Integración sustentable de plantas termoeléctricas con biorefinerías basadas en microalgas para la captura económica de gases con efecto invernadero

Abstract

This thesis presents the formulation and implementation of a multi-objective optimization model to maximize the annual profit and minimize the environmental impact of regenerative steam power plants with reheat integrated with biorefineries based on microalgae. The purpose of this energy system is to reduce emissions of carbon dioxide associated with the electricity generation in power plants, using for this purpose the biofixation of this greenhouse gas by cultured microalgae in open raceway ponds to produce biomass and the subsequent processing of this resource to produce biodiesel and residual algae, which in turn is used as fuel in the boiler of the power plant. Since the biodiesel and residual algae thus obtained can replace fossil fuels, the proposed energy system can avoid the emission into the atmosphere of large amounts of greenhouse gases and thus help minimize the negative effects of climate change on human health and ecosystems. To calculate the thermodynamic properties of water and steam in the cycle of the power plant, the IAPWS-IF97 (International Association for the Properties of Water and Steam) rigorous model is used. The environmental impact is measured by the methodology of the Ecoindicator 99 which follows the principles of life cycle assessment. The set of Pareto curve optimal solutions is obtained using the e-constraint method. The optimization problem involves the selection of primary sources most suitable for sustainable energy generation (fossil fuels, biomass, and biofuels). To solve the problem of optimal choice of energy sources, a linear model is developed and included within a highly nonlinear model simulation to optimize the parameters of the steam power plant that is solved by the use genetic algorithms.

En este trabajo se presenta la formulación y aplicación de modelos de optimización multiobjetivo para maximizar la ganancia anual y minimizar el impacto ambiental de plantas de potencia de vapor regenerativas con recalentamiento integradas con biorefinerías basadas en microalgas. El propósito de este sistema energético es reducir las emisiones a la atmósfera de dióxido de carbono asociadas con la generación de electricidad en plantas termoeléctricas, usando para tal efecto la biofijación de este gas con efecto invernadero por microalgas cultivadas en estanques abiertos para producir biomasa y el posterior procesamiento de ésta para producir biodiesel y alga residual que, a su vez, es empleada como combustible en la caldera de la planta de potencia. Dado que el biodiesel y el alga residual así obtenidos pueden sustituir combustibles fósiles, el sistema energético propuesto puede evitar la emisión a la atmósfera de grandes volúmenes de gases con efecto invernadero y, de esta manera, contribuir a minimizar los efectos negativos del cambio climático sobre la salud humana y los ecosistemas. Para calcular las propiedades termodinámicas del agua y el vapor en el ciclo de la planta termoeléctrica se utiliza el modelo riguroso IAPWS-IF97 (acrónimo en inglés de International Association for the Properties of Water and Steam). El impacto ambiental se mide por la metodología del Eco-indicador 99 que sigue los principios del análisis del ciclo de vida. El conjunto de soluciones óptimas de la curva Pareto se obtiene usando el método e-constraint. El problema de optimización incluye la selección de las fuentes primarias de energía (combustibles fósiles, biomasa, biocombustibles, y energía solar) más adecuadas para la generación sustentable de electricidad. Para resolver el problema de la selección óptima de las fuentes de energía, un modelo lineal se desarrolla y se incluye dentro de un modelo de simulación altamente no lineal para la optimización de los parámetros de las plantas de potencia de vapor que se resuelve mediante el uso de algoritmos genéticos.