Modelling and optimization of industrial prosumers with renewable energy sources

Abstract

(English) The current energy transition fosters the insertion of renewable energies and system decentralisation intending to achieve a more secure, sustainable and efficient energy market. The industry can play a key role in this transition due to the digitalization resulting from the industrial revolution 4.0 and the current revolution 5.0, which encourages its renewal through resilient and human-centred solutions. Of all industrial entities, SMEs are particularly interesting as they consume more than 13% of global energy and find it more difficult than large companies to adopt new energy management strategies. Intending to favour energy transition and improve industrial competitiveness, this thesis addresses the energy situation of industrial SMEs to transform their consumer infrastructures into prosumer infrastructures capable of exchanging green energy with the utility grid, boosting also market decentralisation. To do so, the present thesis proposes a complete framework for the optimization of the investment in energy equipment to be made by industrial SMEs, aiming to improve their performance by adopting a prosumer role in the electricity market. This framework is based on the development of a methodology that includes the modelling of the energy infrastructure of the industrial plant, the modelling of quantitative and qualitative factors together with their uncertainties, and the solving of a two-stage optimization problem. This two-stage optimization problem analyses the costs and benefits of the investments, as well as the prosumer operation of the infrastructure over its expected lifetime. Uncertainties in both quantitative and qualitative parameters are also introduced into the problem and the risks faced by the industrial SME in upgrading its energy system are assessed and minimised. The proposed methodology has been applied to several case studies, the results of which show the benefits of transforming an industrial SME from a consumer to a prosumer. The optimization of the investment, considering quantitative and qualitative factors, risks, and the prosumer operation of the system throughout its lifetime, results in technically and financially robust solutions. Therefore, it has been possible to verify the usefulness of the proposed methodological framework to be applied to industrial SMEs, promoting their transformation into active entities in the energy markets and increasing their competitiveness.

(Castellà) La actual transición energética fomenta la inserción de energías renovables y la descentralización del sistema con el objetivo de conseguir un mercado energético más seguro, sostenible y eficiente. La industria puede desempeñar un papel clave en esta transición debido a la digitalización resultante de la revolución industrial 4.0 y a la contemporánea revolución 5.0, que promueve su renovación mediante soluciones resilientes y centradas en el ser humano. De todas las entidades industriales, las PYMES son especialmente interesantes, ya que consumen más del 13% de la energía mundial y tienen más dificultades que las grandes empresas para adoptar nuevas estrategias de gestión energética. Con la intención de favorecer la transición energética y mejorar la competitividad industrial, esta tesis aborda su situación energética para transformar las infraestructuras de consumo de las PYMES industriales en infraestructuras prosumidoras capaces de intercambiar energía verde con la red eléctrica, impulsando también la descentralización del mercado. Para ello, la presente tesis propone un marco completo para la optimización de la inversión en equipos energéticos que deben realizar las PYMES industriales, con el objetivo de mejorar su rendimiento adoptando un papel de prosumidor en el mercado eléctrico. Esta optimización se basa en el desarrollo de una metodología que incluye la modelización de la infraestructura energética de la planta industrial, la de los factores cuantitativos y cualitativos junto con sus incertidumbres, y la resolución de un problema de optimización de doble etapa. Este problema de optimización analiza los costes y beneficios de las inversiones, así como la operación prosumidora de la infraestructura a lo largo de su vida. También se introducen en el problema incertidumbres en los parámetros cuantitativos y cualitativos, y se evalúan y minimizan los riesgos a los que se enfrenta la PYME industrial al actualizar su sistema energético. La metodología propuesta se ha aplicado a varios casos de estudio, cuyos resultados han demostrado los beneficios de transformar una PYME industrial de consumidora a prosumidora. La optimización de la inversión, teniendo en cuenta los factores cuantitativos y cualitativos, los riesgos y el funcionamiento prosumidor del sistema a lo largo de su vida, da lugar a soluciones técnica y financieramente sólidas. De esta manera, se ha podido comprobar la utilidad del marco metodológico propuesto para ser aplicado a las PYMES industriales, promoviendo su transformación en entidades activas en los mercados energéticos y aumentando su competitividad.