Tècniques Monte Carlo per a incertesa en portfolis de projectes energètics

El present treball de final de grau consisteix en l’elaboració de portfolis òptims per inversions en projectes energètics mitjançant les tècniques Monte Carlo per calcular el risc i el retorn dels actius. Les tècniques de Monte Carlo consisteixen en la realització de simulacions en què es generen els paràmetres d’entrada a partir de distribucions de probabilitat i es calculen els valors dels paràmetres de sortida a partir d’aquests. Amb el suficient nombre de simulacions es pot determinar quin és el valor esperat del paràmetre de sortida i la seva desviació. S’utilitzen aquestes simulacions per calcular el VAN i el risc de cadascuna de les principals tecnologies renovables: energia eòlica terrestre i marina, energia fotovoltaica, energia solar tèrmica, energia hidroelèctrica de petita potència i energia geotèrmica.Segons la teoria de portfolis, diversificant la inversió en diferents actius es redueix el risc de la inversió. Tant per a les simulacions de Monte Carlo com per la creació dels portfolis s’ha preparat un programa en AIMMS. Aquest programa AIMMS és capaç de definir el porfoli en energies renovables per al valor mínim del retorn que es vulgui obtenir de la inversió

Caracterització i simulació CFD-1D del procés d'evaporació en dipòsits de transport Heavy-Duty

L’objectiu d’aquest treball és estudiar i caracteritzar el comportament del Gas Natural Liquat a l’interior del dipòsit de combustible d’un camió de transport Heavy-Duty quan aquest està estacionat. Quan el camió està estacionat, es produeix un ingrés de calor a l’interior del dipòsit degut a la gran diferencia de temperatura que hi ha entre l’interior i l’exterior del dipòsit. Com el volum del dipòsit es manté constant, el combustible s’escalfa i eleva la pressió del dipòsit. Quan la pressió assoleix un nivell de risc definit pel fabricant, es procedeix a expulsar part del combustible en forma de vapor a través d’una vàlvula de seguretat amb l’objectiu de reduir la pressió a l’interior del dipòsit. La metodologia emprada en el projecte es basa en obtenir en primera instància uns resultats aproximats utilitzant les equacions de la termodinàmica i transferència de calor aproximant el Gas Natural a metà. Posteriorment, es desenvolupa un programa de simulació numèrica tenint en compte la composició del Gas Natural Liquat descrita en la memòria per tal d’obtenir resultats més precisos que s’aproximin al comportament real del combustible. Per a donar validesa als resultats, l’estudi es duu a terme considerant diferents escenaris geogràfics d’Europa en tres temporadesde l’any diferents

Caracterització i simulació CFD-1D del procés d'evaporació en dipòsits de transport Heavy-Duty

L’objectiu d’aquest treball és estudiar i caracteritzar el comportament del Gas Natural Liquat a l’interior del dipòsit de combustible d’un camió de transport Heavy-Duty quan aquest està estacionat. Quan el camió està estacionat, es produeix un ingrés de calor a l’interior del dipòsit degut a la gran diferencia de temperatura que hi ha entre l’interior i l’exterior del dipòsit. Com el volum del dipòsit es manté constant, el combustible s’escalfa i eleva la pressió del dipòsit. Quan la pressió assoleix un nivell de risc definit pel fabricant, es procedeix a expulsar part del combustible en forma de vapor a través d’una vàlvula de seguretat amb l’objectiu de reduir la pressió a l’interior del dipòsit. La metodologia emprada en el projecte es basa en obtenir en primera instància uns resultats aproximats utilitzant les equacions de la termodinàmica i transferència de calor aproximant el Gas Natural a metà. Posteriorment, es desenvolupa un programa de simulació numèrica tenint en compte la composició del Gas Natural Liquat descrita en la memòria per tal d’obtenir resultats més precisos que s’aproximin al comportament real del combustible. Per a donar validesa als resultats, l’estudi es duu a terme considerant diferents escenaris geogràfics d’Europa en tres temporadesde l’any diferents

An analytical solution to optimal heat pump integration

Heat pump integration has a large potential for reducing carbon emissions and operating costs of industrial processes. The Break-even COP method determines the maximum economically- or environmentally feasible heat pump temperature and the level of process heat electrification under specified economic conditions. However, this method fails to capture the optimal heat pump temperature and the possible emissions- and costs reduction in sensible heat processes. The present work introduces an analytical equation based on the Lorenz efficiency approach to determine the optimal heat pump sink temperature, maximizing the operating costs savings or the emission savings. Furthermore, it advances the break-even method to account for heat pumps with a temperature glide by applying a Lorenz efficiency approach. The method is applied to a spray-drier case study, showing a reduction on operation costs of 7.8 % and emissions by 11.9 % by a partial process electrification of 32 %. A parameter study is conducted, underscoring the importance of accurate predictions of the Lorenz efficiency factor and the electricity-to-fuel price and emissions ratios in heat pump integration studies

COP Estimations for High-Temperature Heat Pumps using natural refrigerants

A recent study from Andersen et al. [1] established a portfolio of heat pumps that use natural working fluids, capable of operating efficiently over a broad range of high-temperature conditions. The study conducted simulations on a total of 1056 heat pump models under 1124 different temperature conditions, with up to 150 K of temperature lift . As for the working fluids and heat pump configurations considered in the study, they spanned several hydrocarbons, ammonia, water, carbon dioxide, and many hydrofluoroolefins (HFOs). The configurations included diverse setups such as one-stage, two-stage, and cascade systems, capable of operating both subcritically and transcritically. A more accurate COP model enhances the efficiency, economic viability, and environmental sustainability of heat pump systems by enabling better system design, performance prediction, and cost-effectiveness analysis. In this work, we utilize the top performing heat pump configurations for each of the temperature conditions simulated by Andersen et al. to fit to various COP estimation methods

Advancing Industrial Process Electrification and Heat Pump Integration with New Exergy Pinch Analysis Targeting Techniques

The process integration and electrification concept has significant potential to support the industrial transition to low- and net-zero-carbon process heating. This increasingly essential concept requires an expanded set of process analysis tools to fully comprehend the interplay of heat recovery and process electrification (e.g., heat pumping). In this paper, new Exergy Pinch Analysis tools and methods are proposed that can set lower bound work targets by acutely balancing process heat recovery and heat pumping. As part of the analysis, net energy and exergy load curves enable visualization of energy and exergy surpluses and deficits. As extensions to the grand composite curve in conventional Pinch Analysis, these curves enable examination of different pocket-cutting strategies, revealing their distinct impacts on heat, exergy, and work targets. Demonstrated via case studies on a spray dryer and an evaporator, the exergy analysis targets net shaft-work correctly. In the evaporator case study, the analysis points to the heat recovery pockets playing an essential role in reducing the work target by 25.7%. The findings offer substantial potential for improved industrial energy management, providing a robust framework for engineers to enhance industrial process and energy sustainability

Investigation of industrial high-temperature heat pumps for simultaneous heating and cooling: A brewery case study

Process industries are responsible for a large share of the global energy demand. While refrigeration systems are used in the industry for the supply of cooling, the introduction of high-temperature heat pumps (HTHPs) and electric boilers to supply heat is necessary for the electrification of this industry. Combining the refrigeration system and the HTHP may offer an opportunity to improve the overall efficiency and facilitate the integration of HTHP. However, fluctuating, and non-continuous demands make the integration of a combined heat pump for simultaneous heating and cooling (HPS) more challenging as the heating and cooling capacity for such a system is coupled.This study compared a cascade HPS with an R-717 bottom cycle and R-718 top cycle to a reference system consisting of a R-717 refrigeration system releasing excess heat to the ambient and a HTHP with R-717 and R-718 using the ambient as a heat source. The HPS configuration included heat exchangers with ambient air, and ambient heat sources to meet all combinations of heating and cooling demands. The comparison was carried out for an industrial brewery case and was based on numerical modelling.For each combination of heating and cooling load the usage of ambient air as heat source and sink was adapted and simultaneously the pressure levels in the HPS were optimized for minimum electricity consumption. The influence of the ambient temperature was also analysed.At design conditions the electricity consumption of the HPS was 9.8 % lower than the electricity consumption of reference system, but only 2.1 % lower on a yearly basis, due to the fluctuating demand profiles. This indicates that the HPS did not offer a substantial improvement in in terms of thermal efficiency compared to the reference system