Planificación de la producción combinada de calor y electricidad en una red urbana de calefacción

Abstract

Hasta hace poco el mercado de la electricidad no estaba sujeto a la competencia, vendiendo además dicha energía únicamente mediante contratos fijos. Con la reciente apertura del mercado eléctrico se ha abierto un abanico de posibilidades que benefician tanto al sector económico como al medioambiental. Han aparecido nuevos tipos de contratos que hacen que la demanda de energía pueda fluctuar lo que hace que las empresas eléctricas deban tener unas mayores previsiones de la demanda. En este punto es en el que aparece como respuesta a este problema la puesta en marcha de la cogeneración en la industria, representando una solución para ambas partes. Por un lado, las empresas eléctricas pueden proveerse de una mayor cantidad de electricidad mientras que, por el otro lado, la cogeneración representa una disminución de los costes para las industrias que la llevan a cabo, ya que ese ingreso extra obtenido por la reventa de la electricidad ofrece la posibilidad de aumentar los beneficios. Además de estas dos ventajas ya expuestas, es cuanto menos reseñable el beneficio que representa para el medio ambiente la adopción de este método debido al aprovechamiento de las materias primas, lo que aumenta el rendimiento de las centrales, así como la disminución de emisiones al medio ambiente. Para llevar a cabo este estudio que determinará la factibilidad de la puesta en marcha de la cogeneración mediante la disminución de los costes, el proyecto que aquí acontece se divide en seis apartados bien diferenciados que, uno tras otro, irán aportando los conocimientos necesarios para la comprensión global del proyecto. En primer lugar se lleva a cabo una introducción en la que se habla de la reciente apertura del mercado eléctrico así como se explica a rasgos generales cual es el objetivo a tratar en este informe. A continuación se puede encontrar una explicación del funcionamiento de las redes de calor urbana así como de la cogeneración. Estas redes de calor urbanas se componen de una o varias unidades de producción de calor (centrales) las cuales usan diferentes materias primas para la producción del mismo, transportándolo mediante una red de distribución primaria hasta diferentes subestaciones de intercambio las cuales, mediante una red de distribución secundaria, llegará a los diferentes hogares. Es en este punto en el que entra la cogeneración, que no es más que el aprovechamiento del calor que expulsan estas centrales (hasta ahora energía perdida) mediante una turbina, intercambiador u otro elemento poder generar electricidad u otro tipo de energía (en este VII proyecto se tratará de electricidad). Este aprovechamiento de la energía se traduce en una disminución del gasto en materias primas (combustibles), en un aumento del rendimiento (ya que con la misma materia prima se obtiene mucho más producto) así como una menor expulsión de desechos al medioambiente. Una vez comprendido el proceso que se quiere obtener con este proyecto, se da paso a la explicación del Formalismo ERTN (“Extended Resource Task Network”), que es el método usado para obtener un modelo lineal del problema a resolver mediante el software ILOG CPLEX. Un ERTN es un grafo orientado que permite modelar las operaciones de flujo de un proceso, estando compuesto de ocho tipos de nodos y cinco tipos de arcos que establecen las bases para la correcta construcción de un modelo lineal. Gracias a estos elementos que componen el ERTN se van a poder modelar balances de materia, así como flujos de materia conservativos y no conservativos. Una vez presentados estos elementos se procede a presentar las restricciones básicas del modelo como son las relaciones entre recursos, las producciones mínimas y máximas de los recursos, la importación/exportación de materia prima, el balance de materia en los nodos de estado, la producción y el consumo de recursos y, finalmente, la función objetivo del problema, que se trata de la minimización de los costes, siendo estos costes el de almacenamiento, el de importación, el coste operativo y la ganancia eléctrica, siendo esta última la que disminuye los costes al tratarse de los ingresos percibidos tras la reventa de electricidad. Una vez descrito el modelo lineal se procede a comenzar con la simulación en el software ILOG CPLEX. Para dicha simulación se van a llevar a cabo dos hipótesis: en primer lugar la respuesta a la demanda de calor y electricidad y en segundo la respuesta únicamente a la demanda de calor, no produciéndose por tanto electricidad, sirviendo esta hipótesis para comparar las dos opciones comprobando qué caso es más beneficioso, pudiendo visualizar a golpe de vista los beneficios económicos que conlleva la puesta en marcha de la cogeneración. Para llevar a cabo la simulación se va a partir de un primer escenario sencillo que sirve para validar el modelo, buscando obtener una buena respuesta a la demanda. Posteriormente en un segundo escenario se añadirán varias hipótesis más como son la adición de la restricción de fluctuación de la demanda, los tiempos de marcha y paro así como se tendrán en cuenta los costes de almacenamiento y de materia prima, que no habían sido tenidos en cuenta en el primer escenario de validación. A continuación en el tercer escenario expuesto se completará aún más el modelo, teniendo en cuenta un factor crucial económicamente hablando. El precio de la electricidad es volátil, lo que conlleva que su precio dependa de diversos factores como puede ser el periodo del día, la época del año o incluso factores puntuales como pudiera ser el aumento del precio de la electricidad como consecuencia de una ola de calor o de frío, lo que lleva al aumento del uso de calefactores o aires acondicionados. Es por ello, que al ser variante el precio, puede darse el caso en el que el precio de reventa de la electricidad sea menor que el precio operativo por estar produciendo la misma, por lo VIII que estaría costando más dinero del que se ganaría por la reventa, no siendo consecuentemente conveniente la puesta en marcha del generador de electricidad. Volviendo a la descripción del escenario, esto será tenido en cuenta por lo que se hará una comparación de la producción óptima en tres sub-escenarios, cada uno de ellos con tres precios de reventa diferentes para ver si el modelo decide poner en marcha el elemento generador de electricidad o no. Además, se tendrán dos demandas diferentes de calor con vistas al escenario final, el más parecido a la realidad. Estas dos demandas diferentes se tratan de vapor a presión media y vapor a presión alta, las cuales deben ser siempre satisfechas al contrario que la electricidad, que será el modelo el que decida si le conviene producir o no. Por último se llegará al escenario final, el cual se aproxima a lo que puede ser un núcleo urbano con industrias muy cerca del mismo. Estas industrias estarán dotadas de elementos que permiten producir energía así como vapor de presiones alta y media, que sirvan tanto para autoabastecerse como para abastecer al núcleo urbano colindante. Asimismo, el núcleo urbano contará también con elementos que le permitirán esta conversión, quedando únicamente que implementar estos cambios para poder ver los resultados finales que se obtendrán. Para finalizar se hará una conclusión de todo lo plasmado en este proyecto recapitulando las soluciones obtenidas buscando obtener resultados concluyentes así como comentar alguna posible mejora que pudiera plantearse.