Thermoeconomic optimization of solar polygeneration plants for producing electricity, desalted water, cooling, and process heat

Esta investigación se centra en la evaluación termoeconómica para la producción conjunta de electricidad, agua, refrigeración, y calor de proceso en plantas de poligeneración solar, con el fin de crear una base de conocimiento científico para el desarrollo de tecnologías de plantas de potencia de concentración solar (CSP) en zonas con altas condiciones de irradiación solar, y el uso racional y óptimo de recursos en esquemas de poligeneración para aumentar la eficiencia global de conversión de energía del sistema, y minimizar los costos de los productos finales. El objetivo principal de esta disertación es modelar, evaluar y optimizar plantas de poligeneración solar, configuradas con una planta CSP con un campo de colectores solares cilindro parabólico, almacenamiento térmico de energía y un sistema de respaldo, un módulo de destilación multi-efectos (MED), un módulo de refrigeración de absorción de simple efecto (REF), y un módulo de calor de proceso (PH), donde el motor impulsor es la planta CSP, considerando que las plantas de poligeneración se localiza en una zona con altas condiciones de irradiación solar y de demanda de energía y agua. Las plantas de poligeneración solar se simulan en un régimen transitorio, en una ubicación representativa con altas condiciones de irradiación solar, como en el norte de Chile. En el desarrollo de esta disertación se utilizaron los programas IPSEpro, Microsoft Excel, MATLAB, EES, y el módulo ExIO como complemento de Microsoft Excel. Para ampliar el análisis termoeconómico en la evaluación de esquemas de poligeneración solar, la metodología incluye el uso de dos métodos termoeconómicos; el primero, basado en el método de costo de exergía, se utilizó para evaluar el costo real de cada producto, en el análisis de sensibilidad del costo de inversión, costo de combustible y de la demanda, y para evaluar los efectos del tamaño del campo solar y el dimensionamiento del almacenamiento de energía térmica. Se investigaron tres configuraciones: dos esquemas de poligeneración y uno de sistemas independientes. Además, se comparó con el método de costo nivelado en términos de asignación de costos y del costo especifico unitario de cada producto. Mientras que el segundo método, basado en el método de exergoeconomía simbólica, se utilizó para analizar en profundidad el proceso de formación de costos de exergía, comparándolo con sistemas independientes, y para establecer la mejor configuración en cogeneración, trigeneración y poligeneración. En el cual, se investigaron veintiún configuraciones: ocho de cogeneración, ocho de trigeneración, cuatro esquemas de poligeneración, y uno de sistemas independientes. Esta disertación fue desarrollada a través de tres artículos científicos. Este estudio revela que una planta de poligeneración solar es más eficiente y rentable que las plantas independientes para una zona con altas condiciones de irradiación solar y proximidad a centros de consumo, como las industrias mineras, que requieren operación continua y suministro de energía y agua con una demanda fundamentalmente constante. Además, de acuerdo con el mercado del norte de Chile, las configuraciones de poligeneración solar son competitivas en cuanto a la producción de electricidad, agua dulce, refrigeración y producción de calor. A su vez, las plantas de poligeneración solar podrían aumentar el beneficio económico vendiendo créditos de carbono y créditos de cuotas de energía renovable basados en el Protocolo de Kyoto y la legislación chilena, respectivamente. También revela que el método termoeconómico es un método de asignación de costos equitativo y racional que es adecuado para ser aplicado en una planta de poligeneración solar. Otro resultado es que este método se recomienda cuando se necesita un análisis más preciso para evaluar los costos de los diferentes productos y para evaluar los beneficios de una planta de poligeneración, en comparación con las plantas independientes. Por otro lado, el método de costo nivelado es un método simple y rápido, y no se requiere un profundo conocimiento de termodinámica, siendo recomendable cuando es necesario realizar un primer acercamiento de los costos de cada producto. Otro resultado importante es que los equipos claves en los cuales el diseño debería ser mejorado en las plantas de multi-generación solar son: colectores solares, subsistemas productivos (plantas MED, REF, y PH), evaporador, y recalentador. También, las configuraciones recomendadas en las plantas de multi-generación solar (cogeneración, trigeneración, y poligeneración) son aquellas en las cuales la planta MED reemplaza al condensador, y la planta REF, así como el módulo PH, se acoplan a las extracciones de turbina. Los resultados obtenidos brindan información útil para señalar el potencial que ofrece la poligeneración solar y podría constituir una guía para comprender estos métodos.