A thermoeconomic approach to co2 emissions from energy systems

Resumen

Esta tesis se centra en el desarrollo de metodologías termoeconómicas para la evaluación de las emisiones de CO2 en sistemas energéticos. Las contribuciones hechas tienen validez general para el análisis de sistemas complejos conmúltiples recursos, productos y residuos. La exergía de los flujos se descompuso en tantas partes como recursos externos tiene el sistema, con el fin de extender el análisis termoeconómico para la evaluación de sistemas con múltiples recursos. Esto se consiguió usando la teoría del coste exergético y resultados de la exergoeconomía simbólica. La descomposición exergética se aplicó al diagnóstico termoeconómico para determinar el impacto en recursos de acuerdo a las diferentes fuentes energéticas del sistema, lo cual permitió obtener el impacto en emisiones de CO2 de los componentes. Usando estos resultados se pudo determinar el impacto económico combinado de los recursos y de las emisiones de CO2. Los costes asociados con la generación de residuos se pueden determinar mediante el análisis termoeconómico. Estos costes se distribuyen entre los componentes productivos del sistema con el fin de reflejar su efecto sobre los costes de producción. Se identificó el proceso de formación del coste de los residuos y se usó como criterio para asignar dicho coste entre los componentes de acuerdo a las contribuciones respectivas. Por último, se analizó el coste de las emisiones de CO2. Este coste se puede determinar basándose únicamente en información del sistema o por medio de criterios externos, para luego hacérselo pagar a los productores de electricidad por medio de un impuesto sobre las emisiones de carbono, o por medio de un mercado regulado de permisos de emisiones. Se reformuló un método existente para calcular el coste de las emisiones de CO2 para permitir su aplicación en sistemas que usan múltiples recursos. También se desarrolló una metodología para la internalización del coste de los residuos cuando éste se impone de forma externa, con el fin de reflejar su efecto sobre el coste de los productos finales. Se dio atención especial a la intenalización del coste de las emisiones de CO2. A lo largo de esta tesis se usaron tres plantas de potencia: un sistema de cogeneración con múltiples recursos y productos, una planta de ciclo combinado (con múltiples residuos), y un sistema termosolar integrado con una planta de ciclo combinado (con múltiples recursos y residuos). Estos sistemas permitieron validar las metodologías desarrolladas, así como ilustrar los conceptos introducidos. Los resultados mostraron que la descomposición exergética es una herramienta potente para el análsis de sistemas con recursos múltiples, en particular plantas de potencia híbridas que usan tanto fuentes de energía renovables como fósiles. Esto se debe a que se puede conocer la evolución de los recursos fósiles a través de todo el sistema, permitiendo resolver el problema del impacto en recursos discriminado y el impacto en emisiones de CO2, que hasta ahora no estaba resuelto en sistemas multi-recurso. Elmétodo de asignación de recursos desarrollado representa una mejora respecto a las aproximaciones existentes, ya que se consigue reflejar el proceso de formación del coste de los residuos mientras se mantiene la subjetividad al mínimo. Con respecto al coste de las emisiones de CO2, se probó que la versión generalizada del impuesto exergético al carbono funciona de forma adecuada en sistemas multi-recurso. Finalmente, se aplicó la metodología de internalización desarrollada al caso de las emisiones de CO2 usando tanto un impuesto sobre dichas emisiones, como una ganancia procedente de la venta de derechos de emisión en el mercado. En ambos casos se reflejó correctamente el efecto del coste externo al sistema, revelando el respectivo coste o beneficio sobre los costes de producción.