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Design of off-grid renewable energy community electrification projects : analysis of micro-scale resource variations and development of optimization methods

Autor: Matteo Ranaboldo. Febrer 2015
Directors: Laia Ferrer Martí, Rafael Pastor Moreno i Alberto Garcia
Departament: Organització d'Empreses
Data de la defensa: 9 de febrer 2015

Resum de la tesi

Los proyectos de electrificación basados en energías renovables han demostrado ser una opción adecuada y sostenible para abastecer comunidades aisladas de forma autónoma. Estos sistemas producen energía de manera limpia y respetuosa del medio ambiente y su coste es a menudo inferior al de extender la red eléctrica nacional. Las configuraciones de diseño más fiables y eficientes utilizan sistemas híbridos que combinan varios recursos (eólico y solar) y distribución mediante microrredes. El diseño de proyectos de electrificación rural considerando sistemas híbridos y microrredes se ha definido como el problema AVEREMS. La optimización del problema AVEREMS es una tarea compleja que requiere el uso de herramientas de soporte. Actualmente, el proceso de diseño de proyectos de electrificación basados en energía renovables presenta algunas limitaciones. Entre ellas, destacan la falta de conocimientos sobre estudios del recurso eólico y la necesidad de procedimientos para resolver el problema AVEREMS incluyendo la generación alejada de los puntos de consumo para aprovechar las áreas de mayor potencial. El principal objetivo de esta tesis es abordar dichas limitaciones, mediante: 1) la definición de un método para evaluar en detalle el recurso eólico en proyectos de electrificación rural; 2) el desarrollo y 3) la implementación de procedimientos para resolver el problema AVEREMS considerando la variación del recurso a micro-escala y generación en todos los puntos (sean estos de consumo o de no-consumo) de una determinada área. Primero se presenta un método para realizar estudios del recurso eólico mediante el uso de modelos de flujo de viento a micro-escala. El método se valida en dos comunidades montañosas y se aplica para el diseño de proyectos reales en Cabo Verde. Sucesivamente, se desarrollan diferentes procedimientos resolutivos: primero se definen unos indicadores de soporte al diseño, y sucesivamente se presentan dos algoritmos (uno heurístico y otro meta-heurístico) para resolver el problema AVEREMS. Se analizan diferentes versiones de los algoritmos para finalmente seleccionar las que obtienen los mejores resultados. Además de considerar generación en todos los puntos (de consumo o de no-consumo) de una cierta área, los algoritmos propuestos mejoran considerablemente las prestaciones de los métodos disponibles actualmente. Finalmente, se analiza el diseño de un proyecto de electrificación en una comunidad rural en Nicaragua incluyendo la evaluación de recurso a micro-escala y la aplicación del algoritmo meta-heurístico para la optimización del diseño. La metodología para la evaluación del recurso eólico y los algoritmos resolutivos desarrollados en esta tesis se pueden fácilmente aplicar para suportar el diseño de proyectos de electrificación rural con energías renovables. Su utilización permitirá mejorar la eficiencia y sostenibilidad de estos proyectos reduciendo algunos de los problemas técnicos que limitan su implementación en comunidades aisladas.

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