Estrategias en la desalación para incrementar la participación de renovables y contribuir a la lucha contra el cambio climático. Caso de estudio: Lanzarote

Abstract

Esta tesis doctoral desarrolla un estudio centrado en la planificación, simulación y análisis de estrategias para incrementar la participación de energías renovables en los procesos de desalación en islas, tomando como caso de estudio la isla de Lanzarote. El trabajo parte del contexto de escasez hídrica y fuerte dependencia energética que caracteriza a muchas regiones insulares, donde la producción de agua potable mediante desalación, habitualmente alimentada con fuentes fósiles, supone un importante reto ambiental y económico. A partir de esta problemática, se plantea la hipótesis de que los avances tecnológicos recientes como la inteligencia artificial, el almacenamiento energético y el diseño flexible de la demanda permiten nuevas estrategias viables que no solo aseguren el suministro de agua, sino que además contribuyan a integrar un mayor porcentaje de energías renovables en los sistemas eléctricos insulares. Para ello, se realiza una revisión sistemática de la literatura científica sobre sistemas de desalación impulsados por energía eólica en islas, clasificando los casos según su tipología y evaluando su viabilidad técnica y económica. Asimismo, se analiza el papel de los volantes de inercia como sistemas de almacenamiento y estabilización energética en microrredes renovables, identificando su potencial para complementar la gestión de la demanda de desalación. Con base en los resultados de estas revisiones, se diseñan y simulan múltiples escenarios energéticos en Lanzarote mediante herramientas como HOMER, aplicando técnicas de optimización multiobjetivo para evaluar el comportamiento de cada estrategia en términos de coste nivelado de la energía, emisiones de CO₂, participación renovable y exceso de electricidad. Los resultados revelan que es posible teóricamente cubrir la demanda eléctrica total de Lanzarote con un porcentaje elevado de integración de renovables y es factible alcanzar un sistema de desalación 100 % renovable, siempre que se dimensionen adecuadamente los recursos eólicos, solares y de almacenamiento. Además, se evidencia que la operación flexible de las plantas desaladoras y el uso de volantes de inercia permiten mejorar la estabilidad del sistema y reducir la dependencia de tecnologías de almacenamiento convencionales. En conjunto, esta investigación demuestra que la desalación no solo es una solución al problema del agua en las islas, sino que también puede desempeñar un papel clave como vector de integración de energías renovables, aportando resiliencia y sostenibilidad al sistema energético insular y contribuyendo a la mitigación del cambio climático.

This doctoral thesis develops a study focused on the planning, simulation, and analysis of strategies to increase the share of renewable energy in desalination processes on islands, using the island of Lanzarote as a case study. The work is based on the context of water scarcity and strong energy dependence that characterizes many island regions, where the production of drinking water through desalination, usually powered by fossil sources, poses a significant environmental and economic challenge. Based on this issue, the hypothesis is proposed that recent technological advances such as artificial intelligence, energy storage, and flexible demand design enable new viable strategies that not only ensure water supply but also contribute to integrating a higher percentage of renewable energy into island power systems. To this end, a systematic review of the scientific literature on wind-powered desalination systems on islands is carried out, classifying the cases according to their typology and evaluating their technical and economic feasibility. Likewise, the role of flywheels as energy storage and stabilization systems in renewable microgrids is analyzed, identifying their potential to complement the management of desalination demand. Based on the results of these reviews, multiple energy scenarios in Lanzarote are designed and simulated using tools such as HOMER, applying multi-objective optimization techniques to evaluate the performance of each strategy in terms of levelized cost of energy, CO₂ emissions, renewable share, and excess electricity. The results reveal that it is theoretically possible to cover the total electricity demand of Lanzarote with a high percentage of renewable integration, and that achieving a 100% renewable desalination system is feasible, provided that wind, solar, and storage resources are properly sized. Furthermore, it is shown that the flexible operation of desalination plants and the use of flywheels allow for improved system stability and reduced dependence on conventional storage technologies. Overall, this research demonstrates that desalination is not only a solution to the water problem on islands, but can also play a key role as a vector for renewable energy integration, providing resilience and sustainability to the island energy system and contributing to climate change mitigation.