Análisis y evaluación de soluciones sostenibles para la optimización de la producción de energía en los sistemas energéticos insulares

• Autores: Juan Carlos Lozano Medina
• Directores de la Tesis: Carlos Alberto Mendieta Pino (dir. tes.), Federico León Zerpa (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: María Jesús Sanchis Sánchez (presid.), Fabián Déniz Quintana (secret.), Eduardo Cano Pleite (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de Telecomunicación e Ingeniería Computacional por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología energética
      • Generación de energía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: accedacris.ulpgc.es
• Resumen

  • 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, 10.153,89 tCO¿eq 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 8,833 %, lo que equivale a 141.620,0 tCO¿eq 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 tCO¿eq/día, o 523.038,12 tCO¿eq/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.

    Palabras clave: Sistema energético insular, CO2, H2, GRG, método Simplex, Optimización, combustión, planta de hidroeléctrica por bombeo (PHB), energía, demanda energética, almacenamiento de energía, biocombustibles, medioambiente, sistemas renovables, gases efecto invernadero.