A study of the water-energy nexus in power plants

Résumé

La tesis se llevó a cabo a través de compendio de artículos científicos, de modo que se lleva a cabo un resumen de cada artículo, así como la información de cada uno. Artículo 1 Título: Optimal gas treatment and coal blending for reduced emissions in power plants: A case study in Northwest Spain. Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Energy DOI: 10.1016/j.energy.2018.12.089 Resumen: En este trabajo se ha desarrollado un marco de toma de decisiones para el diseño de la sección de tratamiento de gases de combustión de una central eléctrica, que incluye operaciones de remoción de partículas, NOx y SO2. Se ha aplicado a una central térmica de carbón en España para seleccionar las tecnologías óptimas y su secuencia. Se han desarrollado modelos sustitutos para los tratamientos. El problema corresponde a una programación no lineal entera mixta que incluye la eliminación de NOx catalítica y no catalítica, lo que permite varias asignaciones para la tecnología catalítica, precipitación electrostática y eliminación de SO2 húmedo o seco. Se reformula como un problema no lineal para evaluar las oportunidades de bypass. La optimización sugiere el uso de precipitación electrostática, seguida de la eliminación catalítica de NOx y la eliminación de SO2 seco. A continuación, también se ha resuelto un problema de mezcla de carbón para dos funciones objetivo. Cuando solo se consideran los costos de tratamiento, se recomienda el uso de carbón importado, pero un aumento del 4% en su precio puede cambiar la decisión por el uso de carbón nacional. Si la energía del carbón se agrega a la función objetivo, el carbón de alquitrán crudo se incluye en la mezcla y el carbón importado se usa para mantener las emisiones dentro de los límites. La oxidación forzada de piedra caliza es la tecnología seleccionada. Artículo 2 Título: Optimal Flue Gas Treatment for Oxy-Combustion-Based Pulverized Coal Power Plants Autores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Industrial & Engineering Chemistry Research DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04453 Resumen: La oxicombustión es reconocida como la tecnología más limpia que utiliza carbón como fuente de energía. La limpieza de los gases de combustión es esencial para un funcionamiento sostenible. En este trabajo se determina la selección óptima de las tecnologías de tratamiento de gases de combustión en centrales de oxicombustión. Se utiliza un procedimiento de dos etapas que combina heurística y programación matemática para evaluar las tecnologías involucradas, incluida la caldera, la desnitrificación, la precipitación electrostática, la eliminación de dióxido de azufre y la captura de carbono. Para el funcionamiento de la planta, se debe seleccionar la alimentación de carbón. Se resuelve un problema de mezcla extendido para evaluar el tipo de carbón que se comprará en función de su costo y composición. El procesamiento óptimo de los gases de combustión consiste en la precipitación electrostática, seguida de la eliminación de SO2 seco y la purificación de CO2 con zeolitas. No se requiere ningún método de desnitrificación específico debido a los bajos niveles de concentración de NOx generados en la oxicombustión. Esta hoja de flujo se utiliza para seleccionar uno entre una mezcla de tres tipos diferentes de carbón: alquitrán de hulla nacional, importado y crudo. Sin embargo, no se recomienda ninguna mezcla ya que se seleccionó alquitrán de hulla crudo. Aunque los costos de procesamiento son más altos, se ve compensado por el menor coste de la materia prima. Artículo 3 Título: On the water footprint in power production: Sustainable design of wet cooling towersAutores: Lidia S Guerras y Mariano Martín. Revista: Applied Energy DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.114620 Resumen: Las plantas de energía renovable deben instalarse donde esté disponible el recurso principal. El clima afecta el diseño y la huella hídrica de estas plantas. Se estudian dos tipos de ciclos de potencia, un ciclo Rankine regenerativo, representativo de biomasa y plantas termosolares, y el ciclo combinado, correspondiente a procesos basados en biogás o gasificación. Las instalaciones se modelan en detalle unidad por unidad para calcular el rendimiento del ciclo, el trabajo del condensador, el consumo de agua y la geometría de la torre de enfriamiento húmedo de tiro natural para su diseño sostenible. Las regiones cálidas, apropiadas para instalaciones solares, y las regiones húmedas requieren torres más grandes y caras. Las áreas con alta disponibilidad solar también muestran un mayor consumo de agua, lo que representa un intercambio para un futuro sistema de energía basado en energías renovables. Además, también se han desarrollado pautas de diseño y modelos sustitutos para estimar el consumo de agua, el tamaño de la torre de enfriamiento y su costo en función del clima. Los sustitutos son útiles para el análisis de la huella hídrica de un sistema de energía de base renovable que sustituye al de base fósil. Artículo 4 Título: Multilayer Approach for Product Portfolio Optimization: Waste to Added-Value Products Autores: Lidia S. Guerras, Debalina Sengupta, Mariano Martín, and Mahmoud M. El-Halwagi Revista: ACS Sustainable Chemistry & Engineering. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c01284 Resumen: Se ha desarrollado un procedimiento sistemático multicapa de varias etapas para la selección de la cartera de productos óptima a partir de biomasa residual como materia prima para sistemas que implican el nexo “wáter-energy-food”. Consiste en una metodología híbrida heurística, basada en métricas y optimización que evalúa el desempeño económico y ambiental de productos de valor agregado a partir de una materia prima en particular. La primera etapa preselecciona los productos prometedores. A continuación, se formula un problema de optimización de la superestructura para valorizar o transformar los residuos en el conjunto óptimo de productos. La metodología se ha aplicado dentro de la iniciativa “Waste to Power and Chemicals” para evaluar el mejor uso de los residuos de biomasa de la industria del aceite de oliva en alimentos, productos químicos y energía. La etapa heurística se basa en la revisión de la literatura para analizar los productos y técnicas factibles. A continuación, se han desarrollado y utilizado métricas simples para preseleccionar productos que son prometedores. Finalmente, se utiliza un enfoque de optimización de la superestructura para diseñar la instalación que procesa hojas, astillas de madera y aceitunas en productos finales. La mejor técnica para recuperar fenoles del “alperujo”, un residuo sólido húmedo/subproducto del proceso, consiste en el uso de membranas, mientras que la técnica de adsorción se utiliza para la recuperación de fenoles de hojas y ramas de olivo. La inversión necesaria para procesar los residuos asciende a 110,2 millones de euros por 100 kt/año para la instalación de producción de aceitunas, mientras que el beneficio depende del nivel de integración. Si la instalación está adscrita a la producción de aceite de oliva, el beneficio generado oscila entre los 14,5 MM €/año (cuando los residuos se compran a precios de 249 € por tonelada de alperujo y 6 € por tonelada de hojas y ramas de olivo) y 34,3 MM €/año cuando el material de desecho se obtiene de forma gratuita.