FRRo - Producción académica de posgrado

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    Desarrollo de un Sistema para el Cálculo del Riesgo Asociado a la Dispersión de Contaminantes en la Atmósfera Considerando la Incertidumbre Estocástica en los Pará- Metros Meteorológicos
    (2005-11-30) Godoy, Sandra Mariela; Scenna, Nicolás José; Santa Cruz, Alejandro S. Miguel
    En este trabajo se presenta una metodología y una poderosa herramienta computacional, STRRAP (Stochastic Toxic Release Risk Assessment Package), de utilidad para el cálculo del riesgo y distancias de seguridad asociados a la dispersión de contaminantes en la atmósfera considerando la incertidumbre estocástica de las variables atmosféricas locales. Dada la probabilidad no nula de que se produzcan incidentes que involucren la dispersión de sustancias tóxicas o material particulado, y la vulnerabilidad de las personas ante tales circunstancias, surge la necesidad de contar con herramientas eficientes para la gestión del riesgo y la planificación de las emergencias, que cubran una diversidad de modelos de dispersión de contaminantes, y que permitan considerar la variabilidad estocástica de los parámetros meteorológicos. La principal limitación de tales herramientas, subyace en el elevado tiempo de cómputo requerido para tratar casos complejos, como por ejemplo los problemas de transporte de sustancias tóxicas. Por tal razón, aquí se presentan las modificaciones realizadas a una metodología existente con objeto de reducir dicho tiempo sin perder exactitud en los resultados, y la arquitectura del sistema (STRRAP) que se utilizará para la simulación estocástica de la dispersión en aire, de sustancias tóxicas y material particulado. STRRAP es una herramienta robusta, flexible y eficiente, capaz de resolver problemas de fugas o emisiones provenientes tanto de fuentes fijas como móviles. Para mostrar las capacidades de STRRAP y de la metodología propuesta, se presentan varios casos de estudio para los que se obtienen mapas de iso-riesgo, curvas de riesgo social, distancias de seguridad y distribución de concentraciones para gases neutros y pesados, ya sean almacenados en tanques, transportados por una cisterna o emitidos desde una chimenea.
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    Aplicación de técnicas de programación matemática y métodos de integración de procesos para determinar la síntesis y el diseño óptimo de una planta de cogeneración de ciclo combinado
    (2017-03-29) Manassaldi, Juan Ignacio; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás José
    La presente tesis trata sobre el modelado matemático, simulación y optimización de ciclos combinados operando en forma desacoplada y acoplada a otros procesos, como por ejemplo, sistemas de utility y planta de captura de CO2. Precisamente, la tesis presenta modelos matemáticos utilizando programación matemática y metodologías “alternativas” para optimizar la configuración y el diseño de sistemas de cogeneración de vapor y electricidad. El planteamiento del problema de optimización se resolverá postulando una superestructura de configuraciones alternativas considerando la posibilidad de intercambios de calor en paralelo, serie y serie-paralelo entre la corriente de gas que abandona la turbina de gas y el fluido circulante del ciclo de vapor. De esta manera, la superestructura embebe numerosas alternativas para la configuración de los equipos las cuales son tenidas en cuenta simultáneamente por el algoritmo de optimización. La ventaja principal de este tipo de planteo es que al modificar las especificaciones de diseño permite determinar en forma automática la configuración óptima correspondiente. Durante el desarrollo de la tesis, se proponen y resuelven diferentes problemas de optimización considerando diferentes funciones objetivos y considerando fija la demanda de electricidad, según se detalla a continuación: 1) minimización del área total de transferencia de calor, 2) minimización del consumo de combustible, 3) minimización del costo total (inversión y costo de operación). Los modelos y metodologías de solución se aplican a la optimización de la configuración, diseño y operación de un sistema de cogeneración acoplado a distintos procesos, por ejemplo a un proceso de captura de CO2 utilizando aminas. Finalmente, la metodología es aplicada también para optimizar la síntesis y diseño de plantas de “utility” (configuración del ciclo combinado y configuración del sistema de turbinas y válvulas) considerando diferentes niveles de demandas de potencia y vapor. Las metodologías de solución se componen de procedimientos sistemáticos basados en el empleo de técnicas de Programación Mixta Entera No Lineal (MINLP), utilizando variables binarias para imponer restricciones de diseño de tipo estructural (configuración de los equipos) y variables continúas relacionadas con las condiciones de operación. Los resultados encontrados son comparados con los obtenidos por otros resolvedores tradicionales para modelos MINLP.
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    Optimización de Plantas de Generación de Energía Eléctrica incluyendo Sistemas de Captura de CO2.
    (2015-03-20) Mores, Patricia Liliana; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás José
    La demanda de energía eléctrica se encuentra en constante crecimiento en el mundo actual, lo que exige la concreción de nuevas opciones de generación que resulten competitivas, en vista del amplio abanico de tecnologías que se encuentran disponibles para tal fin. Por otra parte, la reducción de emisiones de sustancias contaminantes (material particulado, gases con efecto invernadero) constituye un aspecto clave en la aprobación de nuevos proyectos, debido a la sanción de tratados internacionales y regulaciones ambientales progresivamente más restrictivas. Debido a la necesidad de satisfacer tanto la creciente demanda de energía como la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, se están realizando enormes esfuerzos para mejorar la performance de los sistemas de captura y compresión de CO2 acoplados a sistemas de generación de energía eléctrica. Específicamente, la integración de estos procesos es objeto de estudio en diferentes áreas de investigación. El presente trabajo de tesis propone modelar y optimizar procesos de captura de CO2 para el tratamiento de gases de combustión generados en plantas de producción de energía alimentadas por combustibles fósiles. Mediante el empleo de técnicas basadas en programación matemática, se pretende realizar el estudio del proceso global, considerando en la etapa de diseño preliminar tanto las variables operativas como las de dimensionamiento de cada uno de los equipos presentes. En función de lo expresado, se plantean los siguientes objetivos: Objetivo General: Contribuir en la búsqueda de soluciones tecnológicas conducentes a la disminución de emisiones gaseosas generadas en plantas de producción de vapor y electricidad, teniendo como meta principal una producción de energía eléctrica más limpia, de manera tal de no alterar el medioambiente. Objetivos Específicos: Generar un modelo matemático de optimización que permita abordar la síntesis y el diseño de plantas nuevas de cogeneración de vapor y electricidad incluyendo el tratamiento de sus emisiones gaseosas. Proponer una estrategia de solución para el modelo resultante, que garantice la obtención de soluciones óptimas al variar los principales parámetros del proceso. Se pondrá especial énfasis en la convergencia del modelo, evitando en lo posible soluciones óptimas locales, definiendo un procedimiento eficiente de inicialización de las variables. Estudiar y comparar, desde un punto de vista energético, económico y ambiental, la integración de la planta de producción de energía eléctrica con la planta de captura de CO2. El consumo de servicios auxiliares de ambos procesos es significativo, lo que implica elevados costos de operación. En consecuencia, es indispensable proponer un proceso integrado eficiente con el fin de disminuir el costo total anual, teniendo en cuenta los niveles umbrales permitidos de emisión de gases de efecto invernadero. Finalmente, a partir del planteo de diferentes casos de estudio y distintas funciones objetivo, se evaluará la performance del sistema captura de CO2 y del sistema “captura de CO2+generación” desde un punto de vista termodinámico y también económico.
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    Síntesis y diseño de sistemas de generación de energía con estrategias de optimización de la disponibilidad
    (2013-04-01) Godoy, Ezequiel; Benz, Sonia Judith; Scenna, Nicolás José
    En el presente trabajo de tesis, el desafío afrontado consiste en el desarrollo de metodologías sistemáticas, flexibles, robustas y de bajo costo computacional que puedan ser aplicadas eficientemente a la resolución de manera óptima del problema de síntesis y diseño de sistemas de generación de energía considerando su ciclo de vida útil, tarea que resulta crítica en el mundo actual para el uso racional de los recursos naturales no renovables. Asimismo, se introducen en la formulación distintas nociones relacionadas a la disponibilidad del sistema, con el objeto último de generar herramientas que puedan asistir al ingeniero de diseño y al gerente de mantenimiento en la toma de decisiones frente a situaciones de riesgo tecnológico y de sugerir estrategias para mejorar la economía de la planta, durante la etapa de diseño conceptual de la misma. Para su estudio, se selecciona un ciclo combinado con post-combustión, múltiples niveles de presión en la caldera de recuperación, y regeneración. Este tipo de sistemas constituye el estado del arte en generación a partir de gas natural, debido a sus altos rendimientos y a su adaptabilidad a distintas condiciones operativas. Debido a la complejidad del problema desde el punto de vista de su planteo y resolución, se avanza en el estudio del mismo en forma progresiva hasta abordar el mismo en forma completa y detallada; ganándose experiencia y conocimientos que serán luego volcados en el desarrollo de metodologías que simplifiquen la estrategia de resolución de la problemática abordada. Desde el punto de vista de la programación matemática, se utilizan formulaciones de programación no-lineal (NLP) y mixta-entera no lineal (MINLP). En ambos casos, las decisiones continuas están vinculadas a las variables tanto de diseño como operativas, que determinan la performance técnico-económica de la planta de generación. Por otra parte, las decisiones discretas se encuentran ligadas a la determinación de la amplia gama de escenarios a los que el sistema deberá responder a lo largo del horizonte de tiempo, que aquí se representan mediante el planteo riguroso del modelo lógico del diagrama de disponibilidad dentro del marco de un enfoque de espacio de estados. Dos distintos horizontes de tiempo se consideran durante el planteo de la formulación matemática para la optimización de la planta de generación. En primer lugar, se utiliza un enfoque clásico, en donde un horizonte de tiempo anual habilita el estudio de las características de las familias de soluciones óptimas, al identificar tendencias en la comportamiento óptimo de las variables de decisión, y permite también resaltar relaciones entre los espacios resultantes de la resolución del problema mediante los enfoques termodinámico y económico. Luego, un horizonte temporal multi-periodo, que considere las distintas etapas del ciclo de vida útil de la planta de potencia, habilita el diseño del sistema frente a condiciones variables en el tiempo, asegurando que se obtengan valores óptimos de los indicadores de performance económicos, que en última instancia posibilita se atraigan nuevas inversiones hacia el proyecto de generación. La evaluación de los ingresos y egresos del proyecto se adapta a la longitud del horizonte de tiempo considerado. Aun así, en todos los casos se proponen formas de expresar los diferentes componentes en función de parámetros asociados a la disponibilidad del sistema, con hincapié en la asignación de recursos para mantenimiento y su interrelación con el comportamiento de las variables de decisión de la planta de generación. La exploración de relaciones funcionales entre las variables de decisión en el espacio de soluciones óptimas, permite que las mismas se utilicen como restricciones adicionales con el objeto de proponer modelos reducidos de las distintas formulaciones antes utilizadas. Dicho proceder constituye una metodología novedosa que logra reducir drásticamente los requerimientos computacionales a la hora de obtener (estimaciones precisas de las) soluciones óptimas, y abre nuevas posibilidades de aplicación a distintos problemas de interés, al permitir simplificar la resolución de problemas más complejos.
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    Reducción de las emisiones de gases con efecto invernadero (GEIs) en el sector energético mediante tecnologías no convencionales
    (2017-03-27) Arias, Ana Marisa; Mussati, Sergio Fabián; Scenna, Nicolás José
    Históricamente, en la provincia de Santa Fe las demandas de electricidad se satisfacen importando energía generada en otras provincias ya que carece de una matriz energética propia. Se conoce que en Argentina el 52 % de la electricidad se produce en centrales térmicas, que funcionan a gas o diesel; el 43 % en usinas hidroeléctricas, y apenas el 4 % es energía nuclear. A partir del año 2003 las demandas eléctricas en la mayoría de las provincias, incluyendo Santa Fe, se incrementaron fuertemente como consecuencia del crecimiento económico experimentado en diferentes sectores productivos tales como el agro, la construcción y la industria. Esto obligó tanto al gobierno nacional como provincial a impulsar un nuevo plan estratégico con el principal objetivo de aumentar la producción de electricidad y así poder reducir los efectos negativos de la crisis energética que afecta a todo el territorio nacional. A pesar de que las centrales de ciclo combinado operan con gas natural y en consecuencia son las que menos contaminan respecto a plantas que operan con carbón, requieren que los gases de combustión generados deban ser tratados necesariamente antes de ser emitidos al ambiente. La corriente de gases exhaustos contiene uno de los principales responsables del calentamiento global, el CO2. Diferentes estudios revelan que para las próximas décadas la concentración de CO2 en el ambiente aumentaría a ritmos más acelerados en caso que no se adopten las medidas y acciones necesarias tendientes a disminuir dichas emisiones. De este modo resulta evidente la imperiosa necesidad de investigar y proponer soluciones efectivas para reducir las emisiones de gases con efecto invernadero. Algunas de las acciones tendientes a reducir las emisiones de CO2 procedentes de la combustión de combustibles fósiles para la producción de energía, debieran apuntar a: 1) uso racional de la energía generada (aumento de la eficiencia en los procesos de conversión), 2) utilizar combustibles que tengan menores emisiones (energías renovables, gas natural), 3) captura y almacenamiento del CO2 procedente de la combustión. En este sentido, esta tesis se enmarca en el punto 3) ya que se propone investigar y desarrollar procesos eficientes para tratar las emisiones generadas en las plantas de producción de energía eléctrica que contribuyen al efecto invernadero, en especial el CO2.