Techno-economics of CHP and HVAC technologies at consumer level

Abstract

Los sistemas de energía se encuentran en medio de una gran transformación. Los sistemas de energía distribuida empiezan a aparecer allá a donde se mire. Células de combustible de menor precio, microturbinas mejoradas y motores de combustión interna tradicionales son soluciones CHP reales para que los consumidores puedan autoabastecerse con electricidad, servicios de calefacción y refrigeración o agua caliente sanitaria. En este contexto, los modelos matemáticos son herramientas indispensables para poder decidir sobre nuevas inversiones, operar de manera eficiente y optimizar el patrón de consumo. Los objetivos de este proyecto, cuyo caso de estudio se basa en un edificio residencial situado en la ciudad de Madrid son, 1)Un estado del arte de ciertas tecnologías CHP ( Motores de combustión interna, microturbinas y células de combustible), así como tecnologías HVAC (Enfriadores de Absorción), disponibles en el mercado. 2)Seleccionar los principales parámetros que caracterizan su coste y operación. 3)Modelar estas características como un problema deoptimización. Una vez que las características están modeladas, programarlas como un problema de optimización que se pueda introducir en un programa de optimización con el que sacar conclusiones al respecto. Se ha comprobado que merece la pena usar tecnologías tanto CHP como HVAC para edificios residenciales. En cuanto a cada tecnología en particular se ha hallado que, Los motores siempre están operando incluso cuando la demanda es menor que su capacidad máxima. Las microturbinas, al igual que los motores, suelen operar, aunque cuando el precio de la electricidad es suficientemente bajo es más rentable tomarla de la red que tener la microturbina funcionando. En el caso de las células de combustible y de los enfriadores de absorción, cuando el precio de la electricidad es bajo es más rentable obtenerlo de la red. Y por último, los enfriadores de absorción solo son capaces de cubrir la demanda de refrigeración.

Energy systems are in the midst of a profound transformation. Distributed energy resources (DER) are mushrooming all over the place. Cost-decreasing fuel cells, improved microturbines and traditional internal combustion engines are real CHP solutions for consumers to self-provide electricity, heating and cooling services, and domestic hot water. Modern HVAC systems can help consumers reduce the energy bill while improving the space conditioning comfort. In this context, mathematical models are powerful tools to help decide on new investments, operate efficiently and optimize the consumption pattern. The aim of this project is, for the case of a residential building in situated in the city of Madrid, 1) to review certain CHP (Internal Combustion Engines, Microturbines and Fuel Cells) and HVAC technologies (Absorption Chillers) thatare currently available in the market; 2) select the main parameters that characterize their operation and investments; 3) model these characteristics as an optimization problem. After the characteristics are modelled as an optimization problem, they are programmed in optimization software with which conclusions regarding the operation of these technologies are grabbed. It has been proven that it is worth using CHP and HVAC technologies in residential buildings. And regarding the different technologies, ICEs always operate, even when the demand is less than its maximum capacity. Micro turbines, as ICEs, usually operate, but when the price of electricity is sufficiently low, it is better to purchase the electricity from the network instead of producing it with a micro turbine, differently of what happens with ICEs. In the case of FCs, when the electricity prices from the network are low, it is more profitable to grab them from there than to have the FCs operating. Absorption chillers only cover the cooling demand, but when the price of purchasing the electricity from the network is sufficiently low, it also stops being profitable.