Análisis y evaluación de soluciones sostenibles para la optimización de la producción de energía en los Sistemas Energéticos Insulares

Abstract

There is an increasing need for decarbonisation in electricity generation systems, the need to increase the penetration of renewable energies and the need for a broader vision of the management of our resources with better management of our technologies. The Canary Islands' electricity generation systems face environmental, economic and social sustainability challenges, as they are highly dependent on imported fossil fuels for electricity generation, which leads to an increase in the cost of electricity. On the other hand, the penetration of energy from renewable systems is at the stage of being the great challenge to become a reality. With the passage of time, environmental awareness has increased, which has led to the mobilisation of island governments (promoting wind farms, photovoltaic parks and encouraging the installation of photovoltaic systems in public buildings, etc.) and the mobilisation of the end user of energy, promoting the use of electric vehicles, as well as the installation of photovoltaic systems, etc. This reality is confronted with another reality that is not so environmentally beneficial in energy production, namely the age of the existing energy generation equipment in the Canary Islands, which is more than 30 years old, most of which was designed to work with natural gas but which has been adapted for other fuels such as fuel oil, gas oil and all its variants, thus ignoring NG, and assuming all the negative consequences that this entails. The thematic unit of this work tries to innovate solutions, alternatives and seek a better optimisation and balance between types of energy production technologies by combustion, types of fuels, renewables and behaviour of the demand that will lead us to the optimum point of energy production to satisfy the demand and security of supply. That is, for energy production through renewable energies, to achieve the highest possible energy production by optimising and expanding all renewable systems, and for energy production through combustion technologies, to achieve the lowest possible energy production, with the lowest possible emission of greenhouse gases (GHG), without ignoring other variables such as the lowest number of tonnes of fuel consumed, trying to ensure that the fuel used is the least polluting, etc. In this process, several research methods will be implemented to obtain the arguments put forward and which have the capacity to respond and integrate new production systems such as, among others, the integration and incorporation into the electrical system of the pumped hydroelectric plant (PHB) or other compatible energy storage systems. This research reviews, optimises and improves island electricity generation systems (IES) by integrating renewable (including energy storage systems) and non-renewable sources to reduce greenhouse gas emissions. Mathematical models based on numerical optimisation techniques are proposed which, by virtue of a series of scenarios/alternatives, allow the most suitable one to be evaluated depending on the parameter to be optimised (GHG emissions, cost, compatibility, security of supply, etc.). And energy alternatives not explored so far in the Canary Islands are proposed, such as biofuel from Canary Island banana waste. This thesis is supported by the four publications that have derived from it in JCR journals located in the first quartile of the area: - The real possibility of biofuel production from Canarian banana waste (more than 30,000 tons per year), integration, expectations, particularities and consequences, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131848. As a result, the Canarian energy system and energy production based on fossil fuels is affected and improved by the production of bioethanol, which specifically in the Canarian automotive market would produce 41,1451.70 m3 of E-10 petrol for use, which represents 5.9 % of annual petrol consumption and reduces pollutant emissions by 0.6 %, i.e. 10,153.89 tCO2eq. per year in the energy system in Gran Canaria. - For the optimisation and reduction of greenhouse gases in energy production in thermal power plants in the Canary Islands, https://doi.org/10.1016/j.jksus.2024.103345, also valid in any isolated system, an algorithm has been designed that represents a valid tool for the management of such production equipment (combined cycle, gas turbines, steam turbines, two and four-stroke diesel engines, etc.), . The algorithm and methodology offer, through operational research, for the specific case of Gran Canaria, an optimal result, with a reduction of GHG emissions of 8.833 %, which means 141,620.0 tCO2eq. per year in energy production in Gran Canaria. - Given the particularity of the island of Gran Canaria, different options for the best integration of a pumped-storage hydroelectric power plant, specifically ‘Chira-Soria’, have also been investigated and analysed using daily demand patterns according to days of the week, simulating the integration for the year 2023, https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.121128. The pumping-turbine balance has been established at 43.84% turbined and 56.16% pumped, resulting in a daily production of 1,262.13 MWh turbined and 1,778.33 MWh pumped, and establishing the average power used at 52.59 MW turbined and 74.10 MW pumped. The average hours of operation per day are 15.92 hours/day of turbining and 8.08 hours/day of pumping. All this provides the Gran Canaria energy system with 460,677.45 MWh of energy production per year. - On the other hand, the energy storage of surplus wind and photovoltaic energy that has not been possible to integrate into the energy system of Gran Canaria has been promoted, specifically by means of hydrogen storage, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.10.338. A reduction in emissions in Gran Canaria's energy production of 1432.98 tCO2eq/day, or 523,038.12 tCO2eq/year, which represents a reduction of 23.32%, would be achieved, thus faithfully meeting energy production to cover annual demand. The island's energy system has ample capacity for improvement. This thesis is a compendium of four of these investigations which analyse and evaluate sustainable solutions for the optimisation of energy production in island energy systems and which are applicable to the Canary Islands and Gran Canaria.

Se ha incrementado la necesidad de descarbonización en los sistemas de generación de energía eléctrica, así como la de aumentar la penetración de energías renovables y adoptar una visión más amplia en la gestión de nuestros recursos, con una mejor administración de nuestras tecnologías. Los sistemas de generación eléctrica canarios enfrentan retos de sostenibilidad medioambiental, económica y social, ya que dependen en gran medida de los combustibles fósiles importados para la generación de electricidad, lo que conduce a un aumento en su costo. Por otro lado, la integración de energías provenientes de sistemas renovables sigue siendo un gran desafío en su camino para convertirse en una realidad consolidada. Con el paso del tiempo, ha aumentado la concienciación medioambiental, lo que ha impulsado la movilización de los gobiernos insulares (promoviendo parques eólicos y fotovoltaicos e incentivando la instalación de sistemas fotovoltaicos en edificios públicos, entre otras iniciativas), así como la del usuario final de la energía, fomentando el uso de vehículos eléctricos y la instalación de sistemas fotovoltaicos. Esta realidad se enfrenta a otra, menos favorable desde el punto de vista medioambiental, en la producción de energía: la antigüedad de los equipos de generación de energía en Canarias, muchos de los cuales tienen más de 30 años. La mayoría de estos equipos fueron diseñados para funcionar con gas natural, pero han sido adaptados para otros combustibles, como fueloil y gasóleo en sus distintas variantes, dejando de lado el gas natural y asumiendo todas las consecuencias negativas que ello implica. La unidad temática de este trabajo busca innovar en soluciones y alternativas, así como lograr una mejor optimización y equilibrio entre los tipos de tecnologías de producción de energía por combustión, los tipos de combustibles, las fuentes renovables y el comportamiento de la demanda, con el objetivo de alcanzar el punto óptimo de producción de energía que garantice tanto la satisfacción de la demanda como la seguridad del suministro. En el caso de la producción de energía mediante fuentes renovables, se busca maximizar su participación optimizando y ampliando todos los sistemas disponibles. Por otro lado, en lo que respecta a la generación mediante tecnologías de combustión, se pretende minimizar su uso, reduciendo al máximo las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), sin dejar de considerar otras variables, como la reducción del consumo de combustible en toneladas y la utilización de combustibles menos contaminantes. Para ello, se implementarán diversos métodos de investigación con el fin de obtener los argumentos necesarios para el análisis y la integración de nuevos sistemas productivos. Entre estos, se contempla la incorporación al sistema eléctrico de la planta hidroeléctrica por bombeo (PHB) y otros sistemas de almacenamiento de energía compatibles. Esta investigación revisa, optimiza y mejora los sistemas eléctricos insulares de generación (SEI), integrando fuentes renovables (incluyendo sistemas de almacenamiento de energía) y no renovables con el objetivo de reducir las emisiones de GEI. Se proponen modelos matemáticos basados en técnicas numéricas de optimización, los cuales permiten evaluar, a partir de distintos escenarios y alternativas, la opción más conveniente en función del parámetro a optimizar (emisión de GEI, costo, compatibilidad, seguridad del suministro, etc.). Asimismo, se plantean alternativas energéticas hasta ahora no exploradas en Canarias, como el uso de biocombustible derivado de los desechos del plátano canario. Esta tesis está respaldada por las cuatro publicaciones que han derivado de la misma en revistas JCR situadas en el primer cuartil del área: - Se ha trabajado en la viabilidad real de la producción de biocombustible a partir del desecho del plátano canario (más de 30.000 toneladas al año), considerando su integración, expectativas, particularidades y consecuencias (https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131848). Como resultado, el sistema energético canario y la producción energética basada en combustibles fósiles se ven afectados y mejorados con la producción de bioetanol, que, en el mercado canario de automoción, permitiría generar 41.145,70 m³ de gasolina E-10. Esto representa el 5,9 % del consumo anual de gasolina y reduciría las emisiones contaminantes en un 0,6 %, es decir, ϭϬ͘ϭϱϯ͕ϴϵƚ KЇeq anuales en el sistema energético de Gran Canaria. - Para la optimización y reducción de los gases de efecto invernadero en la producción energética de las centrales térmicas en las Islas Canarias (https://doi.org/10.1016/j.jksus.2024.103345), aplicable también a cualquier sistema aislado, se ha diseñado un algoritmo que constituye una herramienta válida para la gestión de estos equipos de producción (ciclo combinado, turbinas de gas, turbinas de vapor, motores diésel de dos y cuatro tiempos, etc.). El algoritmo y la metodología ofrecen, a través de la investigación operativa, un resultado óptimo para el caso concreto de Gran Canaria, con una reducción de las emisiones de GEI del 8,8ϯϯ й͕ ůŽ ƋƵĞ ĞƋƵŝǀĂůĞ Ă ϭϰϭ͘ϲϮϬ͕Ϭ ƚ KЇeq anuales en la producción energética de la isla. - También se ha investigado, dada la particularidad de la isla de Gran Canaria, diversas opciones para la mejor integración de una central hidroeléctrica de bombeo, concretamente “Chira-Soria”, y su análisis mediante patrones de demanda diaria según los días de la semana, simulando su integración para el año 2023 (https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.121128). Se ha establecido el balance bombeo-turbina en un 43,84 % de turbinado y un 56,16 % de bombeo, resultando en una producción diaria de 1.262,13 MWh turbinando y 1.778,33 MWh bombeando, con una potencia media utilizada de 52,59 MW en turbinado y 74,10 MW en bombeo. Las horas medias de operación diarias han sido de 15,92 h/día en turbinado y 8,08 h/día en bombeo. Todo ello proporciona al sistema energético de Gran Canaria una producción anual de 460.677,45 MWh. - Por otro lado, se ha impulsado el almacenamiento energético del excedente de energía eólica y fotovoltaica que no ha podido integrarse en el sistema energético de Gran Canaria, utilizando almacenamiento mediante hidrógeno (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.10.338). Con esta estrategia, se lograría una reducción en las emisiones de la producción energética de la isla de 1.432,98 ƚ KЇeqͬĚşĂ͕ Ž ϱϮϯ͘Ϭϯϴ͕ϭϮ ƚ KЇeq/año, lo que representa una disminución del 23,32 %, cumpliendo fielmente con la producción de energía necesaria para cubrir la demanda anual. El sistema energético insular tiene un amplio margen de mejora. En esta tesis por compendio se presentan cuatro investigaciones que analizan y evalúan soluciones sostenibles para la optimización de la producción de energía en los sistemas energéticos insulares, con aplicación en Canarias y, específicamente, en Gran Canaria.