (x) 

h(x) = 0 

g(x) ≤ 0 

Alternativas de solución [Chicco y Mancarella,2009; Ortiga y Bruno, 2007; Beihong 

y Weiding, 2006; Biegler y Grossman, 2004]: 

Programación matemática (cálculo diferencial) 

Métodos de inteligencia artificial (AG, RS, RN, etc.) 


Introducción 



Conclusiones 

Secuencia propuesta en esta tesis 




Se propone un procedimiento secuencial de síntesis, diseño y operación 

(PSDO) de dos niveles: 

Nivel uno: síntesis y diseño preliminar 

Información mensual de las demandas 

Modelado utilizando parámetros “sencillos” 

Selección exclusiva de tecnologías con variables binarias 

Se genera un problema MINLP de bajo coste computacional 

Nivel dos: diseño detallado y optimización de la operación 

Demandas de agua y energía horarias 

Inclusión de sistemas de ATE para atenuar demandas punta 

Modelado complejo de sistemas (incluye carga parcial) 

Problema de optimización NLP de alto coste computacional 


Introducción 



Conclusiones 


















Introducción 



Conclusiones 


















Introducción 



Conclusiones 





El esquema de la secuencia propuesta para la síntesis diseño y operación de 

la poligeneración planteada se resume en la figura: 


Introducción 



Conclusiones 




Planteamiento del problema de optimización 

Se busca cumplir con tres criterios (en ambos niveles): 

Rentabilidad económica 

Ahorro de energía (IAEP) 

Reducción de impacto ambiental (GEI) 

max f (x, y) Parámetro económico, VAN 

hi(x, y) = 0 Modelo energético del sistema 

gi(x, y) ≤ 0 Reducción de GEI y AEP 

i = 1, 2, . . . , m 

x ∈ X ⊆ ℜ n Variables contínuas 

y ∈ Y = {0, 1} Variables binarias (nivel 1) 


Introducción 



Conclusiones 




Planteamiento del problema de optimización 

Se busca cumplir con tres criterios (en ambos niveles): 

Rentabilidad económica 

Ahorro de energía (IAEP) 

Reducción de impacto ambiental (GEI) 

max f (x, y) Parámetro económico, VAN 

hi(x, y) = 0 Modelo energético del sistema 

gi(x, y) ≤ 0 Reducción de GEI y AEP 

i = 1, 2, . . . , m 

x ∈ X ⊆ ℜ n Variables contínuas 

y ∈ Y = {0, 1} Variables binarias (nivel 1) 


Introducción 



Conclusiones 

Función objetivo 




En ambos niveles la función objetivo es económica (VAN) [Biezma y 

Cristóbal,2006]. 

 

VAN = Ccon − (Cvar + OM)pol 

 

n 

(1+r) −1 

r(1+r) n 

 

− (1 + fcost)Cfix 

Los costes de operativos, O&M y costes de inversión se modelan así: 

Cvar = f (precios electricidad, combustible, agua, otros) 

O&M = f (horas de operacion equipos) 

Cfix = f (equipos, capacidad) 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 





















Introducción 



Conclusiones 

Datos básicos del complejo 





El caso de estudio es un complejo hotelero ubicado en la costa del 

mediterráneo español: 

Dos edificios y un bloque de apartamentos (4 estrellas) 

Superficie de total de 20.000 m 2 (construido en 2002) 

468 habitaciones (total) 

Servicio centralizado de aire acondicionado y calefacción 

Restaurante, salas de convenciones y banquetes 


Introducción 



Conclusiones 

Capacidad instalada 

Inventario del equipo instalado: 

454 kWe para cubrir demanda de frío 

1.521 kWt para ACS 

467 kWt para calefaccion 

1.162 kWe para demanda electrica 

Consumos de agua y energía anuales: 





Recurso Consumo Unidad C. específico Unidad 

Electricidad 2.850 MWh 142,80 kWh/m 2 

Gas natural 2.576 MWh 128,80 kWh/m 2 

Agua 63.153 m 3 3,15 m 3 /m 2 

Costes anuales de 363.683 ¤ 

(62 % electricidad, 20 % G.N y 18 % agua) 


Introducción 



Conclusiones 

Información de consumos 

Datos obtenidos de las facturas del hotel. 





Electricidad Gas natural 

Agua 


Introducción 



Conclusiones 





Cálculo de demanda eléctrica y de agua (ACS) 

Demanda eléctrica y agua caracterizada a partir facturas y de curvas típicas 

de demanda: influyen los patrones de uso y grado de ocupación. 


Introducción 



Conclusiones 





Cálculo de demanda de climatización 

Las cargas de calefacción y enfriamiento son determinadas con ESP-r, se 

modelan a partir de: 

características constructivas del edificio 

climatología 

patrones de uso y grado de ocupación 


Introducción 



Conclusiones 





Demandas horarias climatización (nivel dos) 


Introducción 



Conclusiones 

Demandas mensuales (nivel uno) 





Demandas mensuales para utilizar en el nivel uno del procedimiento 

de optimización a partir del nivel horario, (alternativamente se pueden 

utilizar métodos simplificados como los grados-día). 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 





















Introducción 



Conclusiones 

Superestructura con una EP: GN 

Superestructura de nivel uno para elegir la mejor tecnología. 






Introducción 



Conclusiones 

Función objetivo y coste de equipos 





 

 

VAN = Ccon − (Ocost + OMcost ) pol fact − (1 + fcost ) 

(auPmax,u + bu) · Ims,u · yu 

u 

 

 

 

 

Ocost = cng Fp · tp + celc Wimp,p · tp + cagc VAred,p · tp − celv Wexp,p · tp 

p 

p 

p 

p 

OMcost = OMTmps + OMenf + OMdes OMTmps = 

(OMmps · ymps) · 

mps 

 

Wmp,p · tp 

p 

Equipo au bu Ims,u O&M PP PS PLmin 

¤/Pmax ¤ ¤/MWh 

MACI 268,8 155.306 1,19 10 0,36 0,46 0,40 

TG 781,0 0,0 1,19 50 0,30 0,60 0,40 

MTG 2.185,0 0,0 1,01 20 0,23 0,57 0,40 

PCM 4.000,0 0,0 1,19 26 0,40 0,44 0,35 

MST 3.500,0 0,0 1,07 10 0,22 0,70 0,50 

LBSE 122,9 58.785 1,07 5,7 0,70 – 0,20 

LBDE 400,0 0,0 1,01 5,7 1,2 – 0,20 

NHSE 450,0 0,0 1,01 5,7 0,5 – 0,20 

DOI 7.970,4 35.196 1,01 0,13** 1/4 – 0,70 

MED 25.440,0 0,0 1,01 0,10** 1/50 – 0,60 

** ¤/m 3 


Introducción 



Conclusiones 

Información económica necesaria 

Precios de energía y agua considerados: 

RD 616/2007 y RD 661/2007 





Pventa = Ptarifa + Creactiva + Ceficiencia 

Pventa = Pmercado + Prima + Creactiva + Ceficiencia (Pmax,mp ≥ 1 MWe) 

Precios = f (IPC, precio combustible) actualizados trimestralmente 

Recurso Precio unitario Precio unitario Unidad 

T 2007 T 2008 

Gas natural 21,346 32,195 ¤/MWh 

Electricidad (compra) 79,77 66,43 ¤/MWh 

Electricidad (venta) 98,80 106,169 ¤/MWh 

Agua (compra) 1,3 1,3 ¤/m 3 


Introducción 



Conclusiones 

Información económica necesaria 

Precios de energía y agua considerados: 

RD 616/2007 y RD 661/2007 





Pventa = Ptarifa + Creactiva + Ceficiencia 

Pventa = Pmercado + Prima + Creactiva + Ceficiencia (Pmax,mp ≥ 1 MWe) 

Precios = f (IPC, precio combustible) actualizados trimestralmente 

Recurso Precio unitario Precio unitario Unidad 

T 2007 T 2008 

Gas natural 21,346 32,195 ¤/MWh 

Electricidad (compra) 79,77 66,43 ¤/MWh 

Electricidad (venta) 98,80 106,169 ¤/MWh 

Agua (compra) 1,3 1,3 ¤/m 3 


Introducción 



Conclusiones 





Restricciones de igualdad y desigualdad 

Restricciones de igualdad, balances de masa y energia, entrada y salida por 

medio del PP y PS, por ejemplo: 

Wmp,p = 

PLmp,p · Pmax,mp · ymp 

mps 

 

PSmps 

QHmp,p = 

PPmps 

 

· Wmp,p 

Restricciones de desigualdad, limites técnicos, IAEP y RGEI: 

PLmin,u ≤ PLu ≤ PLmax,u 

AEPmin − AEPpol ≤ 0 (RD 616/2007, Directiva 2004/8/EC) 

∆GEImin − ∆GEIpol ≤ 0 

REEmin − REEpol ≤ 0 (RD 661/2007) 

0 kW ≤ Pmax,mp ≤ 1 MW 


Introducción 



Conclusiones 

Variables independientes y solución 





Modelo formado por 44 ecuaciones evaluadas en cada período y 13 

variables binarias de selección de equipos y modo de operación, con 

variables de decisión: 

Pmax,mp 

Pmax,enf 

Pmax,des 

Expresiones y datos codificados en lenguaje GAMS, para la solución del 

modelo se utiliza: 

DICOPT para el problema MINLP 

CPLEX para el problema máster MIP 

BARON para solución óptima global 


Introducción 



Conclusiones 





Resultados según modo de operación 

Parametro Unidad OPC SDT SDE 

We(MACI) kWe 1000 811 417 

QC(LBSE) kWf 350 350 240 

VA(MED) m 3 /h 8,00 7,43 4,83 

VAN ¤ 510.334 347.089 -314.859 

REE % 50,0 66,6 60,1 

IAEP % 0,7 15,68 11,26 

∆GEI ton/año 341,6 689,6 289,5 


Introducción 



Conclusiones 





Análisis de sensibilidad de precios de energía y agua 


Introducción 



Conclusiones 





Análisis de sensibilidad a la localización del hotel 

Variable Unidad Alicante Las Palmas Palma Santander Tarragona Valencia 

Wmp kWe 948 910 914 504 811 869 

QC enf kWf 434 400 397 155 350 361 

VAdes m 3 /h 8,6 8,7 8,4 5,4 7,4 8,6 

VAN ¤ 425.619 442.940 322.729 287.231 347.089 442.509 

REE % 66,4 65,4 66,8 69,5 66,6 67,3 

IAEP % 15,46 14,96 15,75 17,21 15,68 16,03 

∆GEI ton/año 802,0 793,8 774,2 581,8 689,0 821,4 


Introducción 



Conclusiones 





Superestructura con otra única EP: biomasa 

SFC SGAS=1,35 kWe/kg 

PCIgas=5000 kJ/m 3 , 

120 ¤/ton 

Instalacion tipo b.6: We

Introducción 



Conclusiones 





Superestructura con dos EP: GN y ST 

Pmin,SCS W QC VA A VAN REE IAEP ∆ GEI 

% kW kW m 3 /h m 2 

¤ % % ton/año 

0 811 350 7,4 0,0 347,089 66,6 15,6 689,6 

20 769 350 7,4 150,4 191,044 67,3 17,2 715,9 

40 729 350 7,4 300,9 34,857 67,8 18,9 742,3 

60 693 350 7,4 451,3 -121,536 68,3 20,7 768,7 

80 658 350 7,4 601,8 -277,930 68,9 22,6 795,0 

100 621 350 7,4 752,3 -434,381 69,5 24,6 821,4 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 





















Introducción 



Conclusiones 





Configuración detallada: operación en verano 

Esquema con una EP: GN 


Introducción 



Conclusiones 





Configuración detallada: operación en invierno 

Esquema con una EP: GN 


Introducción 



Conclusiones 

Flujo de información en el nivel 2 





Se tienen 8760 datos, para simplificar la carga computacional se 

modeladarán 288 (24 horas*12 meses) datos por demanda. 


Introducción 



Conclusiones 

Función objetivo multiperíodo 





En el nivel dos del procedimiento la función objetivo es nuevamente el VAN: 

 

n 

(1 + r) − 1 

VAN = Ccon − (Cvar + OM)pol 

r(1 + r) n 

 

− (1 + fcost) · Cfix 

El coste de inversión es determinado por: 

Cfix = 

 

 

a(e)Pmax(e) + b(e) 

Cvar = cgn 

i∈MES 

e∈EQUIPOS 

Los costes variables se obtienen por medio de: 

 

nd(i) 

 

nd(i) 

j∈HORAS 

F ij 

11 

+ celc 

i∈MES 

j∈HORAS 

Los costes de operación y mantenimiento son calculados como: 

OM = OM(MACI) 

nd(i) 

W ij 

17 + . . . 

i∈MES 

j∈HORAS 


W ij 

17 + . . .

Introducción 



Conclusiones 

Restricciones de igualdad h(x) = 0 





Para cada subsistema de la planta se plantea su modelo energético, como 

una función de su capacidad. Por ejemplo para el MACI: 

Fmax = 2, 3795 · Pmax(MACI) + 167, 19 

Se define un parámetro de operación a carga parcial: 

La carga parcial se modela como: 

F ij 

11 = 

PL ij 

MACI = 

W ij 

16 

Pmax(MACI) 

 

0, 3249(PL ij 

MACI )2 + 0, 445PL ij 

MACI + 0, 2353 


 

· Fmax

Introducción 



Conclusiones 





Restricciones de desigualdad g(x) ≤ 0 

Restricción de IAEP: 

Rendimiento térmico: 

1 − 

ηCHPH = 

1 

ηCHPH Ref H + ηCHPE Ref E 

≥ IAEPmin 

 

i∈MES nd(i) j∈HORAS [QU(i, j)] 

 

ij 

i∈MES nd(i) j∈HORAS F11 Restricción de RGEI: 

ɛ F 

 

i∈MES 

CO2 

nd (i) 

j∈HORAS [QU (i, j)] 

− 

Ref H 

 

nd (i) 

i∈MES 

 

F 

j∈HORAS 

ij 

 

11 +ɛ E 

 

CO2 nd (i) 

i∈MES 

 

W 

j∈HORAS 

ij 

16 +. . . 


Introducción 



Conclusiones 

Solución y algoritmos empleados 





Se probaron varios optimizadores, el CONOPT (GAMS) ha sido el más 

adecuado. El CONOPT utiliza como fundamento algoritmico el Gradiente 

Reducido Generalizado (GRG) y la programacion lineal y cuadrática 

secuencial para determinar el mínimo de la función objetivo. 

Los datos estadísticos que proporciona el optimizador indican: 

Modelo con 6242 variables 

7109 Restricciones 

6069 Elementos no lineales 

20134 Elementos Jacobianos 

Solución en 732 iteraciones 


Introducción 



Conclusiones 





Resultados para el nivel 2 y comparativa 

Variable Simbolo Nivel 1 Nivel 2 Unidad Dif. [ %] 

Potencia eléctrica MACI Pmax (MACI) 811 895,35 kWe 9,4 

Potencia enfriador 

Capacidad LT- MED 

Pmax (LBSE) 

Pmax (MEDP) 

350 

7,43 

322,37 

7,47 

kWf 

m 

-8,5 

3 /h 0,5 

Capacidad ATC Pmax (ATC) - 2543,5 kWht - 

Capacidad ATF 

Área del HXL 

Pmax (ATF) 

Pmax (HXL) 

- 

- 

2180,2 

33,04 

kWhf 

m 

- 

2 

Área del HXG Pmax (HXG) - 78,52 m 

- 

2 

Área del HXMED Pmax (HSMED) - 35,97 m 

- 

2 

- 

Valor Actual Neto VAN 347.089 284.777 ¤ -21,8 

Coste variable anual Cvar 162.220 164.280 ¤ 1,2 

Costes O&M OM 67.380 74.186 ¤ 9,1 

Inversión 

Tasa interna de retorno 

Cfix TIR 

844.225 

9,67 

1.014.798 

9,20 

¤ 

% 

16,8 

-5,1 

Período de retorno PRS 7,75 7,96 años 2,6 

R. eléctrico, verano REE 66,6 60,5 % -10,0 

R. eléctrico, invierno REE 66,6 49,6 % -34,2 

Ahorro de energía, verano IAEP 15,6 18,0 % 13,0 

Ahorro de energía, invierno IAEP 15,6 0,0 % - 

Reducción de GEI ∆GEI 689,6 865,0 ton/año 20,2 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 





















Introducción 



Conclusiones 





Costes exergoeconómicos con la TCE 

El problema de asignación de costes se ha resuelto por medio de la Teoría del Coste 

Exergético [Lozano y Valero,1993], generando un conjunto de ecuaciones con la forma 

de: 

CPk = CFk + (Z I k 

La Inversion de cada equipo se determina por: 

Z I k = 

 

r(1 + n) n 

(1 + n) n 

Cfixk 

− 1 Nop 

+ Z OM 

k ) 

Los costes de operación y mantenimiento son calculados como: 

Z OM 

k 

= OM k 

Nop 

En la definición F-P se han probado dos alternativas para tratar el calor que genera el 

motriz primario [Temir y Bilge,2004; Deng y Wong,2008]: 

Alternativa Fuel Producto 

A1 B11 B16 + B QCA + B QG 

A2 B11 − B QCA − B QG B16 


Introducción 



Conclusiones 





Coste de producción de la energía térmica 

Parámetro Símbolo MACI LBSE LT-MED OTROS 

Inversión [¤] C fix 393.980 98.405 190.164 165.860 

O&M [¤/año] OM 63.911 5.365,2 5.788,8 0,0 

Inversion acumulada [¤] C fixk 482.600 187.025 278.784 0,0 

Tiempo de operacion [h] Nop 8.322 4.380 8.322 8.322 

Inversion [¤/hora] Z I k 

OM [¤/hora] Z OM 

k 

5,59 4,11 3,23 0,0 

7,68 1,22 0,696 0,0 

Costes A1: 83 - 94 ¤/MWh Costes A2: 32 - 34 ¤/MWh 


Introducción 



Conclusiones 





Coste de producción de la electricidad 

Alternativa 1 Alternativa 2 

Coste alternativa 1: 82-90 ¤/MWh 

Coste alternativa 2: 92-99 ¤/MWh 


Introducción 



Conclusiones 

Coste de producción del frío 





CMPC LBSE 

Alternativa CMPC LBSE 

A1 270 ¤/MWh 400 - 700 ¤/MWh 

A2 300 ¤/MWh 280 - 500 ¤/MWh 


Introducción 



Conclusiones 





Coste de producción del agua desalada. 

Alternativa 1 Alternativa 2 

Coste alternativa uno: 1,4 - 2,4 ¤/m 3 

Coste alternativa dos: 1,0 - 1,5 ¤/m 3 

Con sistemas a pequeña escala y OI, el coste medio es de 0,70 ¤/m 3 


Contenido 

Introducción 



Conclusiones 


















Introducción 



Conclusiones 


Sintesis y consideraciones sobre los resultados 

Con la aplicación de esquemas de poligeneración 

(trigeneración+agua) es posible conseguir ahorros significativos 

de energía primaria y reducir las emisiones de gases de efecto 

invernadero. 

Resultados conservadores: RD 661/2007 (favorable), 

complementos económicos adicionales (CO2, REE). 

El sector turístico es muy adecuado en cuanto a las 4 

demandas, pero son muy variables en el tiempo lo que complica 

la integración. 

En otros sectores con este tipo de demandas, pero más 

estables, puede ser mucho más rentable (no ATE). 

El nivel 1 del PSDO es flexible: permite resolver problemas 

“abiertos” (en cuanto a otras tecnologías, demandas y 

restricciones), y su posterior análisis de sensibilidad inmediato. 


Introducción 



Conclusiones 


Sintesis y consideraciones sobre los resultados 

El marco normativo y los precios de la energía son muy distintos 

en los Estados Miembros. Ej. para España: la venta de agua 

(generación distribuida) aumentaría mucho la rentabilidad. 

El PSDO no tiene restricciones en cuanto al tamaño de la 

instalación: son puramente técnicas y está abierto para poder 

plantear cualquier nueva tecnología. 

La contención de la demanda (en este sector en especial) puede 

ser más importante que un esquema de provisión eficiente: 

hábitos de consumo. 

El análisis termoeconómico permite ver los costes horarios de 

producción dando pautas de gestión del sistema (toma de 

decisiones). 


Aportaciones 

Introducción 



Conclusiones 


Propuesta de producción conjunta de agua y energía 

(trigeneración+desalación) con una definición de IAEP y RGEI 

en función del reparto de energía para cada demanda. 

Propuesta de un PSDO con dos niveles de detalle distintos 

(objetivos, información requerida y complejidad computacional) 

pero con identicas FO y restricciones y con la herramienta más 

eficiente actualmente. 

Validación del PSDO a un complejo hotelero real. 

Aplicación de la TCE (multiproducto y multiperíodo) para 

determinar los costes horarios de los 4 productos, bajo dos 

definiciones F-P para el calor “residual” del motriz primario. 


Perspectivas 

Introducción 



Conclusiones 


Incluir nuevas tecnologías en la superestructura (ciclos cola, 

ORCs, fotovoltaica, eólica). 

Aplicar el PSDO a una planta “piloto” real, integrando un SAD y 

optimización de operación on-line. 

Desarrollo de una herramienta integral de software con interfaz 

gráfica amigable con el usuario final (no experto). 

Extender el procedimiento de optimización a decisiones 

multicriterio (multiobjetivo - restricciones). 

Estudiar resultados con otros métodos de optimización: 

inteligencia artificial (AG, RN, RS, ANT,...) 

Estudiar el impacto socieconómico de esta GD de agua y 

energía, de cara a una planificación energética e hídrica 

sostenible. 


Introducción 



Conclusiones 

¿Preguntas? 



Introducción 



Conclusiones 

¿Preguntas?

Producción combinada de electricidad, calor, frío y agua, de forma ...

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