Diseño de sistemas de electrificación autónomos para comunidades rurales considerando incertidumbre en la estimación de la demanda

Abstract

(English) The United Nations objective to ensure energy access for all is still far from being achieved, particularly in rural areas of developing countries. In order to expand access to electricity, isolated systems, either individual or microgrid, mainly based on renewable energy sources (wind-solar) are being promoted. However, the design these systems is a complex problem, as a variety of locations and sizes of generators have to be considered, as well as all possible connections between demand points. In addition, the design is subject to uncertainties in estimating the demand for previously non-electrified populations, which can have a significant impact on the cost of the projects. In this context, the main objective of this thesis is to solve the problem of designing wind-solar systems with microgrids and individual supplies, taking into account the uncertainty in demand. To this end, a fuzzy mixed integer linear programming model (MILP) is proposed to provide rural electrification promoters in developing countries with a simple tool to design electricity access projects. In particular, different fuzzy-based approaches are compared to identify the most efficient one to balance the cost of the project and the satisfaction of end users with the demand supplied. More specifically, after analyzing the problem of uncertainty in demand, it is determined that the most appropriate way to model this situation is to define two scenarios: an essential demand, to meet the basic needs of end users, and an increased demand, above which solutions would be too expensive. Thus, five fuzzy MILP approaches are developed, considering different options to balance the satisfaction regarding the cost, energy and peak power. To determine the best approach, first a basic model is developed to facilitate computational experiments, and then a complete model including all elements of the electrical systems is developed. The experiments are applied to real cases of three Latin American countries (Ecuador, Mexico and Peru) and the results show that the best fuzzy MILP approach achieves an adequate balance between the cost and the demand supplied, in a much simpler way than it would be done with the deterministic models of the literature. As a result of this thesis, promoters have a decision support tool for implementing projects in developing countries, which allows them to obtain robust solutions that do not depend on the exact estimation of demand.

(Español) El objetivo de las Naciones Unidas de asegurar el acceso a la energía para todos aún está lejos de completarse, particularmente en zonas rurales de países en desarrollo. Para ampliar el acceso a la electricidad, se están impulsando los sistemas aislados, individuales o microrredes, principalmente basados en fuentes de energía renovables (eólica-solar). Sin embargo, el diseño de estos sistemas es un problema complejo, ya que se deben estudiar multitud de ubicaciones y tamaños para los generadores, así como todas las conexiones posibles entre puntos de demanda. Además, el diseño está sujeto a incertidumbre en la estimación de la demanda para poblaciones previamente sin electricidad, lo que puede tener una influencia muy significativa en el coste de los proyectos. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es resolver el problema de diseño de proyectos eólico-solares con microrredes y sistemas individuales, teniendo en cuenta la incertidumbre en la demanda. Para ello, se propone un modelo de programación lineal entera y mixta (PLEM) difuso, que proporciona a los promotores de la electrificación rural en países en desarrollo una herramienta fácil para diseñar proyectos de acceso a la electricidad. En concreto, se comparan distintos enfoques basados en la lógica difusa, identificando el más eficiente para equilibrar el coste del proyecto y la satisfacción de los usuarios con la demanda suministrada. Más específicamente, tras analizar el problema de la incertidumbre en la demanda, se determina que el modo más adecuado para modelizar esta situación es definir dos escenarios: una demanda esencial, para cubrir las necesidades básicas de los usuarios finales, y una demanda mejorada, por encima de la cual las soluciones serían demasiado caras. Así, se desarrollan cinco enfoques de PLEM difuso, considerando diferentes opciones para equilibrar la satisfacción con respecto al coste, la energía y la potencia. Para determinar el mejor enfoque, primero se desarrolla un modelo básico que facilita la ejecución de experimentos computacionales; y luego un modelo completo que incluye todos los elementos de los sistemas eléctricos. Los experimentos se aplican a casos reales de tres países de América Latina (Ecuador, México y Perú) y los resultados muestran que el mejor enfoque logra un equilibrio adecuado entre el coste y la demanda suministrada, de forma mucho más sencilla a como se haría con los modelos deterministas de la literatura. Como resultado de esta tesis doctoral, los promotores disponen de una herramienta de ayuda a la toma de decisiones para implementar proyectos en países en desarrollo, que permite obtener soluciones robustas que no dependen de la estimación exacta de la demanda.