Abstract: This thesis addresses the numerical optimization of the design and scheduling of a biomethane plant integrated with a reversible solid oxide cell, amongst other technologies, that allow the processing of biogas coming from OFMSW anaerobic digestion as to maximize profitability on a yearly basis under different circumstances. The optimization model is carried out through a mixed integer linear program as to obtain the adequate sizes of the different technologies that compose the integrated energy plant whilst taking advantage of the energy and material stream interactions to reach optimal financial feasibility. The inclusion of a reversible oxide fuel cell allows the system to work in different modes as in Power-to-gas and Gas-to-power, generating interest on to the different services that the system can provide to the gas and electricity grids and most importantly to a future decarbonized energy scenario. Furthermore, inclusion of linear models for an amine scrubbing section for biomethane upgrading, a photovoltaic solar field, gas and heat storage units, a battery energy storage system and a biogas boiler into the MILP is carried out as they are part of the technologies in study for the integrated energy plant. The seasonal variability for gas and electricity prices, part load performances, size effects, weather related data, and technological modelling of components are all part of the challenges to be tackled as to obtain a MILP able to compute accurate, adequate and optimal solutions for the design and scheduling problem whilst subjected to technological, environmental and operational constraints. Resumen: Esta tesis se centra en la optimización numérica del diseño y operación de una planta de biometano integrada con una celda de hidrogeno reversible, entre otras tecnologías, que permiten el procesamiento de biogás proveniente de la digestión anaeróbica de material orgánico con el objetivo de maximizar las ganancias en temporalidad anual ante diferentes circunstancias. El modelo de optimización se lleva a cabo con un algoritmo de programación lineal de entornos mixtos para obtener los tamaños de diseño adecuados de las diferentes tecnologías que componen a la planta integrada de energía mientras se toma ventaja de las interacciones entre cada flujo de energía y/o materia para obtener la mas óptima viabilidad económica. La inclusión de una celda reversible de hidrógeno permite al sistema trabajar en diferentes modos como electricidad a gas o gas a electricidad, generando interés en los distintos servicios que el sistema puede proveer a las redes de gas y electricidad y aun más importante a un futuro escenario mundial de energético descarbonizado. Mas aún, la inclusión de modelos lineales como un sistema de mejora de la calidad del biometano mediante absorción con aminas, un campo de energía solar fotovoltaica, unidades de almacenamiento de gas y calor, un sistema de almacenamiento de energías mediante baterías y una caldera de biogás en el modelo de programación lineal es llevado a cabo pues son parte de las tecnologías en estudio para la planta energética integrada. La variación estacional por los precios de gas y electricidad, desempeño a cargas parciales, efectos de tamaños, data ambiental, y el modelado tecnológico de los componentes son parte de los retos a ser resueltos para poder obtener un MILP capaz de computar precisas, adecuadas y optimas soluciones para el problema de diseño y operación mientras se encuentra sujeto a restricciones tecnológicas, ambientales y operacionales.

Abstract: This thesis addresses the numerical optimization of the design and scheduling of a biomethane plant integrated with a reversible solid oxide cell, amongst other technologies, that allow the processing of biogas coming from OFMSW anaerobic digestion as to maximize profitability on a yearly basis under different circumstances. The optimization model is carried out through a mixed integer linear program as to obtain the adequate sizes of the different technologies that compose the integrated energy plant whilst taking advantage of the energy and material stream interactions to reach optimal financial feasibility. The inclusion of a reversible oxide fuel cell allows the system to work in different modes as in Power-to-gas and Gas-to-power, generating interest on to the different services that the system can provide to the gas and electricity grids and most importantly to a future decarbonized energy scenario. Furthermore, inclusion of linear models for an amine scrubbing section for biomethane upgrading, a photovoltaic solar field, gas and heat storage units, a battery energy storage system and a biogas boiler into the MILP is carried out as they are part of the technologies in study for the integrated energy plant. The seasonal variability for gas and electricity prices, part load performances, size effects, weather related data, and technological modelling of components are all part of the challenges to be tackled as to obtain a MILP able to compute accurate, adequate and optimal solutions for the design and scheduling problem whilst subjected to technological, environmental and operational constraints. Resumen: Esta tesis se centra en la optimización numérica del diseño y operación de una planta de biometano integrada con una celda de hidrogeno reversible, entre otras tecnologías, que permiten el procesamiento de biogás proveniente de la digestión anaeróbica de material orgánico con el objetivo de maximizar las ganancias en temporalidad anual ante diferentes circunstancias. El modelo de optimización se lleva a cabo con un algoritmo de programación lineal de entornos mixtos para obtener los tamaños de diseño adecuados de las diferentes tecnologías que componen a la planta integrada de energía mientras se toma ventaja de las interacciones entre cada flujo de energía y/o materia para obtener la mas óptima viabilidad económica. La inclusión de una celda reversible de hidrógeno permite al sistema trabajar en diferentes modos como electricidad a gas o gas a electricidad, generando interés en los distintos servicios que el sistema puede proveer a las redes de gas y electricidad y aun más importante a un futuro escenario mundial de energético descarbonizado. Mas aún, la inclusión de modelos lineales como un sistema de mejora de la calidad del biometano mediante absorción con aminas, un campo de energía solar fotovoltaica, unidades de almacenamiento de gas y calor, un sistema de almacenamiento de energías mediante baterías y una caldera de biogás en el modelo de programación lineal es llevado a cabo pues son parte de las tecnologías en estudio para la planta energética integrada. La variación estacional por los precios de gas y electricidad, desempeño a cargas parciales, efectos de tamaños, data ambiental, y el modelado tecnológico de los componentes son parte de los retos a ser resueltos para poder obtener un MILP capaz de computar precisas, adecuadas y optimas soluciones para el problema de diseño y operación mientras se encuentra sujeto a restricciones tecnológicas, ambientales y operacionales.