Diseño óptimo de suministro de energía y agua potable en una comunidad aislada de bajos recursos por métodos multiobjetivo

Abstract

This Thesis presents an analysis of different multiobjective optimization methods for the optimal design of an integrated system to satisfy the need for water, energy and food in an isolated community. In the proposed mathematical model, three fundamental objectives are incorporated, which are the economic benefit, the emissions of greenhouse gases and the consumption of fresh water. The mathematical model represents a proposal to satisfy the demands of electrical energy by means of CHP cogeneration units such as microturbine, internal combustion engine, Stirling engine and fuel cell, water distribution networks, hot water consumption, as well as consumption of rainwater for agriculture, livestock, among others, as well as black and gray water treatment, incineration plants, gasification, anaerobic digestion, production of pyrolysis oil and production of natural gas. Various methods are incorporated to solve the multiobjective optimization problem, and the proposed mathematical model is applied to a case study of one of the poorest communities in Mexico. The results show that it is possible to obtain attractive solutions that tradeoff the considered objectives.

En este trabajo se presenta un análisis de diferentes métodos de optimización multiobjetivo para el diseño óptimo de un sistema integrado para satisfacer la necesidad de agua, energía y alimentos en una comunidad aislada. En el modelo matemático propuesto se incorporan tres objetivos fundamentales, los cuales son el beneficio económico, las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de agua fresca. El modelo matemático representa una propuesta para satisfacer las demandas de energía eléctrica por medio de unidades de cogeneración CHP como microturbina, motor de combustión interna, motor Stirling y celda de combustible, redes de distribución de agua, consumo de agua caliente, además de consumo de agua pluvial para áreas de agricultura, ganaderas, entre otros, así como tratamiento de aguas negras y grises, plantas de incineración, gasificación, digestión anaeróbica, producción de aceite de pirólisis y producción de gas natural. Se incorporan diversos métodos para resolver el problema de optimización multiobjetivo, y se aplica el modelo matemático propuesto a un caso de estudio de una de las comunidades más pobres de México. Los resultados muestran que es posible obtener soluciones atractivas que compensen los objetivos considerados.