3.01 Escuela de Ingeniería

Permanent URI for this community

https://repositorio.uc.cl/handle/11534/3277

Browse

Browsing 3.01 Escuela de Ingeniería by browse.metadata.categoriaods "07 Energía asequible y no contaminante"

Now showing 1 - 4 of 4
  • No Thumbnail Available
    Item
    A transitional proposal for working fluids in csp from GEN2 to GEN3: Evaluating their thermophysical properties, corrosion behavior, and economic impact
    (2024) Castro Quijada, Matias Daniel; Videla Leiva, Alvaro Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    In the pursuit of reducing the levelized cost of electricity (LCOE) in concentrated solar power (CSP) plants, the search for working fluids (WF) capable of withstanding higher temperatures than current nitrate-based solar salt has emerged. This endeavor aims to enhance generation efficiency without increasing system costs. Despite consensus favoring chlorides for the new system, challenges such as high melting points and extreme corrosiveness of low-melting-point chlorides (e.g., NaCl-KCl-MgCl₂) have hindered the evolution of this technology. This research proposes a systematic transition from the current solar salt to an equimolar salt mixture of NaNO₃, KNO₃, NaCl, and KCl. The thermophysical properties of these salts were assessed using standard methods and methodology such as DSC for melting point and heat capacity, TGA for degradation temperature, Archimedean method for mass density, and rotational viscometry for viscosity. Results revealed improved properties with increased chloride content up to 50 mol% Cl, showcasing lower melting temperatures with less than 30 mol% Cl, and degradation temperatures reaching 642 °C with 50 mol% Cl, compared to 592 °C for the base case. The addition of chloride also enhances energy density, though concerns arise regarding viscosity at low temperatures and high chloride content.The corrosion rate (CR) and mechanisms associated with chloride-containing salts in 304L stainless steel were investigated at 500 °C for up to 21 days. CR was determined using gravimetry, while the morphology, chemical composition, and microstructure of the corrosion products were characterized using XRD, FESEM-EDS, and GD-OES. Exposure to molten salt with 0 mol% Cl (solar salt) resulted in negligible corrosion. The salt with 14 mol% Cl produced a stable corrosion product with a rate 30 times higher than the chloride free salt. All quaternary salts exhibited a multilayer structure with selective chromium (Cr) removal. Salts with more than 29 mol% Cl showed similar structures with Cr and iron (Fe) removal, leading to more brittle layers and higher corrosion rates (90 to 250 times). Cl diffusion into the oxide layer was confirmed, highlighting the roles of Cl₂(g) and O₂(g) in driving corrosivity. Using salts with 29 mol% Cl at 500 °C is discouraged, while using 304L with 14 mol% Cl in a cold tank may be viable. The salt with 14 mol% Cl content exhibited homogeneous corrosion at 100 µm/year. In contrast, salts with 29 and 50 mol% Cl content displayed localized corrosion, with rates of 280 and 755 µm/year, respectively, after 21 days at 500 °C in an open atmosphere.Potentiodynamic polarization sweep studies on 304L and 316L stainless steels, as well as on Haynes 230 and Hastelloy C-22, in the presence of three selected salts, revealed that superalloys Haynes 230 and Hastelloy C-22 demonstrated remarkable insensitivity to escalating chloride content. Furthermore, Hastelloy C-22 exhibited greater resilience, attributed to its higher molybdenum (Mo) content compared to the tungsten (W) content in Haynes 230, making it a promising material for CSP Gen3.Performance evaluations of the proposed CSP salts, utilizing a tailored TRNSYS library with SAM and DELSOL3 in a MATLAB framework, revealed increased generation efficiencywhen using these proposed quaternary salts. However, considering cost factors, incorporating chlorides and new materials reduced the LCOE to values similar to less thermally stable or more expensive nitrates. While the higher risk may not justify the limited benefits of quaternary salts, this transition path aligns with the stepwise methodology devised by NREL to encourage a gradual Gen3 transition and control investment risk. Therefore, further corrosion and material compatibility studies are necessary to determine the appropriate cost of replacing components and assess its impact on the LCOE through long trial assays
  • Thumbnail Image
    Item
    Optimal Control of the Modular Multilevel Matrix Converter with Distributed Energy Storage for Grid Supply and Machine Drives
    (2024) Gajardo Rojas, José Ignacio; Pereda Torres, Javier Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La integración de sistemas de almacenamiento híbridos desempeña un papel fundamental en el aprovechamiento de energías renovables, la electrificación de procesos y el fortalecimiento de la red eléctrica. Los conversores de potencia juegan un papel crucial al posibilitar la integración de nuevas tecnologías. En este contexto, los conversores modulares multinivel en cascada están siendo objeto de estudios recientes debido a sus beneficios en la incorporación de sistemas de almacenamiento a la red. Destaca el conversor modular multinivel matricial (M3C), que esta ganando popularidad gracias a su capacidad para ofrecer las ventajas de un conversor multinivel y la conexión directa entre dos redes de corriente alterna (AC). Además, este conversor facilita la integración de un sistema de almacenamiento distribuido (DES) en sus sub-módulos, simplificando la gestión de las fuentes de energía. A pesar de sus notables beneficios, este tipo de aplicación especıfica del conversor no ha alcanzado una amplia popularidad en el ámbito académico. Esta tesis se enfoca en examinar la integración de un DES mediante un algoritmo de control fundamentado en el desequilibrio de potencia inter-clúster en el M3C. En una primera fase, se lleva a cabo un análisis de las ecuaciones delineadas en investigaciones recientes, seguido de un desarrollo matemático para deducir las ecuaciones de corriente y las expresiones de potencia instantánea. Por último, se formula un método de control optimo basado en cada sistema de ecuaciones propuesto. El sistema de control propuesto se evalúa inicialmente mediante simulaciones y posteriormente se valida en un entorno experimental. Esta validación incluye la inyección de potencia a la red eléctrica y la operación de un motor a velocidad variable, todo ello en conjunto con un desequilibrio de potencia inter-clúster.
  • Thumbnail Image
    Item
    Optimal operation sheduling of a PV-BESS-Electrolyzer system for hydrogen production and frequency regulation
    (2022) Maluenda Philippi, Martín; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    A medida que se desarrolla la industria del hidrógeno verde, el abastecimiento de energía mediante configuraciones híbridas de fuentes renovables surge como una solución para incrementar el factor de carga de los electrolizadores. La energía solar fotovoltaica (FV) acoplada a un sistema de baterías será una opción conveniente para proveer un suministro contínuo de energía en la medida que los costos de inversión continúen disminuyendo, presentándose una oportunidad para utilizar estos recursos energéticos para proveer servicios a la red sin mermar la producción de hidrógeno. Por ello, esta tesis desarrolla un modelo estocástico para determinar la operación óptima de un sistema FV-baterías-electrolizador participando en mercados de energía y servicios complementarios. Se utilizan escenarios para captar la incertidumbre de la energía solar y el contenido energético de la señal de regulación, y se incorpora un modelo de degradación de baterías para considerar el efecto sobre estas del ciclado recurrente. Experimentos computacionales usando datos de PJM muestran los beneficios del modelo propuesto, logrando 10.2% más de ganancias que con el modelo determinístico de referencia, manteniendo un alto rendimiento en el servicio de regulación y una producción de hidrógeno similar al caso de la planta standalone (desconectada de la red).
  • Thumbnail Image
    Item
    Producción de hidrógeno mediante reformado en fase acuosa de etanol utilizando carburos de molibdeno soportados en zirconia
    (2023) Pavesi Contreras, Camila Andrea; Escalona, Néstor; Blanco, Elodie; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La creciente crisis climática genera la necesidad de buscar alternativas sustentables a los combustibles fósiles. El H2 tiene un gran potencial como vector energético y puede ser producido desde fuentes renovables como el etanol, un derivado de desechos de biomasa. En esta Tesis, se estudian catalizadores de carburo de molibdeno soportados en óxido de zirconia monoclínica y tetragonal para producir H2 mediante reformado en fase acuosa de etanol. Los catalizadores se caracterizan por fisisorción de N2, DRX, TPR y XPS. Los resultados indican que mientras mayor es la carburización, más activo es el catalizador. Además, 10%Mo es el contenido metálico que alcanza la mayor selectividad a H2, lo que se atribuye a la presencia de oxicarburos en su superficie. Se alcanza el mejor desempeño en el APR a 250°C y 10%Mo2C/ZrO2 es estable durante 5 reacciones con reciclo, a pesar de una leve pérdida de selectividad a H2. Se concluyó que la fase cristalina α del molibdeno es más activa que la β debido a que alcanza una mayor dispersión de la fase activa. Sin embargo, produce menos H2, dada la menor cantidad de oxicarburos sobre su superficie. La temperatura ideal de carburización del catalizador son 650°C puesto que un aumento de 50°C perjudica el desempeño en el APR. Los resultados están en concordancia con la literatura. Finalmente, se cumplen los objetivos propuestos para este trabajo y se concluye que el mejor catalizador para la producción de H2 mediante APR de etanol es 10%Mo2C/ZrO2.