Multiperiod modelling planning and productivity and energy efficient assessment of an industrial gases facility

Abstract

El creixement de la demanda energètica i el continu desenvolupament tecnològic de la societat estan sobrepassant els límits mediambientals del nostre planeta. Sense les mesures adequades, aquesta situació podria derivar en importants problemes mediambientals que causarien danys irreversibles al medi ambient i al benestar de la humanitat. El sector industrial és el principal consumidor energètic, amb una demanda al voltant d’un terç de la global, un aspecte que té un evident efecte negatiu amb l’impacte mediambiental. Per tant, el repte de mitigar el canvi climàtic implicarà millores en l’ús de la energia a la industria, generant grans oportunitats d’estalvi energètic i reduint el seu impacte mediambiental. En aquest sentit, es essencial obtenir informació derivada de la investigació i l’anàlisi científic que permeti desenvolupar solucions focalitzades en la reducció de costos energètics. Aquesta tesis ha tractat les necessitats particulars de la producció de gasos industrials, creant eines basades en l’optimització matemàtica que permeten una presa de decisions operatives més àgil i efectiva i detectant àrees per la millora energètica. Aquestes eines fomenten i avancen cap a una industria més eficient que permeti un futur més sostenible. Aquesta tesis té dos contribucions principals. D’una banda, s’ha desenvolupat una eina d’optimització multiperiod que permet obtenir la configuració d’operació òptima (des del punt de vista econòmic i energètic) d’un procés de producció de gasos industrials, tenint en compte totes les seves variables. Per altra banda, s’utilitza la metodologia de Data Envelopment Analisis per a comparar diferents unitats de producció de gasos industrials, identificant els focus d’ineficiència i fent recomanacions per a resoldre’ls.

El crecimiento de la demanda energética y el continuo desarrollo tecnológico de la sociedad están sobrepasando los límites medioambientales de nuestro planeta. Sin las medidas adecuadas, esta situación puede derivar en importantes problemas medioambientales que podrían causar daños irreversibles al medioambiente y al bienestar de la humanidad. El sector industrial es el principal consumidor energético, consumiendo alrededor de un tercio de la demanda energética global, lo que tiene una evidente relación negativa con el impacto ambiental. Por lo tanto, el reto de mitigar el cambio climático implicará mejoras del uso de la energía en la industria, creando grandes oportunidades de ahorro energético y reduciendo su impacto ambiental. Para ello, es esencial obtener información derivada de la investigación y el análisis científico que permita desarrollar soluciones enfocadas a la reducción de costes energéticos. Esta tesis ha tratado las necesidades particulares de la producción de gases industriales, creando herramientas basadas en la optimización matemática que permiten una toma de decisiones operativas más ágil y efectiva y detectando áreas para la mejora energética. Estas herramientas fomentan y avanzan hacia una industria más eficiente que permita un futuro más sostenible. Esta tesis tiene dos contribuciones principales. Por un lado, se crea una herramienta de optimización multiperiodo que permite obtener la configuración de operación óptima (desde el punto de vista económico y energético) de un proceso de producción de gases industriales, teniendo en cuenta todas sus variables. Por otro lado, se usa la metodología de Data Envelopment Analysis para comparar diferentes unidades de producción de gases industriales, identificando los focos de ineficiencia y haciendo recomendaciones para resolverlos. En definitiva, esta tesis ofrece un conjunto de herramientas prácticas y efectivas que apoyan el proceso de toma de decisiones en actividades industriales y permiten la identificación de oportunidades de mejora energética.

The growth of energy demand and the continuous technological development of society are surpassing the environmental limits of our planet. Without adequate measures, this situation can lead to serious environmental problems that could cause irreversible damage to the environment and the well-being of humanity. The industrial sector is the largest energy consumer, with about one-third of global energy demand, which has an evident negative relationship with environmental impact. Therefore, the challenge of mitigating climate change will imply improvements in the energy use in industry, creating great opportunities for energy savings and reducing its environmental impact. In this sense, it is essential to obtain information derived from research and scientific analysis that allows developing solutions focused on the reduction of energy costs. This thesis has dealt with the particular needs of the production of industrial gases, by creating tools based on mathematical optimization models that allow much more agile and effective operational decision-making as well as the detection of areas for energy improvement. These tools encourage and move towards a more efficient industry that allow a more sustainable future. Two main contributions are derived from this thesis. On the one hand, it creates a multiperiod optimization tool that allows obtaining the optimal operational configuration (from the economic and energetic points of view) of an industrial gas manufacturing process, taking into account all the variables that affect the system. On the other hand, the Data Envelopment Analysis methodology is used to compare different industrial gas production units, identifying inefficiency sources and making recommendations to adopt the best practices to solve them. Summarizing, this thesis offers a set of practical and effective tools that support the decision making process in industrial activities and allows the identification of opportunities for energy improvement.