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Capítulo 4 — Metodología Diseño Experimental y Modelización Matemática

Esta es la versión para lectura y consulta. El portal completo, con el recorrido narrado, las visualizaciones y el glosario interactivo, está en ecprym.org.

Arquitectura metodológica

La verificación de consistencia interna del diseño —comprobar que, dentro del modelo, las cuentas cuadran y los criterios de aceptación se cumplen— se apoya en un sistema de ecuaciones acopladas que simula el comportamiento físico, térmico, eléctrico y económico del clúster. La metodología se estructura en tres piezas:

  1. Métrica (ICIG): una función de evaluación que cuantifica la circularidad sin compensaciones espurias entre dimensiones.
  1. Modelo (gemelo digital): un sistema de stocks y flujos regido por las leyes de conservación de masa y energía, con dinámica eléctrica, hidráulica y térmica.
  1. Comparación (contrafactual): la diferencia entre el clúster y un sistema convencional equivalente, que aísla el efecto del diseño circular.

El objetivo del diseño no es maximizar la producción de cada componente, sino la estabilidad del vector de estado del sistema completo en el tiempo.

La métrica: ICIG

El índice se calcula como media geométrica ponderada de los siete subíndices dimensionales, penalizada por su dispersión (véase el Capítulo 3):

\mathrm{ICIG} = \left(\prod_{k=1}^{7} C_k^{\,w_k}\right)\cdot\bigl(1 - \lambda\,\sigma_C\bigr),\qquad \sum_k w_k = 1,\quad \lambda = 0{,}5

La formulación impide que un buen desempeño en una dimensión oculte un fallo en otra. Los pesos w_k y el coeficiente de penalización λ son decisiones de diseño, no resultados del modelo: fijan qué importa y cuánto. El valor del índice con sus siete subíndices, y su sensibilidad a esos pesos, están por calcular.

El modelo: gemelo digital de stocks y flujos

El estado del sistema X(t) evoluciona según la ecuación de balance general:

X(t+\Delta t) = X(t) + \Phi_{ent}(t) - \Phi_{sal}(t) + \Omega_{reac}(t)

donde Φ son los flujos que atraviesan la frontera y Ω los términos de transformación interna. El modelo opera en capas temporales, porque cada fenómeno tiene su escala propia:

CapaPaso de integraciónFenómeno
0 · Estabilidad eléctrica10 msEcuación de oscilación, RoCoF y nadir
1 · Despacho1 horaBalance de potencia, bombeo, vapor
2 · Control predictivo24 horas con horizonte móvilProgramación del bombeo en la ventana solar
3 · Regulación estacional1 díaConsigna de volumen del embalse S04
Económica1 trimestreCascada de reinversión, deuda y caja

Subsistema hídrico

El embalse nodal S04 actúa como integrador del balance:

\frac{dV_{S04}}{dt} = Q_{SWRO}(t) - Q_{urb}(t) - Q_{agr}(t) - Q_{ind}(t)

con la producción desaladora acotada entre su mínimo técnico y su capacidad, y la potencia de bombeo proporcional al caudal: P = SEC · Q, con SEC = 3,00 kWh/m³.

Subsistema eléctrico

La frecuencia obedece a la ecuación de oscilación agregada:

\frac{df}{dt} = \frac{f_0}{2\,H_{sys}\,S_{base}}\Bigl(P_{gen}(t) - P_{dem}(t) - D\,\bigl(f(t) - f_0\bigr)\Bigr)

donde la constante de inercia H_sys depende de las máquinas síncronas acopladas en cada instante. La demanda modulable —ósmosis inversa y electrólisis— se desplaza hacia la ventana solar; la carga firme de las horas sin recurso renovable la cubre el grupo despachable de biometano.

Subsistema de carbono

La contabilidad separa emisiones fósiles e_f, flujos biogénicos e_b y remociones durables r:

\Gamma_{net}(t) = \int_0^t \bigl(e_f(\tau) + e_b(\tau) - r(\tau)\bigr)\,d\tau

El objetivo es verificar Γ_net < 0. Las emisiones evitadas a terceros no entran en esta integral.

Subsistemas de biomasa y materiales

La transformación de corrientes orgánicas vegetales en bioinsumos se modela con coeficientes de conversión biológica:

M_{fert} = \eta_{lombriz}\,M_{veg} + \eta_{insecto}\,M_{agr}

y cada proceso industrial con su coeficiente técnico c_ij en el grafo genealógico: unidades de la corriente del padre i por unidad de producto del hijo j.

Escenarios de simulación

EscenarioPerturbaciónCriterio de aceptación
BaseDía de mayor demanda de riego, contingencias N-1 en las 24 horasRoCoF ≤ 1,0 Hz/s; nadir ≥ 49,0 Hz; déficit nulo
Colapso eólicoPérdida del 70 % de la eólica a las 17:00RoCoF ≤ 2,0 Hz/s; nadir ≥ 47,5 Hz; S04 ≥ 15 %
Disparo del horno de calParada súbita de S02 a las 11:00Colector ≥ 9,45 bar; H ≥ 4,50 s; doble parada rechazada
Ola de calor+35 % de consumo urbano, +45 % de riego, −6 % de fotovoltaicaS04 ≥ 15 %; déficit nulo
Contrafactual convencionalMisma población con desalación de red fósil, monocultivo y vertederoDiferencia de ICIG

En la simulación, los tres escenarios de estrés se superan con la configuración de diseño: RoCoF máximo de 0,95 Hz/s, nadir mínimo de 49,51 Hz y colector de vapor a 12,0 bar en todas las horas.

Protocolo de verificación y MRV

El protocolo de monitorización, reporte y verificación, alineado con la norma ISO 14064, actúa en tres niveles:

Los resultados de los capítulos siguientes son consecuencias de las condiciones de diseño y de las leyes de conservación, verificables con los mismos modelos, lo que no es lo mismo que validados: el apartado siguiente explica la diferencia.

Qué verifica este modelo y qué queda por validar

En lenguaje llano. Verificar es comprobar que las cuentas del modelo cuadran; validar es comprobar que el modelo describe bien la realidad. Un mapa puede estar dibujado sin un solo error de escala y, aun así, representar mal el terreno si los datos de partida no eran exactos: la verificación revisa el dibujo; la validación sale al campo.

Lo que describe este capítulo es una verificación de consistencia interna: los balances cierran y cada cifra remite a su celda, y los escenarios de estrés cumplen sus criterios de aceptación dentro de la simulación. Eso asegura que los resultados son coherentes con los supuestos, no que los supuestos sean ciertos. La validación externa exige contrastar el modelo con observaciones que no han servido para construirlo. Está pendiente, y los datos que la harían posible están identificados:

Las cifras se leen con la misma cautela: sus decimales sirven para la trazabilidad, no expresan la precisión de una medida. En fase conceptual, como la de este estudio, una estimación de coste de clase 5 según AACE International (2020) puede desviarse entre un −20 % y un −50 % a la baja y entre un +30 % y un +100 % al alza; una de clase 4, entre −15 % y −30 % y entre +20 % y +50 %. Dicho de otro modo, una partida estimada en clase 5 puede, en los extremos de su horquilla, acabar costando la mitad o el doble. Lo mismo vale para las magnitudes físicas: un nadir con dos decimales es el resultado exacto de una simulación con unos parámetros dados, no una medida con esa precisión.

Los escenarios de estrés, por último, son deterministas: cada uno aplica un choque definido, con valores fijos, y comprueba si el sistema cumple su criterio de aceptación. Responden a la pregunta «¿resiste el diseño este golpe?», pero no a «¿con qué probabilidad resiste?». Para la segunda hace falta un análisis probabilístico que propague la incertidumbre de los parámetros más influyentes —el recurso eólico, la demanda de riego, el consumo específico de la desalación—: repetir la simulación muchas veces con valores extraídos de sus distribuciones y obtener, en lugar de un único resultado, un abanico de resultados con su probabilidad. Ese análisis está por hacer.

Todo ello sitúa el trabajo en su categoría: un estudio de prefactibilidad conceptual, con su consistencia interna verificada y pendiente de revisión externa por pares y de validación con datos independientes. Esa delimitación es también su plan de trabajo: someterlo a revisores independientes y reunir los datos que lo validen.

Fundamento teórico y normativa de respaldo