Desarrollo de un sistema de gestión de energía, integrado al nexo agua–energía–alimentos que permita la gestión integral de recursos en una microrred aislada del norte de Chile, mediante modelos de optimización multiobjetivo

Abstract

La gestión de recursos en comunidades aisladas de zonas áridas requiere coordinar el suministro eléctrico con la disponibilidad de agua y las necesidades agrícolas. En Socaire, la generación hidroeléctrica y el riego comparten una infraestructura que vincula sus decisiones de operación. Esta memoria desarrolla un sistema de gestión de energía (EMS) integrado al nexo agua–energía–alimentos (WEF), orientado a representar estas interacciones y evaluar los compromisos entre el costo operativo eléctrico y el déficit relativo de evapotranspiración de los cultivos, ponderado por superficie. La metodología comprende la caracterización de los subsistemas, la construcción de una base de datos integrada y la formulación e implementación de un modelo determinista biobjetivo en Python y Pyomo, resuelto mediante Gurobi. El EMS coordina una mini-hidroeléctrica, generación fotovoltaica, almacenamiento en baterías, un generador diésel y seis unidades de cultivo, incorporando balances hidráulicos, restricciones de compuertas y la evolución del agua en la zona radicular. La resolución emplea suma ponderada normalizada y un horizonte deslizante nominal de 48 h, con decisiones cada 15 min y transferencia de estados entre ventanas. Se evalúan seis escenarios que combinan demanda actual y futura con tres niveles de flexibilidad diaria del riego, durante 365 días continuos. La demanda se construye mediante RAMP a partir de antecedentes comunitarios, incluidas 81 respuestas de encuesta; las restantes entradas proceden de registros y parámetros adoptados para el caso. Con ω₁ = 0,50, ampliar la flexibilidad de E1 a E3 reduce el déficit relativo anual en un 11,61 % bajo demanda actual y un 12,89 % bajo demanda futura, mientras el riego neto aumenta un 35,27 % y un 37,29 %, respectivamente. Esta mejora se acompaña de incrementos del costo modelado de (...).

Resource management in isolated communities in arid regions requires coordinating electricity supply with water availability and agricultural needs. In Socaire, hydropower generation and irrigation share infrastructure that links their operating decisions. This thesis develops an energy management system (EMS) integrated with the water–energy–food (WEF) nexus to represent these interactions and assess the trade-offs between electrical operating cost and the crops' area-weighted relative evapotranspiration deficit. The methodology comprises subsystem characterization, the development of an integrated database, and the formulation and implementation of a deterministic biobjective model in Python and Pyomo, solved using Gurobi. The EMS coordinates a small hydropower plant, photovoltaic generation, battery storage, a diesel generator, and six crop units, incorporating hydraulic balances, irrigation gate constraints, and root-zone water dynamics. The solution approach uses a normalized weighted sum and a nominal 48-h rolling horizon, with decisions every 15 min and state transfer between successive windows. Six scenarios combine current and future demand with three levels of daily irrigation flexibility over 365 consecutive days. Demand is generated using RAMP from community information, including 81 survey responses; the remaining inputs are derived from records and parameters adopted for the case study. With ω₁ = 0.50, increasing flexibility from E1 to E3 reduces the annual relative deficit by 11.61% under current demand and 12.89% under future demand, while net irrigation increases by 35.27% and 37.29%, respectively. These improvements are accompanied by modeled cost increases of (...).