Thermoeconomic and environmental optimization of polygeneration systems for small-scale residential buildingsintegrating thermal and electric energy storage, renewable energy and legal restrictions.

El sector residencial, responsable del 27% del consumo energético mundial y 17% de emisiones de gases de efecto invernadero aproximadamente, desempeña un papel clave para combatir el cambio climático. Por esto, el uso de sistemas de poligeneración resulta una alternativa apropiada para cubrir las demandas energéticas de los edificios, ya que permiten un uso eficiente de los recursos naturales con un bajo impacto ambiental. En este sentido, esta tesis ha desarrollado un modelo de programación lineal entera mixta (MILP) para investigar estos sistemas de forma sistemática, integrando tecnologías renovables, como la solar y eólica, con almacenamiento de energía térmica y eléctrica, considerando equipos comerciales, teniendo en cuenta aspectos económicos y ambientales en el diseño. La investigación comienza por la forma de abordar el proceso de optimización, partiendo por la elección del método para seleccionar días representativos. Comparando diferentes métodos, se demuestra que su idoneidad depende en gran medida de la variabilidad de las series temporales involucradas en el sistema analizado. Además, se ha desarrollado un nuevo método que mejora los resultados del proceso de optimización. Por otro lado, se ha estudiado la viabilidad del uso de edificios residenciales como microrred. El estudio muestra que resultan rentables con respecto a los sistemas energéticos convencionales actuales, pero es necesario la aplicación de incentivos o permitir la venta de electricidad a un precio razonable para que sean competitivos. Adicionalmente, se han estudiado e identificado sinergias entre los componentes del sistema energético gracias al desarrollo de un modelo termoeconómico, que muestran la importancia de abordar el diseño de los sistemas energéticos considerando conjuntamente tecnologías térmicas y eléctricas, destacando la bomba de calor y los acumuladores de energía como tecnologías claves para lograr soluciones más económicas y sostenibles. Finalmente, se han aplicado las últimas regulaciones españolas de autoconsumo para evaluar su impacto económico y ambiental en el diseño de sistemas energéticos. Además, a través de la aplicación de la optimización multiobjetivo, se analizó si la reciente regulación de autoconsumo se ajusta a las metas europeas e internacionales para combatir el cambio climático. Asimismo, se estudia cómo podría abordarse la regulación para promover el desarrollo de sistemas energéticos sostenibles para el sector residencial. Los resultados sugieren actuar sobre la regulación de autoconsumo para reducir el impacto ambiental de forma efectiva. En general, esta tesis proporciona metodologías e ideas útiles para el diseño de sistemas energéticos sostenibles capaces de cubrir las demandas de energía de los edificios residenciales.The residential sector, responsible of about 27% of the global energy consumption and 17% of the greenhouse gas emissions, plays a key role in the action to combat climate change. In this sense, polygeneration systems could be considered a suitable alternative to attend the energy demands of residential buildings since they enable an efficient use of natural resources with a low environmental impact. This thesis developed a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model to research these kind of systems in a systematic way to integrate renewable energy such as solar and wind energy with thermal and electric energy storage, considering commercial equipment for small-medium scale residential buildings, taking into account both economic and environmental aspects for the optimal design of such systems. The research starts from the suitable way to address the optimization process focused on the selection of the method to select representative days. Through the comparison of different methods, it was demonstrated that its right selection strongly depends on the variability of the time series involved in the analysed system. Besides, a new method was developed in order to improve the results of the optimization process. The developed MILP model was applied to study the feasibility of residential buildings as a microgrid. This innovative approach was found profitable with respect to the current conventional energy systems but it is necessary the application of feed-in tariff schemes or allowing the sale of electricity at reasonable price in order to make them competitive. Further, a thermoeconomic analysis was carried out to evaluate synergies between the components of the energy system. It was shown the importance of considering both thermal and electrical parts in the design of energy systems, highlighting the role of heat pumps and energy storage as key technologies, to achieve more cost-effective and sustainable solutions. Finally, the recent Spanish self-consumption regulations were applied to evaluate its impact on the design of energy systems. Moreover, through the application of multiobjective optimization and the analysis of different trade-off solutions was evaluated if this regulation aligned with European and international goals to combat climate change, and how it could be addressed in order to promote the design of affordable sustainable energy supply systems for the residential buildings. The obtained results suggest to act on the self-consumption regulation in order to achieve more significant reduction of greenhouse gas emissions. Overall, this thesis provided methodologies and useful insights for the design of sustainable energy systems for residential buildings.<br /

Economic and environmental analysis of central solar heating plants with seasonal storage for the residential sector

Buildings represent 40% of the Union’s final energy consumption; the member states should establish a strategy to improve the energy performance in buildings and reduce the consumption of non-renewable primary energy. In Spain, the implementation of the Technical Building Code (CTE) compels to install solar thermal collectors in new buildings providing a minimum solar contribution of domestic hot water (DHW). In north and center European countries, e.g. Denmark, Germany and Austria, new installations also supply heat for the space heating needs. The approach of central solar heating plants with seasonal storage (CSHPSS) is the storage of solar thermal energy from the period of higher offer (summer) to be consumed in the periods of higher demand (winter). These installations are integrated into district heating systems that supply heat for a large number of dwellings and reach a solar fraction of 50% or higher. In this thesis the experience gained in Europe on centralized solar district heating systems with seasonal storage will be transferred to the Spanish situation, in order to establish the conditions and criteria for installing these systems in Spain in the midterm. The main objective of this thesis is the proposal and design of CSHPSS that could be able to provide a high fraction of thermal energy demand with solar thermal energy for different climatic areas. These systems should be feasible from a technical viewpoint, economically acceptable, and with a low environmental impact. That is, this thesis unveils the requirements for the feasibility of CSHPSS and is intended to foster their development in Spain. In order to reach this objective, it has been performed a revision of the state of the art of district heating systems, with emphasis to: i) solar district heating systems and CSHPSS; ii) design and calculation methods that could be used for new systems in Spain; iii) economic data and results from existing solar district heating systems and CSHPSS in Europe and worldwide; and iv) environmental assessment methodologies and analysis performed for solar thermal components and systems. An original calculation method for the analysis, design and evaluation of these installations from technical, economic and environmental points of view has been developed. The variation of solar radiation along the day and the year and the monthly distribution of the residential sector demand are considered. The main advantage of the method developed, compared to other methods, is the simplification of the calculation process and the utilization of simple climatic and demand data. The method developed has also been used to perform parametric analyses that have served to obtain new design criteria for different locations. The technical viability of these installations is not enough argument to motivate their development. The investment cost of these installations has therefore been analyzed according to the main design parameters (area of solar collectors and seasonal storage volume) and validated with results from real projects in north European countries. Moreover, this thesis analyzes the environmental impact of these installations using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology. This impact assessment not only considers the consumption of fuels and electricity for the production of energy but also the consumption of materials for the construction of the plant. Three different environmental assessment methods have been used to determine the impacts generated and avoided by a CSHPSS: i) emission of greenhouse gases and their contribution to the global warming; ii) consumption of primary energy; and iii) environmental indicator IMPACT 2002+, which encompasses a significant range of environmental burdens. Based on the previous thermal, economic and environmental models and analyses developed, appropriate design criteria for CSHPSS in different geographical areas have been established. It has been concluded that design criteria are strongly dependent on the local climatic and demand conditions. Therefore, CSHPSS designs for north European countries cannot be applied in south Europe. Furthermore, it has also been concluded that CSHPSS have a considerable potential in Spain; i.e. it is interesting to build CSHPSS in those regions of Spain with significant heating demand, because they can supply heat to large communities at a competitive cost with a low environmental impact. Finally, from the calculation and analysis tools developed in the thesis, a software application with a friendly user interface has been developed to pre-design CSHPSS. The software is mainly oriented to European locations and provides the thermal performance, economic cost and environmental impact of the evaluated CSHPSS.Los edificios representan el 40% del consumo de energía final de la Unión Europea; los estados miembros deben establecer una estrategia para mejorar la eficiencia energética de los edificios y reducir el consumo de energía primaria no renovable. En España con la entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación (CTE) se ha pretendido sustituir energía procedente de combustibles fósiles por energía solar y se obliga a la instalación de sistemas solares térmicos para proporcionar una contribución solar mínima anual a la demanda de agua caliente sanitaria (ACS). Sin embargo en los países del centro y norte de Europa como Dinamarca, Alemania y Austria, que destacan por su aprovechamiento de la energía solar, vemos que parte de sus nuevas instalaciones aportan energía solar térmica para cubrir también las necesidades de calefacción. El interés de las centrales solares térmicas con acumulación estacional consiste en el aprovechamiento del exceso de captación solar en el periodo de mayor oferta (verano) para su consumo en el periodo de mayor demanda (invierno). Estas instalaciones se integran en sistemas de calefacción de distrito que proveen energía térmica a un elevado número de viviendas alcanzando una fracción solar elevada (> 50%). En esta tesis se adapta al caso de España la experiencia obtenida en Europa acerca de los sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional y se esclarecen las condiciones y criterios que harían interesante su implantación a medio plazo en nuestro país. El principal objetivo de esta tesis consiste en proponer y prediseñar sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional para distintas zonas climáticas y diferentes tamaños de distrito, que sean: i) técnicamente viables, ii) económicamente rentables, y iii) con bajo impacto ambiental. En otras palabras, esta tesis desvela y establece los requisitos para que los sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional sean una alternativa interesante, contribuyendo de este modo al desarrollo de estas instalaciones en España. Para poder alcanzar este objetivo se ha llevado a cabo una revisión del estado del arte de los sistemas de calefacción de distrito, haciendo especial énfasis en: i) sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional; ii) métodos de cálculo y diseño que puedan ser empleados para la propuesta de sistemas de estas características en distintas zonas geográficas de España; iii) datos y resultados económicos de sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional actualmente existentes en Europa y en el mundo; y iv) datos y metodologías para su evaluación ambiental y análisis de ciclo de vida (ACV). Se ha desarrollado un método de cálculo original para el análisis, diseño y evaluación de estas instalaciones desde un punto de vista técnico, económico y ambiental. El método desarrollado considera la variación de la radiación solar a lo largo del día y del año y la distribución mensual de la demanda térmica en el sector residencial. La principal ventaja del método desarrollado frente a otros trabajos es la simplificación del proceso de cálculo y la utilización de datos climáticos y de demanda fáciles de encontrar. Con el método desarrollado se han realizado análisis paramétricos que han servido para definir nuevos criterios de diseño para distintas localizaciones. La comprobación de la viabilidad técnica de estas instalaciones no supondría por si solo un argumento suficiente para impulsar su desarrollo, por tanto se analiza el coste de inversión en función de las principales variables de diseño de la instalación (área de captación solar y volumen del acumulador estacional). Más allá, esta tesis analiza el impacto ambiental de estas instalaciones utilizando la metodología del análisis de ciclo de vida. La evaluación ambiental realizada considera los efectos de los consumos de combustibles y electricidad para la producción de energía térmica, y además el consumo de materiales para la construcción de la planta. Se han utilizado tres métodos diferentes para determinar los impactos ambientales generados y los beneficios ambientales alcanzados: i) emisión de gases de efecto invernadero y su contribución al cambio climático; ii) consumo de energía primaria; y iii) cálculo del indicador ambiental IMPACT 2002+ que abarca una gran variedad de aspectos ambientales. Gracias a los modelos desarrollados y a los análisis llevados a cabo considerando el comportamiento físico, económico y ambiental de los sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional, se han definido criterios de diseño adecuados para diferentes zonas geográficas. Una de las principales conclusiones alcanzadas es que el diseño correcto de estos sistemas depende fuertemente de las condiciones climáticas y de la demanda de las viviendas. Por tanto, los diseños aplicados en el norte de Europa no pueden ser trasladados al sur de Europa. Asimismo se concluye que los sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional son viables técnica y económicamente en las zonas de España con elevado consumo de calefacción; es decir, estos sistemas cuentan en nuestro país con un potencial elevado para atender las necesidades de calefacción de grandes comunidades a un coste competitivo y además con bajo impacto ambiental. Finalmente indicar que a partir de los modelos y herramientas de análisis elaborados se ha desarrollado una aplicación informática de fácil manejo para el pre-diseño de sistemas de calefacción solar de distrito con acumulación estacional, principalmente orientado a localidades europeas, que proporciona el comportamiento térmico del sistema y estima su coste económico e impacto ambiental

Thermoeconomic and environmental synthesis and optimization of polygeneration systems supported with renewable energies and thermal energy storage applied to the residential-commercial sector

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Sistema de calefacción y refrigeración de distrito con bomba de calor, almacenamiento de energía térmica y energía solar fotovoltaica

Estudio comparativo de alternativas para cubrir la demanda de calefacción, ACS y refrigeración de una urbanización de 500 viviendas situada en Zaragoza. Las alternativas cuentan con diferentes combinaciones de las siguientes tecnologías: caldera de combustión, bomba de calor, almacenamiento de energía térmica y paneles fotovoltaicos. Desarrollo del modelo de depósito de almacenamiento mejorado frente al modelo de mezcla perfecta. Optimización económica, se cuantifica la fracción de energía renovable y se estiman y valoran las afecciones medioambientales de las diferentes alternativas

Estudio comparativo de sistemas solares de calefacción de distrito con bomba de calor y almacenamiento de energía térmica para una urbanización en Parque Goya (Zaragoza)

Estudio comparativo de diferentes alternativas para cubrir la demanda de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS) de una urbanización de 1000 viviendas en Parque Goya (Zaragoza). El estudio presenta un modelo diseñado a base de almacenamiento térmico estacional, bombas de calor y paneles fotovoltaicos que es optimizado bajo diferentes criterios y comparado entre si. El trabajo busca la optimización del sistema bien sea maximizando la energía procedente de fuentes renovables, bien minimizando costes o bien minimizando las emisiones. Una vez obtenidas las configuraciones para cada caso, se comparan los modelos entre si y se compara el modelo diseñado con otro diseñado anteriormente para analizar sus puntos fuertes y débiles

Predicción molecular de los triglicéridos de la grasa láctea de oveja por cromatografía líquida de alta eficacia en fase inversa

115 individual peaks were obtained by high-performance liquid chromatography of the sheep milk fat. Triglyceride components of the chromatographic peaks were predicted by means of mathematical equations relationing the log k' of the chromatographic peaks to the molecular variables, equivalent carbon number (ECN) of the possible triglycerides, and chain length (CL) and number of double bounds (DB) of each of the fatty acids of the triglyceride. The 12 main fatty acids obtained by gas chromatography of the total triglyceride fraction were used to estimate the triglyceride composition of the sheep milk fat. The triglycerides presenting high random percentages were considered the principal molecular species when more than one triglyceride were predicted in a chromatographic peak. The main estimated triglycerides of the sheep milk fat were C4:0-C16:0-C16:0, C6:0-C14:0-C16:0, C4:0-C14:0-C16:00, C4:0-C16:0-C18:1 and C6:0-C14:0-C18:1.El análisis por cromatografía líquida de alta eficacia de los triglicéridos de la leche de oveja obtuvo 115 picos individuales. Los triglicéridos componentes de los picos cromatográficos fueron estimados mediante ecuaciones matemáticas que relacionaban el log k' de los picos cromatográficos con las variables moleculares, número equivalente de carbonos (NEC) de los posibles triglicéridos, y longitud de cadena (LC) y número de dobles enlaces (DE) de cada uno de los ácidos grasos del triglicérido. Para la estimación de la composición triglicérica de la grasa láctea se consideraron solamente los 12 ácidos grasos mayoritarios obtenidos en el análisis por cromatografía de gases de la fracción triglicérica total. Los triglicéridos que presentaron altos porcentajes según el cálculo de la composición al azar fueron considerados los principales componentes moleculares cuando en un pico cromatográfico se predecía más de un triglicérido. Los triglicéridos estimados más abundantes en la grasa láctea de oveja fueron C4:0-C16:0-C16:0, C6:0-C14:0-C16:0, C4:0-C14:0-C16:00, C4:0-C16:0-C18:1 y C6:0-C14:0-C18:

Análisis y diseño de sistemas de poligeneración basados en energía solar térmica para el sector residencial-comercial.

El trabajo aborda el estudio de la viabilidad técnica y económica de la implantación de un sistema de poligeneracion en un centro comercial integrando captadores solares, ciclos ORC, enfriadoras mecánicas y de absorción, calderas de gas y acumulación térmica. Se consideran las variaciones temporales de demandas (calor, frío y electricidad), de datos climáticos y de precios de mercado. Se plantean diferentes sistemas y se compara el modo de funcionamiento de cada uno de ellos. Se elabora un modelo de simulación hora a hora durante todo el año que optimiza los costes totales del sistema para cubrir la demanda.<br /

Diseño y análisis de un sistema de generación de electricidad y climatización de un centro comercial situado en Zaragoza

El principal objetivo de este trabajo es el diseño y optimización de costes de un sistema de energía renovable integrado con la red eléctrica capaz de cubrir la demanda de energía eléctrica y de frio de un centro comercial situado en Zaragoza.El sistema de energía renovable a emplear se compone de un campo de concentradores cilindro parabólicos (CCP) que junto con el apoyo de una caldera de biomasa proporcionan la energía térmica necesaria para hacer funcionar un ciclo Rankine orgánico (ORC) con el que se produce la electricidad necesaria en el centro comercial para atender el consumo eléctrico de las maquinas enfriadoras empleadas en la refrigeración y del resto de servicios del centro. El sistema de captación cuenta con tanques de acumulación para almacenar el excedente de energía térmica producida en las horas de máxima radiación, así se consigue alargar la producción de electricidad en el ciclo ORC en las horas en las que no hay radiación.El sistema se ha sobredimensionado para que su producción eléctrica anual sea similar al consumo anual de energía eléctrica del centro comercial. De esta forma se evita su sobredimensionamiento. No obstante, la energía producida no siempre satisface la demanda de electricidad del centro comercial por lo que es necesario comprar energía a la red eléctrica durante algunas horas del año, como pueden ser horas nocturnas de meses de enero en los que la disponibilidad del recurso solar es escasa. Del mismo modo, hay momentos en los que la producción de energía excede al consumo de la misma, como ocurre en los meses de verano, en estos casos se vende el exceso de producción a la red eléctrica.Se plantean diferentes formas de optimizar el sistema variando el tamaño del campo solar, la potencia de la caldera de biomasa y la potencia del ORC entre otros, buscando de este modo optimizar el sistema y estudiar su viabilidad técnica y económica, así como una estimación de la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero que se podría alcanzar.<br /

Diseño y evaluación técnico-económica de sistemas de poligeneración para distritos urbanos, neutros en carbono, basados en energía solar y con almacenamiento de energía térmica.

El trabajo consiste en realizar un diseño y análisis de diferentes configuraciones optimizadas, con el fin de atender mediante sistemas de poligeneración, activados con energía solar, las demandas energéticas horarias de un conjunto de edificios en la ciudad de Zaragoza. Para conseguirlo, se ha llevado a cabo un estudio de las tecnologías existentes para cada uno de los equipos necesarios: colectores solares, enfriadoras mecánicas y de absorción, ciclo Rankine orgánico (ORC), almacenamiento de energía térmica y calderas de gas. También se ha recopilado la información relevante que es necesaria para la optimización de los sistemas propuestos: obtención de todos los parámetros (técnicos, económicos y relativos a las emisiones de gases de efecto invernadero) y ecuaciones que marcan el comportamiento de los dispositivos seleccionados, datos climatológicos que afectan en la operación de dichos equipos, búsqueda y análisis de las demandas energéticas (refrigeración, electricidad y calor para agua caliente sanitaria y/o calefacción) de los edificios que componen el distrito y por último, obtención de los costes de los recursos energéticos (energía eléctrica y gas natural) así como de las emisiones de gases de efecto invernadero que su generación provoca. Para realizar el modelo de los sistemas y la obtención de resultados se han propuesto los modelos matemáticos con el software “Lingo”, el cual, a partir de la minimización del coste anual permite dimensionar los equipos y optimizar su operación horaria a lo largo del año para abastecer cualquier demanda. Además de la optimización de las configuraciones con el criterio económico de minimización del coste anual, también se han analizado los diferentes resultados desde un aspecto medioambiental, ya sea, imponiendo una determinada producción energética con energía solar (fracción solar) o simplemente intentando evaluar y minimizar las emisiones de CO2 equivalentes. Para un estudio más exhaustivo, se ha considerado realizar 3 sistemas diferentes, en el primero de ellos, solamente se atiende la demanda de refrigeración, en el segundo, se atiende también la demanda de electricidad del distrito y en el último, se añade la demanda de calor al anterior. Tras haber realizado diferentes análisis de cada sistema e incluso entre ellos, se puede concluir que es viable técnicamente diseñar sistemas de poligeneración basados en energía solar. Sin embargo, en un primer momento, aunque económicamente con el precio base (precio de la electricidad del primer semestre de 2021) no lo era, tras aumentar este precio base 1,75 veces, sí se han obtenido sistemas de poligeneración basados en energía solar rentables con unas fracciones solares muy considerables: 28,36% para el sistema primero que sólo atiende la demanda de refrigeración, 51,24% para el segundo, que produce electricidad y frío, y 56,88% para el tercero de trigeneración (electricidad, calor y refrigeración).Con todo ello, se demuestran las ventajas que conlleva la poligeneración con energía solar y la necesidad de contar con ella para una transición energética, solamente un panorama económico desfavorable (aumento precios tecnologías y/o gran disminución de precios de la electricidad) impedirían su progreso.<br /

Instalación de energía solar con máquina de absorción para la refrigeración de un centro comercial

En la actualidad, el cambio climático y su impacto medioambiental es uno de los problemas que más preocupan a la humanidad. Los sistemas de producción energética futuros, en su gran mayoría basados en fuentes no renovables, deben adaptarse a un mundo que se enfrenta a grandes desafíos ambientales y avanza tecnológicamente buscando nuevas formas de producción energética que permitan un desarrollo sostenible de la humanidad.En consecuencia, el desarrollo de sistemas energéticos que hagan uso de estas energías renovables constituye una de las actuales líneas de investigación en el campo de la ingeniería mundial. Un punto fuerte de España frente a otros países de la Unión Europea con respecto a los recursos energéticos renovables es la mayor disponibilidad de horas de sol y, por ende, de energía solar. A pesar de poseer un gran potencial para la producción energética mediante energía solar, son escasas las instalaciones de las que se dispone en la actualidad en nuestro país. Esta es la razón por la que se ha decidido enfocar el proyecto en aplicaciones que hacen uso esta fuente de energía. Concretamente, en este Trabajo de Fin de Grado se pretende dimensionar un sistema de refrigeración para un centro comercial en el que un campo solar de concentración de alta potencia suministra calor a una máquina de refrigeración por absorción para satisfacer la demanda de frío. En ausencia de recursos energéticos suficientes procedentes del campo solar, se ha incluido una caldera auxiliar de biomasa para suministrar calor a la máquina de absorción. Asimismo, se hará uso de un sistema auxiliar de refrigeración mecánica en caso de que la máquina de absorción no sea capaz de suministrar por sí misma el frío requerido.Durante el desarrollo del trabajo se definirán los parámetros que caracterizan al sistema y se analizará su variación mediante sucesivas simulaciones con el programa GREENIUS, software desarrollado por el DLR (Centro Aeroespacial Alemán), hasta obtener una instalación que cumpla las especificaciones técnicas y limitaciones impuestas.<br /