Modelos de programación matemática para guiar la toma de decisiones sostenibles

Abstract

Currently, one of the most important challenges is to develop approaches to address problems such as the increasing generation of emissions in the energy sector and the increase in inequality in the distribution of resources. In relation to these problems, it is proposed to formulate mathematical programming models that include carbon and water policy schemes, as well as justice schemes to obtain optimal solutions that facilitate decision-making in industrial, agricultural, and residential systems. The first of these systems consists of integrating the generation of energy in power plants that use chemical looping combustion with a subsystem of cultivation of algae for the production of biofuels and the use of carbon dioxide. Here, carbon policy schemes that involve taxes and bonuses for the reduction of emissions are analyzed. The second system consists of integrating water distribution networks with dual-purpose power plants to satisfy the demand for water and energy of different sectors from fossil fuels, biofuels, and solar energy. Here, carbon policies to reduce emissions and water policies to address the extraction and recharge of water in aquifers are evaluated. The third system consists of designing water distribution networks that ensure fair allocations between different fields. In this proposal, the justice schemes considered to guide water and utility allocations include social welfare, Rawlsian welfare, and Nash approaches. The fourth system consists of designing an integrated residential complex that involves different alternatives to meet the demands and take advantage of the waste generated. To show the usefulness of the formulations developed, case studies are addressed for each system. Through the results, it is possible to find optimal solutions that include compromises between the economic, environmental, social and justice functions.

En la actualidad, uno de los retos más importantes es desarrollar acercamientos para abordar problemas como la creciente generación de emisiones en el sector energético y el aumento en la desigualdad de la distribución de los recursos. En relación con estas problemáticas, se propone formular modelos de programación matemática que incluyan esquemas de políticas de carbono y agua, así como esquemas de justicia para obtener soluciones óptimas que faciliten la toma de decisiones en sistemas industriales, agrícolas y residenciales. El primero de estos sistemas consiste en integrar la generación de energía en plantas de potencia que utilizan combustión indirecta con un subsistema de cultivo de algas para la producción de biocombustibles y el aprovechamiento del dióxido de carbono. Aquí, se analizan esquemas de políticas de carbono que involucran impuestos y bonos para la reducción de emisiones. El segundo sistema consiste en integrar redes de distribución de agua con plantas de potencia de doble propósito para satisfacer la demanda de agua y energía de distintos sectores. Aquí, se evalúan políticas de carbono para reducir emisiones y políticas de agua para abordar la extracción y recarga de agua en acuíferos. El tercer sistema consiste en diseñar redes de distribución de agua que aseguran asignaciones justas entre diferentes campos de cultivo. En esta propuesta, los esquemas de justicia considerados para guiar las asignaciones de agua y utilidades incluyen: el bienestar social, el bienestar Rawlsiano y el enfoque de Nash. El cuarto sistema consiste en diseñar un complejo residencial integrado que involucra distintas alternativas para satisfacer las demandas y aprovechar los desechos generados. Para mostrar la utilidad de las formulaciones desarrolladas se abordan casos de estudio para cada sistema. A través de los resultados se encuentran conjuntos de soluciones óptimas que incluyen compromisos entre las funciones económicas, ambientales, sociales y de justicia analizadas.