Development and application of advanced methods for sustainability assessment of energy systems
- Autores: Mario Martín Gamboa
- Directores de la Tesis: J. Dufour (dir. tes.), Diego Iribarren Lorenzo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: David Pedro Serrano Granados (presid.), Jovita Moreno Vozmediano (secret.), Ana Cláudia Dias (voc.), María Nieves Sanjuán Pellicer (voc.), Jose Luis Galvez Martos (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales: Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los Materiales por la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
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- Resumen
Alcanzar sistemas energéticos sostenibles es uno de los retos actuales más importantes para la sociedad. Para lograr este objetivo es necesario el uso de herramientas análiticas que permitan evaluar la sostenibilidad. Entre las numerosas alternativas metodológicas, los enfoques de ciclo de vida (Life-Cycle approaches, LC) como el Análisis del Ciclo de Vida (Life Cycle Assessment, LCA) surgen como una fuente apropiada de cálculo de indicadores de desempeño mientras que el Análisis Envolvente de Datos (Data Envelopment Analysis, DEA) se presenta como una herramienta de análisis multicriterio (Multi-criteria Decision Analysis, MCDA) para cuantificar empíricamente las eficiencias relativas de multiples entidades similares. Debido a las necesidades actuales de las metodologías de ciclo de vida y a las características del DEA, la combinación de ambas metodologías surge como una alternativa apropiada y viable (LC + DEA). Sin embargo, se deben abordar potenciales de mejora con el objetivo de impulsar el uso de esta metodología combinada para la evaluación de sostenibilidad de sistemas energéticos.
Esta tesis desarrolla avances metodológicos en LC + DEA asociados a dos temas principales: mejoras metodológicas para la evaluación económica y social, así como adaptación a especificidades de los sistemas energéticos. Se proponen estrategias directas (ahorros económicos e indicadores de costes del ciclo de vida asociados a valores de referencia operacionales) e indirectas (cálculo de externalidades y coste de emergía) para la mejora de la dimensión económica. Por otro lado, se desarrolla un método que permite identificar indicadores socio-económicos apropiados para su implementación en estudios LC + DEA. Finalmente, se propone el uso de DEA dinámico y la combinación de la metodología LC + DEA con la modelización de sistemas energéticos para hacer frente a las especificidades de estos sistemas (variabilidad operacional y planificación energética mejorada).
Además de avances metodológicos, esta tesis aplica la metodología LC + DEA a tres casos de estudio energéticos haciendo frente a tecnologías convencionales y renovables, así como escenarios energéticos prospectivos. Dado el perfil ambiental y la variabilidad operacional de las plantas de ciclo combinado de gas natural (natural gas combined cycle, NGCC), se realiza un análisis de eco-eficiencia de 20 plantas NGCC durante el periodo 2010-2015, utilizando un enfoque dinámico LCA + DEA. Aunque solo una planta NGCC resulta ambientalmente eficiente, el uso de este método combinado revela un desempeño ambiental favorable del conjunto de plantas evaluadas así como la existencia de una relación entre un alto número de horas de operación y altas eficiencias de impacto ambiental. Respecto a los sistemas energéticos renovables, la metodología LCA + DEA se utiliza para evaluar el desempeño de sostenibilidad de una muestra de 25 parques eólicos. Cuatro de los 25 parques eólicos se identifican como eficientes, mientras que se obtienen reducciones en el consumo de entradas e impactos ambientales para aquellas instalaciones consideradas como ineficientes. De esta manera se obtienen altas reducciones medias en el consumo de entradas operacionales (18-44%), impactos ambientales (19-31%) e indicadores socio-económicos (31%), estando estas reducciones orientadas hacia la repotenciación o la construcción de nuevos parques eólicos ubicados en la misma localización.
Finalmente, la metodología LC + DEA se utiliza para la priorización de escenarios energéticos. En primer lugar, se desarrolla un modelo energético de optimización que representa el sector eléctrico español, demostrando la viabilidad de integrar de manera endógena indicadores de ciclo de vida en modelos energéticos. Posteriormente, la combinación de LCA, modelización energética y DEA dinámico se aplica para la priorización de 15 escenarios para la producción de electricidad en España. Además de un escenario de referencia, se incluyen escenarios basados en restricciones sobre las tecnologías fósiles y extensiones del tiempo de vida de 10 y 20 años de las plantas de carbón y nucleares. La priorización multicriterio de estos escenarios de acuerdo a su eficiencia (o índice de sostenibilidad) revela tres escenarios adecuados para cubrir el futuro hueco de las plantas nucleares y de carbón. Estos tres escenarios consideran restricciones en la entrada de tecnologías fósiles sin captura de CO2, incluyendo en dos de ellos extensiones de 10 y 20 años en el tiempo de vida de las plantas nucleares. Estas consideraciones suponen un incremento en la entrada de renovables, resultando en un desempeño favorable de estos escenarios en términos de sostenibilidad.
En términos generales, el método LC + DEA es un enfoque interdisciplinario que facilita la comprensión de problemas complejos a fin de facilitar la toma de decisiones. La capacidad de la metodología LC + DEA para proporcionar resultados y valores de referencia de sostenibilidad fácilmente comunicables la convierten en una valiosa herramienta orientada a los responsables de la toma de decisiones y la elaboración de políticas energéticas. Así, se espera que los avances metodológicos y las aplicaciones presentadas en esta tesis doctoral allanen el camino hacia un uso extendido de la metodología LC + DEA en el campo de la evaluación de sostenibilidad de sistemas energéticos.
