Influencia de las restricciones medioambientales en el sector eléctrico

El objetivo de esta tesis es la caracterización de la generación térmica representativa de la existente en la realidad, para posteriormente proceder a su modelización y simulación integrándolas en una red eléctrica tipo y llevar a cabo estudios de optimización multiobjetivo económico medioambiental. Para ello, en primera instancia se analiza el contexto energético y eléctrico actual, y más concretamente el peninsular, en el que habiendo desaparecido las centrales de fuelóleo, sólo quedan ciclos combinados y centrales de carbón de distinto rango. Seguidamente se lleva a cabo un análisis de los principales impactos medioambientales de las centrales eléctricas basadas en combustión, representados sobre todo por sus emisiones de CO2, SO2 y NOx, de las medidas de control y mitigación de las mismas y de la normativa que les aplica. A continuación, a partir de las características de los combustibles y de la información de los consumos específicos, se caracterizan los grupos térmicos frente a las funciones relevantes que definen su comportamiento energético, económico y medioambiental, en términos de funciones de salida horarias dependiendo de la carga. Se tiene en cuenta la posibilidad de desnitrificación y desulfuración. Dado que las funciones objetivo son múltiples, y que están en conflicto unas con otras, se ha optado por usar métodos multiobjetivo que son capaces de identificar el contorno de puntos óptimos o frente de Pareto, en los que tomando una solución no existe otra que lo mejore en alguna de las funciones objetivo sin empeorarlo en otra. Se analizaron varios métodos de optimización multiobjetivo y se seleccionó el de las ε constraint, capaz de encontrar frentes no convexos y cuya optimalidad estricta se puede comprobar. Se integró una representación equilibrada de centrales de antracita, hulla nacional e importada, lignito y ciclos combinados en la red tipo IEEE-57, en la que se puede trabajar con siete centrales sin distorsionar demasiado las potencias nominales reales de los grupos, y se programó en Matlab la resolución de flujos óptimos de carga en alterna con el método multiobjetivo integrado. Se identifican los frentes de Pareto de las combinaciones de coste y cada uno de los tres tipos de emisión, y también el de los cuatro objetivos juntos, obteniendo los resultados de costes óptimos del sistema para todo el rango de emisiones. Se valora cuánto le cuesta al sistema reducir una tonelada adicional de cualquier tipo de emisión a base de desplazarse a combinaciones de generación más limpias. Los puntos encontrados aseguran que bajo unas determinadas emisiones no pueden ser mejorados económicamente, o que atendiendo a ese coste no se puede reducir más allá el sistema en lo relativo a emisiones. También se indica cómo usar los frentes de Pareto para trazar estrategias óptimas de producción ante cambios horarios de carga. ABSTRACT The aim of this thesis is the characterization of electrical generation based on combustion processes representative of the actual power plants, for the latter modelling and simulation of an electrical grid and the development of economic- environmental multiobjective optimization studies. In this line, the first step taken is the analysis of the current energetic and electrical framework, focused on the peninsular one, where the fuel power plants have been shut down, and the only ones remaining are coal units of different types and combined cycle. Then it is carried out an analysis of the main environmental impacts of the thermal power plants, represented basically by the emissions of CO2, SO2 y NOx, their control and reduction measures and the applicable regulations. Next, based on the combustibles properties and the information about the units heat rates, the different power plants are characterized in relation to the outstanding functions that define their energy, economic and environmental behaviour, in terms of hourly output functions depending on their load. Optional denitrification and desulfurization is considered. Given that there are multiple objectives, and that they go in conflictive directions, it has been decided the use of multiobjective techniques, that have the ability of identifying the optimal points set, which is called the Pareto front, where taken a solution there will be no other point that can beat the former in an objective without worsening it in another objective. Several multiobjective optimization methods were analysed and pondered, selecting the ε constraint technique, which is able to find no convex fronts and it is opened to be tested to prove the strict Pareto optimality of the obtained solutions. A balanced representation of the thermal power plants, formed by anthracite, lignite, bituminous national and imported coals and combined cycle, was integrated in the IEEE-57 network case. This system was selected because it deals with a total power that will admit seven units without distorting significantly the actual size of the power plants. Next, an AC optimal power flow with the multiobjective method implemented in the routines was programmed. The Pareto fronts of the combination of operative costs with each of the three emissions functions were found, and also the front of all of them together. The optimal production costs of the system for all the emissions range were obtained. It is also evaluated the cost of reducing an additional emission ton of any of the emissions when the optimal production mix is displaced towards cleaner points. The obtained solutions assure that under a determined level of emissions they cannot be improved economically or, in the other way, at a determined cost it cannot be found points of lesser emissions. The Pareto fronts are also applied for the search of optimal strategic paths to follow the hourly load changes.

Comparative Life Cycle Assessment of the Conventional Façade SOS Natura and the Natural Water Tank Façade

The construction industry produces great environmental impacts to the planet. In order to tackle this problem, the European Union has put into effect Regulation No 305/2011, which compels the construction products manufacturers to carry out environmental performance studies of these products and thus make public the impact they cause on the environment. The aim of this research is to make known the environmental impacts of the SOS Natura Conventional Façade (CF) solution, obtained within the research project "SOS Natura, Vegetal Architectural Solutions" developed by the Department of Construction and Technology in Architecture of the School of Architecture of the Technical University of Madrid (Spain). In addition, we report an environmental comparative with the Natural Water Tank Façade (NWTF), studied previously by the same work group and included in the same research project.We present as well an uncertainty analysis for both façades. Following the study conducted we conclude that the NWTF profile has a slightly better environmental behaviour when compared to the CF profile for the entire life cycle in most of the impact categories analysed in this study. However it should also be noted that, in detail and at stage level, the NWTF presents a higher environmental impact than the CF.

Environmental variables modeling based on remote sensing data using time series analysis: forestry and agricultural applications

En la actualidad, el seguimiento de la dinámica de los procesos medio ambientales está considerado como un punto de gran interés en el campo medioambiental. La cobertura espacio temporal de los datos de teledetección proporciona información continua con una alta frecuencia temporal, permitiendo el análisis de la evolución de los ecosistemas desde diferentes escalas espacio-temporales. Aunque el valor de la teledetección ha sido ampliamente probado, en la actualidad solo existe un número reducido de metodologías que permiten su análisis de una forma cuantitativa. En la presente tesis se propone un esquema de trabajo para explotar las series temporales de datos de teledetección, basado en la combinación del análisis estadístico de series de tiempo y la fenometría. El objetivo principal es demostrar el uso de las series temporales de datos de teledetección para analizar la dinámica de variables medio ambientales de una forma cuantitativa. Los objetivos específicos son: (1) evaluar dichas variables medio ambientales y (2) desarrollar modelos empíricos para predecir su comportamiento futuro. Estos objetivos se materializan en cuatro aplicaciones cuyos objetivos específicos son: (1) evaluar y cartografiar estados fenológicos del cultivo del algodón mediante análisis espectral y fenometría, (2) evaluar y modelizar la estacionalidad de incendios forestales en dos regiones bioclimáticas mediante modelos dinámicos, (3) predecir el riesgo de incendios forestales a nivel pixel utilizando modelos dinámicos y (4) evaluar el funcionamiento de la vegetación en base a la autocorrelación temporal y la fenometría. Los resultados de esta tesis muestran la utilidad del ajuste de funciones para modelizar los índices espectrales AS1 y AS2. Los parámetros fenológicos derivados del ajuste de funciones permiten la identificación de distintos estados fenológicos del cultivo del algodón. El análisis espectral ha demostrado, de una forma cuantitativa, la presencia de un ciclo en el índice AS2 y de dos ciclos en el AS1 así como el comportamiento unimodal y bimodal de la estacionalidad de incendios en las regiones mediterránea y templada respectivamente. Modelos autorregresivos han sido utilizados para caracterizar la dinámica de la estacionalidad de incendios y para predecir de una forma muy precisa el riesgo de incendios forestales a nivel pixel. Ha sido demostrada la utilidad de la autocorrelación temporal para definir y caracterizar el funcionamiento de la vegetación a nivel pixel. Finalmente el concepto “Optical Functional Type” ha sido definido, donde se propone que los pixeles deberían ser considerados como unidades temporales y analizados en función de su dinámica temporal. ix SUMMARY A good understanding of land surface processes is considered as a key subject in environmental sciences. The spatial-temporal coverage of remote sensing data provides continuous observations with a high temporal frequency allowing the assessment of ecosystem evolution at different temporal and spatial scales. Although the value of remote sensing time series has been firmly proved, only few time series methods have been developed for analyzing this data in a quantitative and continuous manner. In the present dissertation a working framework to exploit Remote Sensing time series is proposed based on the combination of Time Series Analysis and phenometric approach. The main goal is to demonstrate the use of remote sensing time series to analyze quantitatively environmental variable dynamics. The specific objectives are (1) to assess environmental variables based on remote sensing time series and (2) to develop empirical models to forecast environmental variables. These objectives have been achieved in four applications which specific objectives are (1) assessing and mapping cotton crop phenological stages using spectral and phenometric analyses, (2) assessing and modeling fire seasonality in two different ecoregions by dynamic models, (3) forecasting forest fire risk on a pixel basis by dynamic models, and (4) assessing vegetation functioning based on temporal autocorrelation and phenometric analysis. The results of this dissertation show the usefulness of function fitting procedures to model AS1 and AS2. Phenometrics derived from function fitting procedure makes it possible to identify cotton crop phenological stages. Spectral analysis has demonstrated quantitatively the presence of one cycle in AS2 and two in AS1 and the unimodal and bimodal behaviour of fire seasonality in the Mediterranean and temperate ecoregions respectively. Autoregressive models has been used to characterize the dynamics of fire seasonality in two ecoregions and to forecasts accurately fire risk on a pixel basis. The usefulness of temporal autocorrelation to define and characterized land surface functioning has been demonstrated. And finally the “Optical Functional Types” concept has been proposed, in this approach pixels could be as temporal unities based on its temporal dynamics or functioning.

Farmers behaviour on mitigation and adaptation to climate change: A case study in Kenya.

Farmers in Africa are facing climate change and challenging rural livelihoods while maintaining agricultural systems that are not resilient. By 2050 the mean estimates of production of key staple crops in Africa such as maize, sorghum, millet, groundnut, and cassava are expected to decrease by between 8 and 22 percent (Schlenker and Lobell 2010). In Kenya, although projections of rainfall do not show dramatic decreases, the distribution of impacts is clearly negative for most crops. As increases in temperature will lead to increases in evapotranspiration, a potential increase in rainfall in Kenya may not offset the expected increases in agricultural water needs (Herrero et al. 2010). In order to respond to these present and future challenges, potential mitigation and adaptation options have been developed. However, implementation is not evident. In addition to their benefits in either mitigating or reducing the vulnerability of climate change effects, many of these options do not have economic costs and even provide economic benefits (e.g. savings in the consumption of energy or natural resources). Nevertheless, it is demonstrated that even when there are no biophysical, technological or economic constraints and despite their potential benefits from either the economic or environmental climate change point of view, not all farmers are willing to adopt these measures. This reflects the key role that behavioural barriers can play in the uptake of mitigation and adaptation measures.

New agri-environmental policies for the sustainability of mountainous olive farming. Evidences from Andalusia, Spain

La sostenibilidad de los sistemas olivareros situados en zonas de pendiente y montaña (SMOPS) en Andalucía se encuentra actualmente amenazada por las elevadas tasas de abandono que afectan a estos sistemas productivos. Así, la consumación de este proceso de abandono, no sólo pondría en peligro a las propias explotaciones, sino a todo el conjunto de bienes y servicios no productivos y al patrimonio cultural generado por este sistema productivo. En este contexto, la búsqueda de alternativas políticas enfocadas a revertir este proceso se erige como una necesidad categórica en aras de garantizar en el largo plazo la sostenibilidad de los olivares de montaña. Esta tesis pretende hacer frente a esta necesidad a través de la construcción de un marco político alternativo para los SMOPS, que permita la integración simultánea de todas las dimensiones que pueden influir en su desarrollo; esto es: el marco político actual, principalmente determinado por la Política Agraria Común (PAC) de la Unión Europea (UE); las preferencias de la sociedad hacia la oferta de bienes y servicios públicos generados por los SMOPS; y las preferencias y voluntad de innovación hacia nuevos manejos y sistemas de gestión de los agricultores y propietarios de las explotaciones. Para ello, se emplea una metodología de investigación mixta, que abarca la realización de cuatro encuestas (personales y online) llevadas a cabo a los agentes o grupos de interés involucrados directa o indirectamente en la gestión de los SMOPS –ciudadanos, agricultores y propietarios y expertos-; una profunda revisión de las herramientas de política agroambiental actuales y posibles alternativas a las mismas; y el desarrollo de nuevas estrategias metodológicas para dotar de mayor precisión y fiabilidad las estimaciones obtenidas a partir del Método del Experimento de Elección (MEE) en el campo de la valoración medioambiental. En general, los resultados muestran que una estrategia de política agroambiental basada en la combinación de los Contratos Territoriales de Zona Rural (CTZR) y el manejo ecológico supondría una mejora en la sostenibilidad de los sistemas olivareros de montaña andaluces, que, al mismo tiempo, propiciaría una mejor consideración de las necesidades y demandas de los agentes implicados en su gestión. Asimismo, los hallazgos obtenidos en esta investigación demandan un cambio de paradigma en los actuales pagos agroambientales, que han de pasar de una estrategia basada en la implementación de acciones, a otra enfocada al logro de objetivos, la cual, en el caso del olivar, se podría centrar en el aumento del secuestro de carbono en el suelo. Desde un punto de vista metodológico, los resultados han contribuido notablemente a mejorar la fiabilidad y precisión de las conclusiones estimadas a partir del MEE, mediante el diseño de un novedoso proceso iterativo para detectar posibles comportamientos inconsistentes por parte de los entrevistados con respecto a su máxima Disposición al Pago (DAP) para lograr la situación considerada como “óptima” en los olivares ecológicos de montaña andaluces. En líneas generales, el actual marco institucional favorece la puesta en práctica de la mayoría de las estrategias propuestas en esta tesis; sin embargo son necesarios mayores esfuerzos para reconducir los actuales Pagos Agroambientales y Climáticos de la PAC, hacia una estrategia de política agroambiental adaptada a las necesidades y requisitos del territorio en el que se aplica, enfocada al logro de objetivos y que sea capaz de integrar y coordinar al conjunto de agentes y grupos de interés involucrados -directa o indirectamente- en la gestión de los olivares de montaña. En este contexto, se espera que la puesta en práctica de nuevas estructuras y acuerdos de gobernanza territorial juegue un importante papel en el desarrollo de una política agroambiental realmente adaptada a las necesidades de los sistemas olivareros de montaña andaluces. ABSTRACT The long-term sustainability of Andalusian sloping and mountainous olive production systems (SMOPS) is currently threatened by the high abandonment rates that affect these production systems. The effective occurrence of this abandonment process is indeed menacing not only farms themselves, but also the wide array of public goods and services provided by SMOPS and the cultural heritage held by this production system. The search of policy alternatives aimed at tackling this process is thus a central necessity. This thesis aims to undertake this necessity by building an alternative policy framework for SMOPS that simultaneously integrates the several dimensions that are susceptible to influence it, namely: the current policy framework, mainly determined by the European Union’s (EU) Common Agricultural Policy (CAP); the social preferences toward the supply of SMOPS’ public goods and services; and farmers’ preferences and willingness to innovate toward new management practices in their farms. For this purpose, we put into practice a mixed-method strategy that combines four face-to-face and online surveys carried out with SMOPS’ stakeholders -including citizens, farmers and experts-; in-depth analysis of current and alternative agrienvironmental policy (AEP) instruments; and the development of novel methodological approaches to advance toward more reliable Discrete Choice Experiment’s (DCE) outcomes in the field of environmental valuation. Overall, results show that a policy strategy based on the combination of Territorial Management Contracts (TMC) and organic management would further enhance Andalusian SMOPS’ sustainability by simultaneously taking into account stakeholders’ demands and needs. Findings also call for paradigm shift of the current action-oriented design of Agri-Environmental-Climate Schemes (AECS), toward a result-based approach, that in the case of olive orchards should particularly be focused on enhancing soil carbon sequestration. From a methodological perspective, results have contributed to improve the accuracy and feasibility of DCE outcomes by designing a novel and iterative procedure focused in ascertaining respondents’ inconsistent behaviour with respect to their stated maximum WTP for the attainment of an ideal situation to be achieved in organic Andalusian SMOPS. Generally, the present institutional framework favours the implementation of the main policy strategies proposed in this thesis, albeit further efforts are required to better conduct current CAP’s agri-environmental instruments toward a territorially targeted result-oriented strategy capable to integrate and coordinate the whole set of stakeholders involved in the management of SMOPS. In this regard, alternative governance structures and arrangements are expected to play a major role on the process of tackling SMOPS’ agri-environmental policy challenge.

Analysis of fire behaviour simulations over Spain with WRF-FIRE

Wildland fire spread and behaviour are complex phenomena owing to both the number of involved physico-chemical factors, and the non-linear relationship between variables. Spain is plagued by forest and brush fires every summer, when the extremely dry weather sets in along with high temperatures. The use of fire behaviour models requires the availability of high resolution environmental and fuel data; in the absence of real data, errors on the simulated fire spread can be compounded to affect the spatial and temporal accuracy of predicted data. The effect of input values on the accuracy of WRF-FIRE simulations was evaluated to assess the capabilities of the new system for wildland fire in accurately forecasting fire behaviour. The results confirm that the use of accurate meteorological data and a custom fuel moisture content model is crucial to obtain precise simulations of fire behaviour.