Browsing by Author "Anjos, Miguel F."

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    A Binary Expansion Approach for the Water Pump Scheduling Problem in Large and High-Altitude Water Supply Systems
    (2024) Cariaga, Denise; Lorca, Alvaro; Anjos, Miguel F.
    The water pump scheduling problem is an optimisation model that determines which water pumps will be turned on or off at each time period over a given time horizon for a given water supply system. This problem has received considerable attention in mining and desalination due to the high power consumption of water pumps and desalination plants and the complicated dynamics of water flows and the power market. Motivated by this, in this paper we solve the optimal operation of a desalinated water supply system consisting of interconnected tanks and pumps that transport water to high-altitude reservoirs. The optimisation of this process encounters several difficulties arising from (i) the nonlinearities of the equations for the frictional losses along the pipes and pumps, which makes the problem a nonlinear mixed-integer model, and (ii) many possible combinations of pressure head and flow rates, which quickly leads to high computational costs. These limitations prevent the problem from being solved in a reasonable computational time in high-altitude water supply systems with more than six pumps and reservoirs, as in many networks worldwide. Therefore, in this work we develop new exact methods for the optimal pump scheduling problem that use a binary expansion approach to efficiently account for the existing nonlinearities by reducing the computational difficulties of the original problem while keeping an excellent representation of the physical phenomena involved. We also extensively tested the proposed approach in different network topologies and a case study for a real-world copper mine water network, and we conclude that the binary expansion approach significantly reduces the computational time for solving the problem with high precision, which can be very relevant for the practical daily operation of real-world water supply systems.
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    Planning and operations of water and energy networks
    (2024) Cariaga Sandoval, Denise Carolina; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Anjos, Miguel F.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Esta tesis se centra en la planificación y operación óptimas de redes de agua y energía, con el objetivo de mejorar la eficiencia, reducir costos y abordar los desafíos asociados con los sistemas de suministro de agua de gran tamaño y ubicados a gran altura. El primer artículo introduce el método de expansión binaria para resolver el problema de planificación de bombas de agua, caracterizado por un alto consumo de energía y dinámicas complejas, lo que resulta en un modelo de optimización no lineal entero mixto. Al emplear el enfoque de expansión binaria, se reduce la complejidad computacional manteniendo una alta precisión, como se demuestra a través de experimentos computacionales en varias topologías de red, incluyendo el caso de estudio de la red de agua de una mina de cobre chilena. El segundo artículo amplía este problema incorporando la respuesta a la demanda y abordando las incertidumbres en los precios spot de electricidad y la demanda de agua. Un modelo de optimización estocástica de dos pasos integra una optimización robusta del perfil de agua con una optimización estocástica del perfil de potencia, equilibrando efectivamente las no linealidades y las incertidumbres para optimizar la planificación de las bombas de agua y proporcionar servicios complementarios de respuesta a la demanda a la red eléctrica en el mercado de capacidad. Los estudios de disitntos casos destacan el impacto de diferentes estaciones del año, las políticas energéticas en los costos totales y la provisión de respuesta a la demanda, proporcionando información científica para los legisladores de políticas energéticas. El tercer artículo explora la planificación a largo plazo de la expansión de capacidad en generación y transmisión eléctrica mediante la integración de la flexibilidad de la desalación dentro del sistema eléctrico chileno. Subraya el papel significativo de la desalación por osmosis inversa en abordar la escasez de agua e influir en las dinámicas del sistema eléctrico. Al co-optimizar las operaciones de desalación con la planificación de la generación y transmisión eléctrica, el modelo mejora el rendimiento del sistema y revela las sinergias entre los sistemas de energía solar, almacenamiento de energía en baterías y agua desalada. Estos hallazgos guían las decisiones de inversión, las políticas de descarbonización y la integración sostenible de los sistemas de agua y energía. Finalmente, estos estudios contribuyen a una comprensión integral de la optimización de las redes de agua y energía, permitiendo la maximización de los beneficios mutuos mientras se minimizan los costos totales. Se proponen soluciones prácticas y efectivas para mejorar la eficiencia de ambas redes, y se recomiendan políticas operacionales y energéticas para su futura implementación, asegurando así el logro de los objetivos energéticos y de sostenibilidad para el año 2050.