ING Tesis doctorado

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Análisis y estudio de modelos econométricos de la oferta secundaria refinada de cobre
(2022) Rivera Bonilla, Nilza; Sauma Santis, Enzo Enrique; Lagos, Gustavo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Analysis of the microstructure and electrochemical properties of Cu-NiAl used for molten carbonate fuel cell
(2024) Arcos Segura, Camila Fernanda; Sancy, Mamié; Martínez, Carola; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Global population growth has influenced further technological and scientific challenges, where the exponential increase in electricity demand stands out. In this context, it is necessary to continue researching alternatives to conventional energy generation to reduce greenhouse emissions. Fuel Cell technology is promising for lowering and storing carbon dioxide emissions in this context. It is a backup system to avoid intermittent problems with wind, solar, or other technologies. Fuel cells correspond to an electrochemical device that converts the chemical energy of a fuel directly into electrical energy. Their main components are the electrodes (anode and cathode), electronically conductive, and electrolyte. In particular, molten carbonate fuel cells use hydrogen as fuel, highlighting their excellent power. However, the high working temperature, close to 650 °C, is a disadvantage due to the reduction of the component’s lifetime. Therefore, for a long-term operation, electrode corrosion behavior must be considered. This thesis aims to study Cu-Ni-Al alloys' microstructure and electrochemical behavior for molten carbonate fuel cells. The metal samples were manufactured using powder metallurgical techniques, such as hot pressing and additive manufacturing. The porosity was analyzed using the Archimedes method. The micro-macrostructure of the samples will be studied before and after exposure to Li2CO3-K2CO3 at 550 °C using surface analysis, such as optical microscopy, field emission scanning electron microscopy, and X-ray diffraction. Moreover, gravimetric measurements before and after exposure and electrochemical impedance spectroscopy at open circuit potential were used to analyze the corrosion of the anodes in an aerated and controlled environment.
Biorremediabilidad y biotoxicidad de suelos intemperizados y altamente contaminados con petróleo crudo
(2017) Rodríguez Córdova, Leonardo Andrés; Sáez Navarrete, César; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La extracción intensiva de petróleo fue una bullante actividad en la Región de Magallanes durante la primera mitad del siglo XX. Desde la primera evidencia de hidrocarburos en 1899, el oro negro impulsó a muchos aventureros a instalarse en el sector e iniciar actividades extractivas artesanales. Esto ocurrió hasta que en la década de 1940 el Gobierno de Chile, a través de la Corporación de Fomento de la Producción (CORFO) y de la Empresa Nacional del Petróleo (ENAP), comenzó la explotación más industrializada del recurso. Sin embargo, la precaria tecnología de la época produjo diversos sitios contaminados en forma de fosas de contención de petróleo que por la falta de normativa ambiental y/o el desconocimiento de las consecuencias de este pasivo ambiental, fueron abandonados sin medidas de mitigación. No fue hasta la década del 2000 que normativamente fue desarrollándose el marco regulatorio específico que obliga el tratamiento de este tipo de problemas ambientales. En este trabajo de tesis doctoral se realizó un estudio sobre la aplicación de un sistema de biorremediación para suelos altamente contaminados con petróleo crudo e intemperizados por más de 7 décadas en la Región de Magallanes en Chile. Para ello, se aplicó biorremediación ex-situ on-site aeróbica, utilizando turba de 2 tipos (autóctona y comercial) como agente abultante. Los resultados mostraron que la biorremediación es factible para este tipo de suelos, aunque el proceso no permite llegar a concentraciones contaminantes residuales dentro de los niveles normativos referenciales establecidos. Entre otros resultados obtenidos, se demostró que la turba Magallánica contiene microorganismos potencialmente degradadores del contaminante estudiado, por lo que además de agente abultante puede ser considerada un inóculo adecuado para el proceso degradativo del petróleo crudo envejecido e intemperizado de los suelos estudiados. Adicionalmente se mostró en este trabajo que el suelo contaminado y extensamente intemperizado en estudio aun presenta características biotóxicas medidas a partir de test de germinación de semillas, a pesar del extenso envejecimiento al que ha sido sometido durante 70 años. En este sentido es claro enfatizar que este tipo de suelos debe ser tratado dada la elevada biotoxicidad que aun presenta.
Evaluation of the seismic behavior of hybrid walls with timber for buildings in Chile
(2022) Carrero Roa, Tulio Enrique; Guindos Bretones, Pablo; Santa María Oyanedel, Hernán; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Actualmente, se puede considerar que existen cuatro sistemas dominantes de madera estructural resistente a corte lateral como lo son los muros de corte con estructura de madera ligera marcoplataforma (Light Frame Timber Buildings, LFTB) y muros de paneles de corte de madera laminada encolada (Glued Laminated Timber. GLULAM) contralaminada (Cross Laminated Timber, CLT) y muros de madera microlaminada (Laminated venner lumber, LVL). Con el tiempo, se ha demostrado una mejora en el comportamiento sísmico de las estructuras tradicionales de madera con ensayos experimentales, pero la construcción de edificios de mediana y gran altura en países con alta sismicidad presenta importantes inconvenientes con este tipo de muros de corte. En el caso de las estructuras LFTB, son adecuadas para edificios de mediana altura, pero generalmente no tienen suficiente capacidad de carga lateral. Por otro lado, la principal dificultad en las estructuras de CLT es la rotación del cuerpo rígido del muro y la falta de ductilidad. Esta rotación rígida aumenta notablemente los desplazamientos laterales de entrepisos, lo que limita drásticamente la posibilidad de cumplir con los desplazamientos máximos de entrepisos establecidos en el Código Chileno en NCh 433. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido estudiar la capacidad de carga lateral y el efecto de la conexión entre los componentes de los muros híbridos de corte, ya que se asume que es necesario estructuras híbridas y nuevas tipologías de muros para que los edificios de madera de gran altura mejoren el rendimiento estructural en países altamente sísmicos. Además, los sistemas propuestos han sido diseñados para ser un sistema estructural competitivo en el contexto de la construcción industrializada. Por lo tanto, se asume que los conjuntos propuestos son una solución viable para las empresas de madera prefabricada. La investigación incluye la caracterización experimental de los sistemas propuestos a través de ensayos cíclicos y monotónicos mediante el estándar Europeo EN12512 (protocolo de carga para ensayos). Además, se han realizado estudios numéricos para evaluar las implicaciones de las soluciones propuestas, que incluyeron análisis no lineales. Los resultados de este trabajo permitieron proponer dos muros de cortante mucho más fuertes, rígidos y dúctiles en comparación con los muros de cortante de madera tradicionales, esos sistemas consistieron en: (a) Un entramado de perfiles de acero con paneles de revestimiento CLT, y (b) un marco de madera laminada más paneles de OSB como revestimiento interno.
Functional oxide-based electronics for logic, memory, and RF applications
(2021) Gómez Mir, Jorge Tomás; Abusleme Hoffman, Ángel Christian; Datta, Suman; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Moore’s law, which aims to double the number of transistors in the same area every 18 months, has been in full swing over the last 60 years. Almost every highperformance chip company considered moving to the next available technology node as a primary way to maximize value, however, with Moore’s law slowing down, it is necessary to seek different strategies more closely aligned with the needs of each application. Without the expected device performance boost every 18 months, industries have started to look closely at each step in the production chain providing many opportunities to improve performance aside from of simply reducing the scale of transistors. This work explores and optimizes oxide-based emerging devices for logic, memory, neuromorphic computing and high frequency applications. We performed electrical characterization of several devices and developed high-fidelity, compact circuit-level models. These models bridge the different levels of the supply chain allowing us to exploit the performance of these novel devices for specific applications. For instance, for logic applications we modeled, built, and tested doped-Hafnium Dioxide based ferroelectric field effect transistors (FeFET). We then utilized these experimentally calibrated compact models to explore the phenomenon of Negative Capacitance (NC). This phenomenon can be harnessed to provide a boost in logic transistor performance. We also proposed and experimentally demonstrated the utilization of an amorphous semiconductor oxide channel transistor using a Tungstendoped Indium Oxide transistor. This transistor provides ultra-low leakage and is back-end-of-line (BEOL) compatible. Using these devices, we modeled, built, and tested a BEOL compatible embedded DRAM (eDRAM) with ultra-long refresh time.
Impact of BIM/LEAN on the interaction of construction project design teams
(2020) Herrera Valencia, Rodrigo Fernando; Alarcón Cárdenas, Luis Fernando; Mourgues Álvarez, Claudio Enrique; Pellicer, Eugenio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los equipos de diseño de los proyectos de construcción están compuestos por diferentes interesados; esto podría dificultar las interacciones. Las metodologías BIM y Lean tienen un impacto positivo en los proyectos de construcción. Además, hay pruebas de la aplicación conjunta de BIM y Lean; sin embargo, se desconoce la relación empírica entre las prácticas Lean y los usos de BIM en la fase de diseño. Tampoco existe una comprensión más profunda de los fenómenos sociales que se generan entre los equipos de diseño cuando se aplican las metodologías de gestión BIM-Lean. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación es entender el impacto de las prácticas de gestión de diseño Lean (LDM) y los usos BIM en la interacción de los equipos de diseño de los proyectos de construcción. El método de investigación tiene dos fases: 1) la creación de herramientas para evaluar el nivel de aplicación de las prácticas LDM y los usos BIM, y para comprender las interacciones en un equipo de diseño; y 2) el análisis de las relaciones entre BIM, Lean y la interacción, basado en información empírica de proyectos de construcción en fase de diseño. Los resultados presentan un instrumento de evaluación de usos del BIM y un cuestionario de prácticas de LDM para medir la gestión del diseño, y un método para comprender los diferentes tipos de interacción en un equipo de diseño. Basados en los datos de 64 proyectos, un análisis chi cuadrado reveló 33 relaciones empíricas entre los usos del BIM y las prácticas LDM; además, la aplicación de los usos del BIM implica una mayor aplicación de las prácticas LDM. El proyecto que aplica la gestión BIM-Lean logra numerosas interacciones en su equipo de diseño; flujos de información transparentes, ordenados y estandarizados; un entorno de colaboración, confianza y aprendizaje; y una gestión del compromiso. Todos estos elementos de interacción no son visibles en el proyecto, en el que no se aplicó la gestión BIM-lean.
Spatial off-resonance correction in spiral BSSFP-MRF
(2022) Coronado, Ronal Manuel; Irarrázaval Mena, Pablo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En MR Fingerprinting (MRF), balanced Steady State Free Precession (bSSFP) tiene ventajas sobre unbalanced SSFP porque conserva la historia del spin alcanzando una mayor relación señal-ruido (SNR) y eficiencia de escaneo. Sin embargo, bSSFP-MRF no se usa con frecuencia porque es mas sensible al off-resonance que SSFP-MRF, produciendo artefactos y borrosidad los cuales afectan la calidad de los mapas paramétricos. Aquí proponemos un nuevo enfoque de corrección espacial de off-resonance (SOC) para reducir artefactos en bSSFP-MRF con trayectorias espirales. SOC-MRF utiliza la función de dispersión de cada pıxel para crear una matriz del sistema que codifica tanto efectos de gridding como de off-resonance. Luego, se calcula iterativamente la inversa de esta matriz para reducir los artefactos. Evaluamos el método propuesto en simulaciones de cerebro, adquisiciones de un fantoma T1/T2 estándar y 5 voluntarios sanos in-vivo de MRF. Los resultados muestran que las distorsiones de off-resonance en los mapas T1/T2 se redujeron considerablemente utilizando SOC-MRF. Para T2, el error cuadrático medio normalizado (NRMSE) se redujo de 17.3 a 8.3% (simulaciones) y de 35.1 a 14.9% (fantoma). Para T1, el NRMSE se redujo del 14.7 al 7.7% (simulaciones) y del 17.7 al 6.7% (fantoma). Para in-vivo, la media y la desviación estándar en diferentes regiones de interés tomadas en materia blanca y gris mejoraron significativamente. Por ejemplo, SOC-MRF estimo un T2 promedio para la materia blanca de 77 ms (el ground-truth fue 74 ms) versus 50 ms de MRF. Para el mismo ejemplo, la desviación estándar se redujo de 18 ms a 6 ms. Las correcciones logradas con SOC-MRF puede expandir las aplicaciones potenciales de bSSFP-MRF, aprovechando que tiene mejor SNR.
The role of a microbial biofilm on corrosion and copper and release in plumbing systems
(2021) Galarce Gutiérrez, Carlos Alejandro; Pizarro Puccio, Gonzalo E.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los sistemas de distribución de agua potable son considerados como ambientes extremos dadas las condiciones oligotróficas que existen en las tuberías. Al mismo tiempo, estos sistemas están diseñados para mantener una baja cantidad de microorganismos, pues el agua en su interior mantiene residuos de desinfectante, lo que reduce la carga microbiana, a la vez que se emplea un material biocida como el cobre para la construcción de estos sistemas. A pesar de ello, los microorganismos pueden sobrevivir en este ambiente, debido principalmente al desarrollo de biopelículas. Las biopelículas son uno de los modos de vida más ampliamente distribuidos en la Tierra, en el que una alta densidad celular está compuesta por muchas especies, y las células están frecuentemente incrustadas en una matriz autoproducida de sustancias poliméricas extracelulares (EPS). El EPS es uno de los componentes esenciales de las biopelículas porque ayuda a crear una barrera reactiva que controla los procesos difusivos y las reacciones químicas con el medio ambiente. La seguridad del agua potable puede ser afectada debido al asentamiento de microorganismos en la superficie interna de la tubería de cobre. Los procesos que modifican los microorganismos son diversos, como por ejemplo: i) el proceso de biocorrosión o fenómeno conocido como corrosión influenciada por microorganismos, el cual incrementa la liberación de partículas de cobre al agua en niveles perjudiciales para la salud de la población; ii) favorecer el crecimiento de otros microorganismos, ya que puede actuar como reservorio de nutrientes para ellos y ; iii) actuar como depósito de metales en su superficie debido a las capacidades de sorción en la superficie de la biopelícula. A pesar del grave impacto en la salud pública que estas situaciones pueden generar, este tema no ha sido investigado adecuadamente. Por lo anterior, en esta tesis se propone estudiar las características y cambios que genera la biopelícula sobre la liberación de cobre y su influencia en la calidad del agua potable. Para ello se trabajará en experimentos de campo y de laboratorio para: a) establecer el impacto de la comunidad formadora de biopelícula en la liberación de cobre al medio y en otros parámetros de calidad de agua; b) entregar nueva evidencia de cómo el desarrollo de una biopelícula modifica la biocorrosión; y c) saber cuánto potencial posee aislados bacterianos nativos como reservorio de metales potencialmente nocivos. La estrategia empleada para establecer el rol de la biopelícula en la corrosión y liberación de cobre en los sistemas de tuberías de cobre incluyó estudios de campo y en el laboratorio. El análisis de las tuberías de cobre recogidas en el estudio de campo no mostró una relación constante entre: el tiempo de exposición, la velocidad de corrosión y la cantidad de cobre liberado en el agua. Además, los resultados revelaron que la biocorrosión es un proceso biológico dinámico, el cual no puede caracterizarse por un único tiempo de envejecimiento o por la extrapolación de experimentos a corto plazo, especialmente en estudios sobre un sistema de tuberías real. Por otro lado, los estudios realizados en condiciones de laboratorio enfatizan la necesidad de establecer el contexto ambiental donde las bacterias están involucradas. Nuestros resultados indican que, la bacteria asilada, identificada como Variovorax sp, mostró una pérdida de capacidad de formación de biofilm al interactuar con el segundo aislado bacteriano, identificado como Ralstonia pickettii. Del mismo modo, la caracterización de los grupos funcionales del EPS implicados en la acumulación de cobre de los aislados bacterianos, expuso cómo las modificaciones de los grupos aminos (por metilación) en la superficie de los aislados bacterianos, aumentaban hasta un 30% la sorción de cobre, en comparación con el mismo aislado bacteriano sin modificación. Estos resultados apoyan de nuevo la necesidad de entender el contexto ambiental para predecir cómo pueda actuar cada microorganismo. Por último, esta tesis aporta pruebas que apoyan el potencial peligro de contaminación microbiana del agua potable debido a: i) desprendimiento de biopelículas y ii) la acumulación de metales y su posterior liberación debido a la capacidad de sorción microbiana. Este conocimiento será la base para generar un protocolo de monitoreo y acción sobre las biopelículas, con el fin de reducir el deterioro de la calidad de agua por contaminación con cobre y microorganismos, con el fin de evitar los efectos negativos en la salud pública.
Towards flexible photovoltaic power, using energy storage and power forecasts : a thecno-economic assessment
(2021) Castillejo Cuberos, Armando; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El presente trabajo refiere al diseño y operación de centrales fotovoltaicas acopladas con sistemas de almacenamiento de energía en baterías, usando pronósticos de generación fotovoltaica e información del Mercado eléctrico para formular el despacho de la planta y proveer un nivel de cumplimiento técnico, analizando el efecto de la estructura de costos en la factibilidad económica de estos proyectos. El objetivo principal de este trabajo es desarrollar una metodología para el dimensionamiento apropiado de plantas fotovoltaicas acopladas a sistemas de almacenamiento de energía en baterías, considerando pronósticos de generación e información del mercado eléctrico. Para este efecto, cuatro objetivos específicos se definieron, relacionados con: un análisis detallado de las características del recurso solar, determinando el efecto de su variabilidad en los pronósticos de generación fotovoltaica; el desarrollo de un sistema de pronóstico de generación fotovoltaica y su aplicación para su despacho eléctrico considerando acople con un sistema de baterías, y la evaluación de su desempeño técnico y económico bajo distintos escenarios económicos. Esta tesis se compone de 6 capítulos, de los cuales 3 corresponden a artículos científicos en revistas indexadas. Metodológicamente, este estudio se divide en cuatro etapas. La primera (en los capítulos 2 y 3) se enfoca en las técnicas para la evaluación del recurso solar y su aplicación para la definición y análisis de sus características dinámicas en distintos contextos espaciotemporales, lo cual sirve como dato de entrada para la simulación de plantas y la formulación de los pronósticos (capítulo 4). La segunda etapa se enfoca en las técnicas de pronóstico de radiación solar y su estado del arte, con el propósito de desarrollar metodologías efectivas tanto para el pronóstico como la evaluación de su desempeño, caracterizándolo bajo distintas circunstancias y tomando en cuenta consideraciones operacionales relacionadas con la utilidad de los pronósticos como herramienta para la toma de decisiones. La tercera etapa refiere al modelado de la planta fotovoltaica y el sistema de baterías, la integración con el pronóstico meteorológico y el desarrollo del algoritmo de despacho, considerando tanto el pronóstico de generación como información del mercado eléctrico, restricciones operacionales y la compleja dinámica de las baterías en cuanto a los fenómenos eléctricos y térmicos y su relación con la degradación de las mismas. La etapa final (capítulo 5) se enfoca en la evaluación técnica de estas plantas, para determinar su cumplimiento con la planificación de despacho, pero también evaluando su costo nivelado de energía (LCOE). Esta evaluación se realiza considerando los precios actuales y proyectados para los componentes de la panta y, evalúa medidas adicionales para la reducción de los costos totales a lo largo del ciclo de vida de la planta, modificando ciertos parámetros de diseño. Los resultados de este trabajo demuestran que es necesario considerar las características dinámicas del recurso solar en su evaluación, ya que locaciones con niveles de energía similares pueden exhibir patrones dinámicos muy disímiles a través de distintas escalas temporales. Similarmente, las características del recurso solar tienen un efecto definitivo en el desempeño de los métodos de pronóstico y es necesario evaluarlos no solamente en los comúnmente reportados indicadores anuales o estacionales, sino para condiciones meteorológicas específicas, ya que los resultados pueden ser muy disímiles entre estos. La anticipación del pronóstico es una consideración operacional importante para la toma de decisiones, que tiene un efecto pronunciado en el desempeño de un método de pronóstico y por tanto es un parámetro clave a considerar en su evaluación. Para alcanzar un despacho confiable de plantas fotovoltaicas tanto en cantidad de energía como su tasa de cambio, es necesaria una combinación de sobredimensionamiento del campo solar y la adición de almacenamiento de energía (respectivamente). El sistema de baterías es el principal contribuyente (~60%) al costo total durante el ciclo de vida, con su degradación siendo un parámetro definitorio para la evaluación económica y por tanto requiere una evaluación cuidadosa, ya que depende mayormente del patrón de uso de las mismas. Así mismo, la selección del umbral de reemplazo de baterías tiene una influencia significativa en el costo durante el ciclo de vida, su valor apropiado es específico para el tamaño de planta y su selección cuidadosa tiene el potencial de disminuir el LCOE entre 10-20%. Finalmente, es posible lograr plantas con mayor a 90% de cumplimiento en planificación de despacho una vez que reducciones de costo substanciales en los componentes de la planta ocurran y técnicas apropiadas de dimensionamiento sean utilizadas, permitiendo alcanzar LCOEs menores a 70$/MWh para plantas con hasta 4 horas de almacenamiento de energía.

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