Optimal Microgrid Operation with Open-cycle Ocean Thermal Energy Conversion for Islands

Resumen Técnico: Operación Óptima de Microredes con Conversión de Energía Térmica Oceánica de Ciclo Abierto para Islas

Planteamiento del Problema
Este artículo aborda los desafíos operativos de las microredes insulares que dependen de fuentes de energía renovables (FEnR) y requieren tanto electricidad como agua dulce. Si bien la Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC, por sus siglas en inglés) ofrece una solución de cero emisiones capaz de cogenerar energía y agua dulce, la literatura existente se centra predominantemente en sistemas de ciclo cerrado. La OTEC de ciclo abierto, que utiliza agua de mar como fluido de trabajo, sigue estando poco explorada en términos de integración y optimización del sistema. Además, la naturaleza intermitente de la energía solar y eólica, combinada con la variabilidad estacional de las temperaturas del agua de mar que afectan la eficiencia de la OTEC, requiere un marco de programación robusto que pueda manejar incertidumbres sin depender de distribuciones de probabilidad no disponibles. El problema central es formular un modelo integrado que capture la termodinámica de la OTEC de ciclo abierto y optimice su operación dentro de una microred bajo los peores escenarios de producción renovable.

Metodología
Los autores proponen un enfoque integral que consta de tres componentes principales:

1. Modelado Termodinámico y Operativo de la OTEC de Ciclo Abierto:

   • Se desarrolla un modelo físico detallado para el sistema de ciclo abierto, que comprende un evaporador de destello, una turbina de vapor, un condensador, bombas de agua de mar y un sistema de escape.
   • El modelo tiene en cuenta las no idealidades, como la efectividad del evaporador de destello y la fuerza impulsora termodinámica requerida para la transferencia de calor.
   • Un marco operativo novedoso define cuatro estados distintos basados en la temperatura del agua de mar de entrada y las señales de compromiso de la unidad: apagado normal, operación normal, apagado por baja temperatura y operación por baja temperatura (espera). Esto captura la realidad física de que las unidades OTEC no pueden operar eficientamente o en absoluto cuando la diferencia de temperatura (sobrecalentamiento) cae por debajo de un umbral crítico (1.7 °C).

2. Modelo de Optimización Robusta de Dos Etapas:

   • Primera Etapa (Compromiso del Día Anterior): Las decisiones relativas al compromiso de los generadores y las unidades OTEC, la producción programada y las reservas giratorias se toman antes de la realización de la incertidumbre.
   • Segunda Etapa (Despacho en Tiempo Real): Se realizan ajustes después de observarse las desviaciones en la producción renovable. Esta etapa gestiona el equilibrio de potencia y agua, incluyendo la carga/descarga de almacenamiento de energía, los niveles del sumidero de agua y la respuesta a la demanda.
   • Manejo de la Incertidumbre: Se construye un conjunto de incertidumbre de presupuesto para modelar las desviaciones en las salidas de energía eólica y solar, asegurando que el sistema permanezca factible bajo el peor escenario de desviaciones dentro de un presupuesto definido.

3. Algoritmo de Solución (Generación de Columnas y Restricciones Inexacta - iCCG):

   • El problema robusto de dos etapas resultante y de gran escala se resuelve utilizando un algoritmo de generación de columnas y restricciones inexacto (iCCG).
   • A diferencia del CCG estándar, que requiere resolver el problema maestro hacia la optimalidad global en cada iteración, el iCCG permite soluciones inexactas en las primeras iteraciones (fase de exploración) para acelerar la convergencia. Cambia a una verificación de optimalidad más estricta (fase de explotación) solo cuando es necesario, reduciendo significativamente la carga computacional.

Contribuciones Clave
El artículo afirma tres contribuciones primarias:

1. Modelado de OTEC de Ciclo Abierto: Desarrollo de un modelo termodinámico que incorpora un evaporador de destello, turbina, condensador y bombas, acoplado con un marco operativo de cuatro estados que refleja las restricciones realistas de baja temperatura.
2. Programación Robusta de Microredes: Formulación de un modelo de optimización robusta de dos etapas que integra unidades OTEC para satisfacer las demandas acopladas de electricidad y agua dulce. El estudio proporciona información operativa, como el impacto significativo de los costos en las condiciones de baja temperatura del invierno y el potencial de la OTEC para reemplazar completamente a los generadores convencionales.
3. Eficiencia Algorítmica: Demostración de que el algoritmo iCCG puede resolver el problema robusto de gran escala de manera más eficiente que el algoritmo CCG convencional, identificando configuraciones de parámetros óptimos para una convergencia más rápida.

Resultos
Se realizaron experimentos numéricos en un alimentador de prueba IEEE 123 nodos modificado que representa una microred insular en el Mar de la China Meridional. Los hallazgos clave incluyen:

• Sustitución de Generadores Convencionales: Bajo condiciones por defecto, la OTEC de ciclo abierto puede sustituir completamente a los generadores basados en combustibles convencionales, proporcionando una alternativa de cero carbono más fiable y despachable frente a las fuentes volátiles solar y eólica.
• Variaciones Estacionales de Costos: Los costos operativos exhiben una fuerte dependencia estacional. Las condiciones invernales, caracterizadas por bajas temperaturas de entrada, obligan a las unidades OTEC a entrar en estados frecuentes de baja eficiencia o apagado, casi cuadruplicando los costos operativos totales en comparación con otras estaciones.
• Anomalía de Verano: Contrario a la expectativa de que las temperaturas más altas siempre bajan los costos, se encontró que los costos operativos de verano fueron superiores a los de primavera y otoño. Esto se atribuye a las restricciones de caudal mínimo de las bombas de agua de mar cálida, lo que conduce a una generación excesiva de vapor y a la necesidad subsiguiente de mayores caudales de agua de mar fría para mantener el equilibrio termodinámico, aumentando los costos de bombeo.
• Acoplamiento Agua-Energía: El estudio destaca la necesidad de coordinar las demandas de agua y electricidad. Reducir la capacidad del sumidero de agua dulce obliga al sistema a depender de generadores convencionales para satisfacer las demandas de electricidad, aumentando así los costos.
• Desempeño Computacional: El algoritmo iCCG redujo los tiempos de solución hasta en un 90% en comparación con el CCG estándar para presupuestos de incertidumbre moderados (Γ ≤ 7). Sin embargo, para presupuestos de incertidumbre muy altos (Γ = 8), el CCG estándar superó ocasionalmente al iCCG, y ambos algoritmos no lograron converger dentro del límite de tiempo para Γ = 9.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo posiciona a la OTEC de ciclo abierto como una solución viable, fiable y de cero carbono para el suministro acoplado de energía y agua en islas remotas. Argumenta que, si bien la producción de la OTEC es más estable que la de la energía solar y eólica, su integración requiere un modelado sofisticado de las restricciones termodinámicas y una optimización robusta para manejar las incertidumbres renovables. El marco de modelado propuesto y el método de solución iCCG se presentan como herramientas que pueden extenderse a otras microredes costeras y marinas, tales como plataformas de perforación e instalaciones de acuicultura marina. Los autores enfatizan que su trabajo llena un vacío en la literatura al desplazar el enfoque del diseño de ciclo cerrado hacia la integración operativa de sistemas de ciclo abierto dentro de las microredes.