Thermoeconomic assessment and multi-objective optimization of a concentrating solar power + photovoltaic + multi-effect distillation plant

Abstract

Esta tesis presenta una evaluación y optimización de una planta de energía solar híbrida integrada con una planta desaladora. El objetivo principal es desarrollar una metodología que permita modelar una planta de Concentración Solar de Potencia + Fotovoltaica + Destilación por Multi-Efecto (CSP+PV+MED) para suministrar energía eléctrica y agua, y optimizar el dimensionamiento en función de variables termoeconómicos, con el fin de estudiar los aspectos sinérgicos que dicha integración produce. Esta tesis se presenta en un formato de cuatro artículos. El trabajo tiene como objetivos: evaluar el desempeño de la planta y la formación del costo de los productos bajo diferentes condiciones, identificar el impacto del dimensionamiento y las condiciones operativas en los costos, determinar la configuración y la ubicación más competitivas y realizar una comparación con respecto a la integración con una ósmosis inversa (CSP+PV+RO) para definir la factibilidad del concepto hibrido y la competitividad frente a alternativas tradicionales de suministro eléctrico y de agua. La metodología se estable como un procedimiento que comprende cuatro fases. Primero, el modelado y la simulación de la planta CSP+PV+MED se realizan con datos horarios, incluyendo la operación de carga parcial de los componentes y la integración entre todos los sistemas. La simulación considera varios factores para evaluar el rendimiento anual de la planta, entre los cuales está la variabilidad de la irradiación solar, el dimensionamiento de los componentes, las diferentes condiciones de operación y los parámetros de la ubicación. Segundo, se lleva a cabo un análisis termoeconómico, que consiste en calcular los costos de cada flujo de la planta en función del costo de los sistemas, el flujo exergético, la exergía destruida y la exergía desechada, con el fin de determinar la distribución de los costos de los sistemas en los productos. A partir de este análisis se obtienen las funciones objetivo: Costo Termoeconómico de Electricidad (TCE), Costo Termoeconómico de Agua (TCW) y Suficiencia Eléctrica y de Agua (Sufe&w). Tercero, se realiza una optimización multiobjetivo del dimensionamiento utilizando un algoritmo genético. El objetivo es determinar las soluciones óptimas que conforman la frontera de Pareto, las cuales minimizan el TCE y TCW y maximizan Sufe&w. Por último, se realiza un proceso de post-análisis, en cual se analizan los resultados de la optimización para múltiples condiciones de estudio, donde se incluye un análisis comparativo con respecto a la integración CSP+PV+RO. Los resultados del estudio revelan que el costo de los componentes tiene la mayor influencia en la formación del costo de los productos, mientras que la operación en carga parcial puede afectar significativamente los costos de electricidad y agua. En cuanto al dimensionamiento de la planta, se demuestra que la integración con una planta PV permite disminuir tanto el TCE como el TCW. Sin embargo, el análisis sobre los tamaños de la planta PV y la planta CSP+MED presentan resultados contradictorios entre sí, donde el mínimo TCE se obtiene para una planta PV grande y una planta CSP pequeña con una planta MED pequeña, y el mínimo TCW se obtiene para una planta PV pequeña y una planta CSP sobredimensionada con una planta MED grande. Para la optimización multiobjetivo, se evidencia que maximizar la producción es un factor relevante, ya que puede dar una visión más amplia sobre cuál es el mejor dimensionamiento. La solución óptima obtenida consiste en una planta PV mediana (PV=40-70 MWe) y una planta CSP grande (SM=3-3.6 y TES=14-18 h) con 6 a 8 unidades MED. Con respecto a la comparación de plantas CSP+PV+MED y CSP+PV+RO, la planta CSP+PV+MED logra obtener TCE competitivos, pero con un TCW 18-30% más alto en comparación con RO. La principal razón de la diferencia es el costo de energía que proviene del sistema CSP. Sin embargo, se pueden alcanzar costos competitivos con una reducción del 30% del CAPEX de los sistemas CSP y MED. En cuanto a la ubicación de la planta, la irradiación solar tiene el efecto más significativo en los costos, donde las ubicaciones ideales deberían tener una DNI superior a 2500 kWh/m2-año. La distancia con respecto al mar incide en los costos de agua, considerando que una ubicación a más de 60 km de la costa no presenta costos competitivos. La altitud sobre el nivel del mar tiene un impacto moderado sobre 500 m, cambiando principalmente la asignación de costos. Sin embargo, su efecto es considerablemente menor que los otros dos factores. Finalmente, se presentan mapas de TCE y TCW con respecto a las variables de ubicación de la planta que se pueden utilizar como herramienta para el análisis preliminar de costos de una planta CSP+PV+MED. Por lo tanto, esta tesis presenta una extensa metodología que contribuye a la investigación de plantas de energía solar y desalación. Los hallazgos dan una idea clara de la viabilidad económica de estas plantas y las mejoras necesarias para lograr costos competitivos.