Optimización del diseño y operación de sistemas de cogeneración para el sector residencial comercial

Resumen

La presente tesis desarrolla una metodología para optimizar el diseño y operación de sistemas de cogeneración para edificios del sector residencial-comercial. El problema de optimización del diseño y operación de los sistemas de cogeneración se aborda en cuatro fases: análisis, síntesis, diseño y operación. La fase de análisis permite determinar, bajo hipótesis simplificadoras, la conveniencia de la cogeneración, el tipo de motor a emplear y su tamaño. El planteamiento del problema de optimización se funda con una propuesta de superestructura energética (con motores de gas, intercambiadores de calor, calderas, enfriadoras mecánicas y de absorción, torres de refrigeración, etc.) construida con criterios de integración energética. La superestructura fija el contexto tecnológico (tipos de tecnologías a instalar) del modelo termo-económico de optimización, cuya solución determinará la estructura de equipos y la estrategia de operación de mínimo coste total anual de explotación. La metodología se compone de procedimientos sistemáticos basados en el empleo de técnicas de Programación Lineal Entera (PLE), utilizando variables binarias para imponer restricciones de diseño de tipo estructural (para determinar el tipo de tecnología y la configuración de los equipos) y operacional (para fijar la estrategia de operación más conveniente de los equipos que constituyen el sistema energético). El modelo matemático de los módulos de cogeneración, que contienen los motores de gas y los intercambiadores de calor, contempla el empleo de redes de intercambio de máxima de recuperación térmica. Para conseguirlo se ha elaborado un procedimiento novedoso de diseño de sistemas de máxima recuperación de calor, utilizando criterios de integración térmica. El problema de optimización se formula como un programa de Programación No Lineal Entera (PNLE), donde la función objetivo a minimizar es el coste total anual del ciclo de vida útil del sistema de cogeneración, que involucra al coste fijo anual incluyendo la amortización y mantenimiento de los equipos, y al coste variable asociado a la facturación energética anual. Mediante el manejo apropiado de las restricciones no lineales del programa original se consigue transformar este en un conjunto de programas resolubles con los algoritmos propios de la PLE, con lo que se logra la solución en un tiempo razonable y se garantiza que es un óptimo global. La metodología desarrollada se aplica a la optimización del diseño y operación de un sistema de cogeneración para un distrito urbano de 5000 viviendas ubicado en Zaragoza (España). Finalmente, se aplica la metodología para evaluar la sensibilidad de la solución óptima (estructura del sistema y la operación de los equipos) a las siguientes restricciones de diseño: condiciones financieras, precio del combustible, compra de electricidad, uso de tarifas con discriminación horaria y percepción del complemento económico por mejora de la eficiencia.