ING Tesis doctorado

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https://repositorio.uc.cl/handle/11534/3278

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Browsing ING Tesis doctorado by Subject "07 Energía asequible y no contaminante"

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    A methodology to optimize the techno-economic design of solar power plants with storage systems
    (2020) Zurita Villamizar, Adriana; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Este trabajo de investigación se centra en la optimización tecno-económica de plantas de energía solar y sistemas de almacenamiento bajo las condiciones meteorológicas y de mercado eléctrico de Chile. La investigación se presenta a lo largo de tres artículos de revistas científicas. El objetivo general es desarrollar una metodología que permita determinar el conjunto de configuraciones óptimas de plantas de generación solar y de sistemas de almacenamiento para una ubicación y una estrategia de despacho dadas en Chile. Los objetivos específicos planteados incluyen: desarrollar el modelo físico de una planta solar híbrida con almacenamiento, que presente una planta de receptor central de Concentración Solar de Potencia (CSP), una planta fotovoltaica (PV), un sistema de almacenamiento térmico (TES) y baterías (BESS) para obtener su producción anual; desarrollar un modelo tecno-económico para evaluar la factibilidad de las plantas en términos de Costo Nivelado de Electricidad (LCOE) y factor de planta; realizar una optimización multiobjetivo considerando minimizar el LCOE y maximizar el factor de suficiencia como funciones objetivos para diferentes estrategias de despacho y ubicaciones; y determinar los rangos de competitividad y viabilidad de la planta híbrida frente a otras combinaciones tecnológicas de tecnologías solares y sistemas de almacenamiento. La metodología de esta investigación comprende tres fases principales: modelación y simulación, análisis tecno-económico, y optimización multi-objetivo. La tesis está organizada en cinco capítulos. El Capítulo 1 presenta la introducción. Los Capítulos 2, 3 y 4 corresponden al primer, segundo y tercer paper de esta tesis respondiendo a los objetivos específicos. Finalmente, el Capítulo 5 presenta las conclusiones de esta investigación. De la etapa de modelación y simulación, se encontró que la resolución temporal tiene un impacto significativo en la simulación y estimación de producción de energía de la planta híbrida. Los resultados de esta tesis indican que utilizar una resolución temporal horaria en la simulación puede llevar a una sobreestimación de la producción anual de la planta híbrida CSP-PV-TES-BESS (y por tanto, a una subestimación del LCOE) entre un 2-6% con respecto a los resultados obtenidos con una resolución temporal de 1 minuto. El análisis también demostró que la operación de los sistemas térmicos como el receptor central de la planta CSP fueron los más afectados por la resolución temporal. De tal manera, una sobreestimación de la producción anual de la planta de CSP entre 14-15% se obtuvo al utilizar un paso de tiempo de 1h. Estos resultados enfatizan la importancia de elegir una resolución de tiempo apropiada al modelar plantas de energía solar con almacenamiento. Por otro lado, los resultados de la evaluación tecno-económica de la planta híbrida CSP-PV-TES-BESS para proporcionar generación base en Chile confirman que ambas tecnologías y ambos tipos de almacenamiento pueden operar de forma sinérgica para proporcionar factores de suficiencia superiores al 80%, sin embargo, la rentabilidad de las baterías depende en gran medida de los objetivos de optimización evaluados. Cuando el único objetivo es minimizar el LCOE, las configuraciones de diseño no incluyen baterías en la planta híbrida debido a que el alto costo de inversión de las baterías supera su beneficio técnico de incrementar el factor de suficiencia de la planta. Sobre este punto, se determinó que diseñar plantas de energía solar con almacenamiento para alcanzar el mínimo LCOE puede no ser el enfoque más adecuado cuando se quiere garantizar un cierto nivel de suministro. Por ejemplo, los resultados de esta tesis de investigación muestran que la combinación PV-BESS siempre ofrece los LCOE más bajos para todas las estrategias de despacho, pero estas soluciones con costo mínimo también proporcionan los factores de suficiencia más bajos entre 30 y 70%, dependiendo de la estrategia de despacho. Los resultados de esta tesis tienen como objetivo demostrar que, para cada ubicación y estrategia de despacho, se puede utilizar una optimización tecno-económica para obtener las soluciones de diseño óptimas que satisfagan funciones objetivo-conflictivas, como minimizar el LCOE y maximizar el factor de suficiencia. De la etapa de optimización multi-objetivo, este estudio revela que las soluciones más costo-efectivas para proporcionar energía en Chile incluyen la combinación PV-BESS cuando se requieren pocas horas de almacenamiento (4-5h), y centrales híbridas CSP-PV integradas con TES (y opcionalmente BESS) cuando se requieren largas horas de almacenamiento (>12h). Esto primero demuestra el valor que la energía solar puede tener en Chile para incrementar la diversidad de recursos en su futura matriz energética, y, en segundo lugar, destaca el valor de la hibridación como solución para complementar tecnologías, brindando flexibilidad al despacho y logrando costos de electricidad más competitivos.
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    A new type of tuned liquid damper and its effectiveness in enhancing seismic performance : numerical characterization, experimental validation, parametric analysis and life-cycle based design.
    (2015) Ruiz, Rafael O.; Taflanidis, Alexandros; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    In the last decades the use of seismic protection devices in Chilean buildings has gained popularity for reducing earthquake losses. Mass dampers (also referenced as inertia dampers), with the most popular representative being the Tuned Mass Damper (TMD), are a potential device for facilitating these tasks; they consist of a secondary mass attached to the primary structure through an equivalent spring and dashpot. Through proper tuning of frequency/damping characteristics, the movement of this secondary mass counteracts the vibration of the primary mass (structure) providing the desired energy dissipation for this vibration. Among the general class of mass damper devices, Tuned Liquid Dampers (TLDs), which consist of a tank filled with some liquid (typically water) whose sloshing within the tank provides the mass damper effect, have some attractive characteristics such as low cost, easy installation and tuning, bidirectional control capabilities and alternative use of the secondary mass (liquid in this case). Their popularity, though, has been hindered by the facts that (i) their dynamic behavior is highly non-linear due to wave breaking and (ii) their inherent damping is usual lower than the optimal one, requiring the introduction of submerged elements (to increase this damping) that make the overall behavior even more complex. Other type of liquid dampers that share some of the TLD advantages, the liquid column dampers, offer a simpler modeling but their dynamic behavior is still non-linear since their damping ends up being amplitude dependent, whereas they are strictly restricted to one-directional applications. Additionally, the advantages of any such type of mass dampers particularly for seismic applications in the Chilean region have not been clearly demonstrated; this pertains to both their efficiency, acting as an inertia device, to allow significant energy dissipation for the ground motions common in the region but more importantly to an explicit discussion of the life-cycle cost improvement they can facilitate. The research presented here introduces a new type of liquid mass damper, called Tuned Liquid Damper with Floating Roof (TLD-FR) which combines the favorable characteristics of both TLDs and liquid column dampers, and further examines its efficiency for seismic applications for Chile. The TLD-FR consists of a traditional TLD (liquid tank filled with liquid) with the addition of a floating roof. The sloshing of the liquid within the tank is what still provides the inertia damper effect, but the roof prevents wave breaking phenomena and introduces a practically linear response and a dynamic behavior in a dominant only mode. This creates a vibratory behavior that resembles other types of a linear mass dampers and a framework is developed to characterize this behavior with a simple parametric description that can facilitate an easy comparison to such dampers. Within this framework, focus is given on a theoretical/computational characterization of the new device, coupled with an experimental validation of its capabilities and of the established numerical tools. To support these advances an efficient computational approach is formulated to describe the dynamic behavior of liquid tanks and is then extended to describe the behavior of the TLD-FR (address the inclusion of the roof). The aforementioned parametric formulation is then used to develop an approach that facilitates a direct design in the parametric space, as well as an efficient mapping back to the different tank geometries that correspond to each parametric configuration. During this process the efficiency of mass dampers for seismic applications in Chile is also examined by comparing the performance across different types of ground motions, representing different regions around the world. Finally, a versatile life-cycle assessment and design of the new device is established considering risk characterizations appropriate for the Chilean region, so that the cost-benefits from its adoption can be directly investigated. This involves the development of a multi-criteria design approach that considers the performance over the two desired goals: (i) reduction of the total life-cycle cost considering the upfront damper cost as well as seismic losses and (ii) reduction of the consequences, expressed through the repair cost, for low likelihood but high impact events. Through this approach the financial viability of the TLD-FR (competitiveness against TMDs) for enhancing seismic performance is demonstrated.
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    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, Álvaro 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
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    Advanced Power Control System For Enhancing Second-Life Battery Energy Storage Systems Integration and Reliability
    (2025) Poblete Durruty, Pablo Martín; Pereda Torres, Javier Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Las redes eléctricas se están transformando rápidamente debido a la creciente integración de fuentes de energía renovable variables (ERV), generación distribuida y a nuevos consumos asociados a estaciones de carga de vehículos eléctricos (VE). Estos cambios plantean varios retos técnicos relacionados con la estabilidad e integridad de la red, aumentando la complejidad operativa de las redes eléctricas del futuro. Una de las soluciones más prometedoras para mitigar algunos de los problemas asociados a las ERV es el uso de sistemas de almacenamiento de energía con baterías (BESS por sus siglas en inglés). Los BESS pueden absorber potencia activa cuando existe un excedente de generación renovable y suministrar esta potencia cuando resulte más conveniente. Además, pueden funcionar como respaldo energético y proporcionar servicios complementarios a la red, incrementando la flexibilidad del sistema eléctrico. Sin embargo, los elevados costes de inversión de las baterías de ion-Litio implican una barrera económica relevante para la adopción generalizada de esta tecnología. Con el objetivo de ofrecer una nueva alternativa de almacenamiento que acelere la transición hacia las ERV, esta tesis presenta una nueva estrategia de control y modulación para convertidores en cascada de H-Bridge (CHB) destinada a la integración efectiva de sistemas de almacenamiento de energía con baterías de segunda vida (SL-BESS por sus siglas en inglés) a la red eléctrica. Estos sistemas emplean baterías que han alcanzado el final de su primera vida operacional pero que aún conservan suficiente capacidad para un uso secundario en aplicaciones de menor exigencia. En particular, este trabajo presta especial atención a técnicas de modulación óptima y a estrategias de control óptimo de corriente y estado de carga para el convertidor CHB, en el cual con los bancos de baterías son conectados directamente a cada submódulo H-Bridge. Se presentan resultados de simulación y experimentales para evaluar el desempeño de las estrategias de modulación y control propuestas en un prototipo de SL-BESS basado en un convertidor CHB conectado a red. Este montaje experimental consta de un convertidor CHBde 9 sub-módulos y bancos de baterías de ion-Litio de segunda vida ensamblados con celdas retiradas de bicicletas eléctricas, sirviendo como prueba de concepto de la eficacia del convertidor CHB en aplicaciones de SL-BESS.
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    Algoritmo de gestión dinámica de la demanda para grandes clientes conectados a la red de distribución
    (2014) Martínez Aranza, Víctor Julio; Rudnick Van de Wyngard, Henry; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La rápida evolución de los programas de respuesta de demanda y mecanismos de gestión activa, ha logrado un aumento significativo de su participación en los mercados más evolucionados del sector eléctrico, lográndose en algunos casos su participación en forma activa y dinámica. Junto a esto, los avances en las redes de comunicaciones bajo el paradigma de SmartGrid han llevado a que tanto los dispositivos más intensivos en consumo a nivel residencial, como a nivel comercial e industrial sean también gestionables. El desafío que surge de todo esto, es que en el mediano y largo plazo la gestión de dispositivos será tan grande y compleja que los operadores del mercado no podrán hacerse cargo de dicha gestión de forma eficiente. Luego, se hace necesario diseñar estrategias que permitan un desacoplamiento de las funciones de gestión dinámica de la demanda y permita al mismo tiempo mantener los criterios de optimalidad que ejecuta en operador del sistema. Más aun, se hace necesario incorporar estos esquemas en mercados en donde la demanda aún mantiene un rol pasivo, incorporando desde el principio los mecanismos necesarios para su óptima participación en el mercado.Esta investigación desarrolla una herramienta novedosa en el proceso de reinvención del mercado eléctrico (Market 3.0) en donde se busca una mayor integración de la demanda en el mercado a partir del uso de redes inteligentes. En específico, se ha desarrollado un algoritmo dinámico de gestión de la demanda de electricidad, con aplicación inicial a grandes clientes conectados a la red de distribución. Esta gestión se logra seleccionando una combinación óptima de estrategias factibles, que permita la disminución de la demanda en punta y el aplanamiento de la curva de carga del sistema, cumpliendo las políticas de seguridad y suficiencia aplicadas a dicha red. El objetivo es transformar a la demanda en un agente activo a través del diseño de un mercado secundario que sirva para dichos propósitos, en donde las decisiones de la participación de los agentes se realizan de acuerdo a la valorización de sus preferencias. Las generalidades y mínimos requerimientos han sido diseñados de manera que sea aplicable tanto en mercados de naturaleza marginalista como aquellos en base a ofertas. El algoritmo presenta un doble propósito, por una parte, mantiene el criterio de maximización de utilidad de la empresa distribuidora y optimiza la distribución de los bloques de energía y potencia adquiridos. Por otra parte, minimiza el consumo en punta y con ello el cargo por potencia que paga el distribuidor, logrando reducir los requerimientos de inversión y operación del sistema en horas de demanda máxima. El algoritmo opera horas antes del despacho real y toma en cuenta a un set de grandes clientes que forma parte de este "sub-mercado", en donde la demanda, puede ofrecer productos de energía y potencia; los distribuidores por su parte, pueden ejecutar contratos firmados de gestión con clientes; y la demanda puede aceptar ofertas de parte del distribuidor en función de su grado de elasticidad.Con esta información y junto con la demanda esperada de ese día, se obtiene un nuevo despacho que cumple con los propósitos descritos anteriormente. Junto al desarrollo del algoritmo, se establecen las condiciones necesarias para que el mecanismo pueda ser implementado; esto es, el desarrollo de un mercado secundario de servicios y productos eléctricos en donde la demanda, las distribuidoras y el ente operador son partícipes. De esta manera el modelo logra cumplir su función en forma eficiente, sujeto a un marco regulatorio que permita y viabilice la puesta en operación de acciones de gestión sobre la demanda arrojadas por el algoritmo. Finalmente, se plantean mecanismos para que la participación de los agentes del lado de la demanda perdure a través del tiempo, esto es, el diseño de portafolios de contratos de largo plazo que incluyan servicios en el mercado de corto plazo en donde el suministrador de estos servicios complementarios a partir de recursos del lado de la demanda. Esta investigación es un aporte al pensamiento creativo en el proceso de reinvención del mercado eléctrico en donde se sitúa a la demanda en el eje central no solo como consumidor sino como parte de una nueva visión de mercado en donde su participación activa y dinámica puede llevar a un mejor desempeño técnico-económico desde tanto para la operación como la planificación de la expansión del mismo.La aplicación de un mecanismo de gestión integrada como el propuesto, permitiría una adecuada participación de la demanda, reconociendo las bondades de su participación activa y dinámica en mercados emergentes. Esta metodología además permite evaluar indicadores de competencia y preferencia de los agentes, a través de un análisis de escenarios y toma de decisiones descentralizadas. En efecto, en un contexto bajo el paradigma de SmartGrid, es el cliente quien mediante este mecanismo toma la decisión de participar o no en el mercado. Los resultados obtenidos muestran que es posible desarrollar una matriz de esquemas de ofertas para la demanda a partir de los perfiles de consumo y las preferencias que estos pueden tener de participar de un esquema de gestión de demanda en particular. Se propone la creación de un nuevo producto en el mercado eléctrico asociado a la suficiencia del sistema, construida en función del nivel de riesgo que esté dispuesto a asumir la demanda para ser abastecida. En este sentido, el mecanismo se transforma en un instrumento de cobertura de riesgo que podría ser transado en el mercado secundario de servicios complementarios ofrecidos por la demanda. Otra novedosa idea resultado de esta investigación es el traspaso de las funciones de gestión y respuesta de la demanda (mercados auxiliares, productos y servicios) al comercializador/distribuidor u operadores de un área particular según sea el tamaño del mercado y la cantidad de clientes activos que hacen parte del sistema. Esta acción permitiría descentralizar y alivianar las actuales y futuras funciones del operador del sistema pero manteniendo los criterios establecidos por el operador central. Esta separación puede ser clave en la medida que los dispositivos inteligentes sean masivos.Los resultados también muestran que determinar cuáles son las características de cada potencial agente participante de un programa de DR, el poder inferir cual es el nivel de esfuerzo y la capacidad de reducir los costos, permitiría asignar de forma más eficiente las inversiones futuras en generación o el establecimiento de contratos de energía base por parte de un comercializador, realizando un perfecto acople entre el corto, mediano y largo plazo. Los desarrollos futuros sobre los cuales se considera relevante profundizar son: el desarrollo de portafolios eficientes de contratación, masificación de programas de gestión, desarrollo de aplicaciones móviles de seguimiento de la demanda, caracterizar en forma adecuada a la demanda a través de encuestas que permitan mejorar para determinar estrategias y preferencias de los agentes que participan en el proceso de planificación. Finalmente, implementar la metodología propuesta en un mercado específico.
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    Captura de CO2 en cenizas de combustión de biomasa.
    (2017) Lira Zúñiga, Sebastián Andrés; Sáez Navarrete, César; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La captura y secuestro de carbono CSC se ha convertido en una alternativa para enfrentar el calentamiento global del planeta causado por la dependencia mundial de combustibles fósiles. Dentro de los fundamentos aplicables a la separación de CO2, la adsorción requerirá de la búsqueda de materiales adecuados y de bajo costo, no sólo para la fijación de CO2 en formas más estables para su confinamiento, sino también para su concentración en fase gas que factibilice aplicaciones de CSC con diversos principios de operación. En este trabajo se estudiaron tres tipos de cenizas, dos de combustión de biomasa agrícola (fly ash y bottom ash) y un tipo de cenizas de biomasa de turba (peat ash). Para las cenizas de biomasa agrícola se estudió la capacidad de adsorción de CO2 a distintas temperaturas en forma de polvos y pelletizados, permitiendo de esta forma identificar el mecanismo de adsorción. La identificación del mecanismo de adsorción para peat ash, se realizó estudiando la capacidad de adsorción a distintas presiones y temperatura ambiente. Basado en Ideal Adsorbed Solution Theory, se determinó la selectividad de CO2 sobre N2 en los tres tipos de cenizas ensayadas, manteniendo la humedad ambiental de tal forma de estudiar su efecto en la adsorción competitiva. A una temperatura de 25°C, bottom ash y su pellet lograron una capacidad de adsorción de CO2 de 0,06 mmol/g y 0,07 mmol/g respectivamente. Peat ash alcanzó una capacidad de adsorción de 0,15 mmol/g demostrándose que en conjunto con sus características físico químicas pueden ser una alternativa eficiente y de bajo costo en la captura de CO2. Fly ash y su pellet mostró una capacidad significativamente menor. Las capacidades de adsorción a 25°C de las bottom ash y peat ash, son valores cercanos a las capacidades de adsorción de CO2 de carbón en bruto que es de 0,09 mmol de CO2/g y a sílica mesoporosa (MCM-41) cuya capacidad es de 0,04 mmol de CO2/g. Se identificó un mecanismo de adsorción física de CO2 predominante en bottom ash, mientras que fly ash predominó un mecanismo de adsorción química. En una mezcla de gases tipo de combustión de combustibles fósiles (85% N2 y 15% CO2) bottom ash presentó una selectividad de CO2 de 0,06, sin embargo, esta decayó al aumentar la fracción molar de N2. Peat ash y fly ash presentaron valores menores de selectividad 0,025 y 0,016; respectivamente. No obstante, la selectividad de peat ash no sería afectada significativamente al aumentar la fracción molar de N2.
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    Converting organic waste into energy by coupling hydrothermal liquefaction and anaerobic digestion
    (2025) Cabrera Abarca, Daniela Viviana; Labatut, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Los crecientes desafíos de la gestión de residuos y la sostenibilidad energética exigen soluciones innovadoras. Esta tesis explora la integración de la licuefacción hidrotermal (HTL) y la digestión anaeróbica (AD) para convertir residuos orgánicos con alto contenido de humedad, como los residuos de trampas de grasa (GTW) y el digestato anaeróbico, en productos energéticos valiosos. El sistema HTL opera a temperaturas moderadas y altas presiones, generando biocrudo, un producto acuoso rico en nutrientes (AP), hidrocarbón y gas. El AP, que suele ser un desafío su tratamiento, se reutiliza en este estudio para mejorar la recuperación de biocrudo y la producción de metano a través de la AD. Se realizaron cuatro fases de investigación: Primero, se evaluó la influencia de las condiciones operativas del HTL para optimizar el rendimiento del biocrudo y las características del AP. Segundo, se desarrollaron rutas de reacción para el HTL de GTW y digestato, arrojando luz sobre sus mecanismos de transformación. Tercero, se analizó la recirculación del AP en el sistema HTL, demostrando su papel en el aumento del rendimiento del biocrudo y evaluando las limitaciones en su reutilización. Por último, se investigó la integración de HTL con digestión anaeróbica de alta tasa (HRAD), demostrando su efectividad para maximizar la recuperación de energía y mitigar impactos ambientales en el tratamiento de residuos. Los resultados indican que la integración HTL-AD mejora la eficiencia de recuperación energética y la calidad de los productos en comparación con procesos independientes. Sin embargo, se identificaron desafíos como la toxicidad del AP y la estabilidad del reactor bajo altas cargas de AP, subrayando la necesidad de enfoques personalizados según el tipo de residuo y las condiciones operativas. Este trabajo contribuye al campo emergente de las tecnologías de conversión de residuos en energía, proporcionando un marco para la escalabilidad equilibrando viabilidad ambiental y económica.
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    Design of power converters with embedded energy storage for hybrid DC-AC application
    (2023) Neira Castillo, Sebastián Felipe; Pereda Torres, Javier Eduardo; Merlin, Michäel Marc Claude; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La creciente inclusión de energías renovables en los sistemas eléctricos está provocando una revolución en la estructura de las redes eléctricas modernas. En este contexto, la presente tesis investiga el diseño de conversores de potencia con capacidades extendidas debido a la incorporación de almacenamiento de energía dentro de las topologías. Así, el objetivo de la investigación es proponer conversores de potencia con capacidades de integración de tecnologías de almacenamiento de energía para brindar servicios adicionales requeridos para la operación de sistemas híbridos CC-CA. La tesis consta de dos partes, la primera parte muestra el trabajo desarrollado para aplicaciones de baja y media potencia, mientras que la segunda parte describe la investigación realizada para sistemas de alta potencia. La primera parte de esta tesis explica el diseño y operación de un conversor CC-CC-CA de tres puertos desarrollado para integrar el almacenamiento de energía en aplicaciones híbridas CC-CA. La topología se basa en un convertidor CC-CA convencional de dos niveles y utiliza una sola etapa de conversión de energía para controlar el flujo de energía entre tres puertos, lo que minimiza los componentes necesarios. Los resultados de simulación y experimentales validan el funcionamiento de la propuesta, mostrando que un sistema de control multivariable permite explotar los grados de libertad para gestionar interacciones de potencia de multiples elementos sin necesidad de conversores de potencia adicionales. Además, se realiza un análisis comparativo para mostrar las ventajas y limitaciones de la propuesta frente a soluciones de vanguardia en el mismo contexto. El estudio concluye que la topología propuesta es adecuada para sistemas de potencia media con capacidades de flujo de potencia bidireccional entre todos los puertos y necesidades limitadas de aumento de voltaje. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño y operación de una topología de Conversor Modular Multinivel (MMC) con almacenamiento de energía integrado utilizando nuevas ramas paralelas en las fases del conversor. Esta topología permite la integracion de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) de potencia limitada para desacoplar los lados de CA y CC de una subestación HVDC. Por lo tanto, permite la provisión de servicios auxiliares como respuesta de frecuencia rápida, capacidades de arranque en negro y nivelación de carga, que son requeridos por las redes eléctricas híbridas de CC-CA. Los resultados muestran que la propuesta permite agregar hasta un 37% de potencia desde el ESS considerando semiconductores de potencia de clasificación similar en una subestación MMC simulada de 1 GW. El análisis muestra que las pérdidas de dispositivos adicionales se mantienen por debajo del 1% por un ±10% adicional de energía desde ESS. En conclusion, esta tesis propone y analiza dos topologías diferentes para integrar el almacenamiento de energía en aplicaciones híbridas de CC-CA segun la potencia nominal requerida. El estudio se apoya en resultados de simulación y experimentales obtenidos durante el proyecto para validar ambas propuestas.
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    Energy Efficient wireless communications
    (2012) Rosas de Andraca, Fernando Ernesto; Oberli Graf, Christian Robert; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En los últimos años, la reducción de la energía necesaria para transferir información entre transmisor a receptor se ha constituido en un objetivo importante para las técnicas de comunicación inalámbricas. La búsqueda de nuevos métodos para aumentar la eficiencia energética de las comunicaciones inalámbricas se ha transformado en un activo campo de investigación. Algunos investigadores han sugerido que el uso de sistemas de múltiples antenas podría generar nuevas reducciones en el consumo energético de las comunicaciones inalámbricas. A pesar de un reciente interés en este tema, ningún análisis completo ha sido reportado sobre como el tamaño del arreglo de antenas, el tamaño de la modulación y la potencia irradiada han de elegirse para lograr comunicaciones energéticamente eficientes sobre canales con desvanecimiento.
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    Estimación de la irradiación solar en superficies verticales en entornos urbanos para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV)
    (2024) García Rojas, Redlich Javier; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La evaluación del recurso solar para el financiamiento y ejecución de proyectos de energía solar es fundamental, debido a que permite tener una estimación del desempeño del proyecto en cuanto a producción de energía y retorno de inversión. Esta evaluación del recurso en sitios despejados se encuentra en un gran estado de madurez gracias a las estimaciones satelitales y las campañas de medición. Sin embargo, la evaluación del recurso solar en entornos urbanos, donde existen factores como la compacidad, densidad de población, y diversas superficies de reflexión, no ha alcanzado todavía el mismo nivel de madurez. De ahí la importancia de desarrollar una metodología para la estimación de la irradiancia solar en superficies verticales en ciudades. Esta disertación se centra en la estimación de irradiancia solar en superficies verticales de entornos urbanos de baja densidad para aplicaciones de BiPV (Building Integrated Photovoltaic), con el fin de crear una base de conocimiento científico para el desarrollo sustentable de ciudades que tengan alto índice de compacidad, características topográficas heterogéneas y diversidad en la arquitectura urbana. El objetivo general de esta investigación es desarrollar una metodología para la estimación de las distintas componentes de la radiación solar en ambientes urbanos, utilizando herramientas de acceso abierto, en la ciudad de Santiago de Chile como caso de estudio, incluyendo la radiación en superficies verticales para aplicaciones BiPV. Los objetivos específicos son: i) Ajustar los predictores del modelo de descomposición BRL, mediante la incorporación de la climatología local y la aplicación de una metodología rigurosa de control de calidad de datos, a partir de la radiación obtenida mediante series de mediciones a largo plazo, ii) generar diversos modelos digitales de superficie a través de la técnica de fotogrametría utilizando datos de herramientas de acceso abierto, iii) desarrollar una metodología para estimar la radiación solar en un plano vertical que incluya el albedo, la compacidad, el factor de cielo visible mediante una corrección de elevación, la descomposición de la irradiancia global y difusa y una topografía de terreno, usando datos de Google Earth y MODIS LSA y iv) evaluar la producción de energía fotovoltaica en plano vertical a partir de los datos de radiación estimados en el plano vertical. El enfoque metodológico en esta investigación se divide en 7 procesos: i) Selección de área urbana, ii) análisis y estimación en plano vertical de la radiación solar, iii) desarrollo de un modelo digital de superficie (DSM) urbano, iv) generación del albedo del DSM, v) análisis de sombras y factor de cielo visible, vi) integración de la reflexión por albedo urbano y vii) validación de la metodología con un sistema de producción fotovoltaica con tecnología BiPV. Con respecto a la descomposición de la radiación solar, a través del ajuste de los predictores del BRL para diversas ubicaciones demostró que dichos coeficientes fueron diferentes entre sí, lo que sugiere un carácter local para el modelo. Además, el resultado de aplicar esta metodología a los casos de estudio en Chile fue que el valor estimado de radiación para la pared Norte es de aproximadamente 1000 kWh/m2 /año en toda la superficie, lo cual es de suma utilidad para los proyectos de BiPV, ya que estos son los valores de radiación que utilizan para la instalación este tipo de sistemas solares. En cuanto a los valores de radiación a lo largo de las paredes, se analizaron tres puntos de alturas respecto al suelo: 5 m, 20 m y 32 m. De forma general, se observó que la radiación a 5 m es menor que a 20 m y 32 m, con una diferencia del orden de 2.4% debido a los obstáculos cercanos. La validación de la metodología se realizó de dos formas: la primera con mediciones en el plano vertical en las fachadas Este y Oeste para los edificios de Santiago de Chile, y para el edificio de Madrid, en las fachadas Este, Oeste y Sur, arrojando errores en base diaria de 12%, para la base mensual de 13%, y para la base anual 8% en promedio. Y la otra validación se realizó en el edificio 42 del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), ubicado en la ciudad de Madrid – España, ya que cuenta con una instalación de BiPV. Se aplicaron todos los procedimientos descritos para obtener la radiación en superficies verticales y se validaron con las respectivas mediciones de radiación en plano vertical que están instaladas en el mismo centro de investigación. Acto seguido, se comparó la generación de producción eléctrica, utilizando tanto los datos medidos por el Centro de Investigación como los estimados a través de la metodología propuesta en este trabajo. Considerando principalmente la fachada Sur que es la más importante en el hemisferio Norte y obteniendo errores anuales de producción en la fachada Sur y Oeste de 7% y 19%, respectivamente. Finalmente, esta metodología se comparó con otros trabajos que utilizan metodologías diferentes para estimar la radiación en planos verticales, encontrándose que los errores están dentro de la media de dichos trabajos. Por lo tanto, con esta validación también se confirma la replicabilidad de la metodología, ya que fue aplicada en Santiago – Chile, y en Madrid – España, evaluándose tres edificios distintos con condiciones urbanas, climáticas y hemisferios diferentes, y encontrándose errores que son aceptables dentro del resto de trabajos de esta misma naturaleza. En consecuencia, esta investigación demuestra que la metodología desarrollada utilizando series de medición de largo plazo y herramientas de acceso abierto es una opción válida para estimar la radiación solar de superficies verticales en entornos urbanos de baja densidad y sirve de base para la implantación de tecnologías solares como BiPV. No obstante, los responsables de la formulación de políticas energéticas, y los encargados de tomar decisiones, como los ministerios y entidades gubernamentales, deberían promover la autosustentabilidad de ciudades como actuación prioritaria. Esto se puede lograr reconociendo el potencial energético que tienen las ciudades. En esta línea, esta tesis de investigación manifiesta el valor que puede tener la energía solar en entornos urbanos de baja densidad en Chile para aumentar la diversidad en la futura matriz energética. Proporciona métodos y pautas innovadores de libre acceso para estimar la radiación solar en superficies verticales de edificios. También resalta el valor de calcular la producción fotovoltaica integrada en edificios a partir de la radiación estimada. De esta manera, se necesita más investigación aplicada, como la presentada en esta tesis, para seguir estudiando la radiación en entornos urbanos y agregar más valor a los futuros sistemas de generación solar dentro de los mismos.
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    Homeostatic control of renewable micro-generation power systems :towards a new approach to sustainable energy systems linked to energy efficiency
    (2014) Yanine Misleh, Fernando; Sauma Santis, Enzo Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Este trabajo presenta un enfoque innovador para abordar la coordinación y control de sistemas híbridos de energía conectados a la red eléctrica para suministrar electricidad a un grupo de casas denominado, para el propósito de esta tesis, como block sustentable. La iniciativa se basa en un esfuerzo por integrar las energías renovables no convencionales (ERNC) al sistema de distribución eléctrica a través de proyectos de generación distribuida (GD) destinados a comunidades rurales donde el suministro de electricidad es costoso y muchas veces poco fiable. Esto debido al mal funcionamiento de equipos, fallas de la red o a fenómenos climáticos u otros desastres naturales como terremotos, todo lo cual puede socavar las redes de distribución de energía eléctrica. Aquí empleamos un pensamiento de sistemas y un enfoque cibernético y miramos a estos sistemas híbridos de energía como sistemas adaptativos complejos, intrínsecamente dinámicos, compuestos por varios subsistemas con relaciones jerárquicas bien definidas. Mas aun, la presente aproximación a dichos sistemas los aborda como sistemas sociotécnicos complejos, donde los usuarios de la energía juegan un papel activo y fundamental como 'cargas activas' dentro del block sustentable al que se acopla la microrred.Como tal este tipo de sistema es capaz de autorregulación, coordinación y auto-organización cuando se integra e interactúa con otros sistemas de orden superior, de los cuales los clientes y sus particulares patrones de consumo de energía y hábitos de vida son parte, así como también lo es la red eléctrica local. De esta manera la microrred inteligente en última instancia comprende el sistema híbrido de energía y el block sustentable al cual esta acoplada, funcionando ambos conectados a la red de distribución eléctrica de la cual la microrred es un subsistema. Por lo tanto podemos distinguir aquí un complejo conjunto de relaciones e interacciones fluidas entre los diferentes sistemas que comprenden el meta-sistema. Tales relaciones e interacciones dinámicas regulan y apoyan la estructura subyacente del sistema de micro-generación donde estrategias de coordinación y control inspiradas en la homeostasis (control homeostático) en los organismos vivos tiene lugar para alcanzar un equilibrio eficiente. Esta tesis discute las bases teóricas detrás del enfoque basado en el control homeostático de sistemas de energía eléctrica, el que pretende abordar y entender a dichos sistemas como organismos vivos que, cuando se construyen en un arreglo de microrred inteligente, conectadas a la red para suministrar energía a un block sustentable, pueden comportarse como sistemas inteligentes abiertos en medio de otros sistemas de orden superior, con los cuales interactúan e intercambiar energía. Basándose en este marco teórico se proponen estrategias de coordinación y control basadas en control homeostático para microrredes conectadas a la red.El enfoque propuesto pretende estudiar y eventualmente desarrollar nuevas formas de abordar y controlar dichos sistemas y desarrollar nuevas tecnologías para integrar energías renovables en proyectos de GD de electricidad y calor, trabajando en paralelo con la red y ofreciendo nuevas alternativas y beneficios a los usuarios en todas partes. Con el uso de medidores inteligentes y otras tecnologías, estos sistemas inteligentes capaces de comunicarse e interactuar con otros sistemas pueden alcanzar una solución eficiente y equilibrada de energía. Todo esto tiene como objetivo traer beneficios adicionales a los consumidores y a los sistemas de energía eléctrica en su totalidad, en línea con la nueva visión actual de la GD: la microrred orientada al cliente [37-40]. A diferencia de (y complementando) la tendencia emergente de investigación en sistemas de gestión energética para microrredes basado en tecnologías de ERNC que emplean principalmente mecanismos de gestión de la demanda de energía, este estudio se enfoca en la gestión de respuesta de los sistemas involucrados, en lo que respecta a la generación, suministro y uso de energía renovable y sus fuentes. Se enfoca también en el acoplamiento de sistemas, la coordinación y mutua asistencia entre dichos sistemas y en todos los aspectos relevantes de su interacción para suministrar energía de forma más efectiva y eficientemente bajo un esquema de control homeostático.El principal problema que abordo en mi investigación es cómo coordinar y controlar de forma eficaz y más eficiente una microrred, desarrollando un fuerte lazo con los conceptos de eficiencia energética y frugalidad en el uso y manejo de la energía, los que se busca integrar como parte estructural de las estrategias de control propuestas para microrredes inteligentes conectadas a la red eléctrica; con la cual estarán operando en paralelo, para suministrar energía a un bloque sustentable con y sin sistemas de almacenamiento de energía.
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    Improved market representation of agent preferences in a renewable environment
    (2017) Marambio Granic, Rodrigo Eduardo; Rudnick Van de Wyngard, Henry; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    El contexto dado por la creciente inclusión de energías renovables intermitentes e inciertas en los sistemas eléctricos del mundo, presenta tanto desafíos operacionales como regulatorios. La entrada a gran escala de estas tecnologías cambia la dinámica del mercado,por lo que los mecanismos de mercado y esquemas regulatorios existentes pierden eficacia en este nuevo paradigma. En este sentido, algunas dimensiones de los agentes involucrados no están siendo plenamente representadas por mecanismos existentes, cuyo efecto se acentúa a medida que avanza la inclusión de estas tecnologías. Esto plantea la necesidad de diseñar y evaluar nuevos mecanismos de mercado, que permitan avanzar hacia un mercado ideal bajo estas nuevas condiciones impuestas por este entorno renovable. El objetivo de la investigación es diseñar mecanismos para el sector generación, que permitan mejorar condiciones en las áreas de energía, capacidad y seguridad, a través de una mejor representación de las preferencias de los agentes que participan en este nuevo escenario renovable. En el área de energía, se propone un diseño de subasta de energía de largo plazo, el cual considera una representación del perfil de corto plazo de los participantes a la hora de adjudicar la subasta. En el área de capacidad, se propone un mercado de capacidad, donde la construcción de la curva de demanda considera tanto las estadísticas de las centrales renovables como las preferencias de la demanda. En el ámbito de la seguridad, se propone un mecanismo para determinar el volumen sistémico óptimo de Gas Natural Licuado a importar sobre la base de un mercado de cobertura de riesgo, con el fin de disponer del volumen necesario de dicho combustible. El documento presenta un análisis del problema que cada mecanismo intenta resolver, el diseño de cada uno de ellos y el desarrollo de casos de estudio para evaluar su efectividad. La contribución de la investigación doctoral es: i) identificar áreas del mercado eléctrico chileno donde se está realizando una representación insuficiente de las preferencias de los agentes y los problemas que se presentan debido a dicha insuficiencia, ii) el diseño de tres mecanismos de mercado que mejoren la representación de las preferencias de los agentes involucrados, en relación con lo que actualmente existe en el mercado chileno, iii) la caracterización de los agentes considerados a través de una modelación de sus preferencias, iv) una evaluación de la efectividad de los mecanismos propuestos. Los mecanismos desarrollados aportan elementos al regulador que podrían servir como punto de partida para el diseño de nuevos mecanismos en un entorno renovable. Se concluye que a través de mecanismos de mercado que mejoran la representación de las preferencias de los agentes en este nuevo contexto, dado por la inclusión de tecnologías intermitentes e inciertas, es posible reducir el riesgo y mejorar la asignación de recursos. En todos los mecanismos propuestos, se obtiene un beneficio en comparación con los mecanismos existentes en el mercado eléctrico chileno.
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    Long-term sustainable energy scenarios modeling and analysis for Chile : a roadmap towards 2030.
    (2020) Simsek, Yeliz; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Esta disertación se centra en la planificación de energía sustentable a largo plazo para Chile para 2030 y se desarrolló a través de cuatro artículos de revistas. El objetivo principal de esta disertación es identificar una vía energética a largo plazo que satisfaga las necesidades energéticas de Chile de manera sustentable y cumpla con los objetivos energéticos nacionales e internacionales. En la búsqueda de este objetivo amplio, la investigación analiza la planificación de energía sustentable a largo plazo para Chile para 2030. El objetivo general de la tesis es investigar acciones/estrategias nacionales e internacionales para implementar la planificación de energía sustentable a largo plazo para Chile sistema nacional de energía para 2030 y compare los escenarios para lograr objetivos energéticos y ambientales futuros. Los objetivos específicos de esta disertación son: i) revisar el desarrollo energético, el potencial de recursos y las políticas actuales relacionadas en Chile (Articulo I), ii) evaluar la promoción de energía renovable y el análisis de políticas existentes hacia la descarbonización y la lucha contra el cambio climático (Articulo II), iii) evaluar los indicadores de los objetivos de desarrollo sustentable (ODS) relacionados con la energía y calcular los requisitos o ahorros de energía para cumplir los objetivos para 2030 en Chile (Articulo III), y iv) desarrollar un modelo energético y generar energía a largo plazo escenarios para Chile, incluido el escenario de referencia, la política energética actual, los objetivos de desarrollo sustentable, las contribuciones nacionales determinadas (NDC) y la descarbonización (Articulo IV). El enfoque metodológico en esta investigación se basa en una revisión de la literatura, análisis de políticas actuales, evaluación de objetivos de desarrollo sustentable, descripción de escenarios, cuantificación de escenarios, desarrollo de modelos energéticos, resultados y comparación. El presente trabajo está organizado en seis capítulos. El primer capítulo es la introducción. Los capítulos 2, 3, 4 y 5 responden al primer, segundo, tercer y cuarto objetivo específico de la disertación, respectivamente. Cada capítulo es una unidad autónoma y se puede leer sin la estricta necesidad de leer el resto de los capítulos. La promoción de la energía renovable y la eficiencia energética son formas populares para que los países alcancen sus objetivos energéticos y ambientales y para la descarbonización y la descontaminación en la matriz energética futura. La tecnología solar y eólica tuvo un mayor aumento de capacidad que la biomasa y mini hidro en los últimos años. Además, la capacidad de las tecnologías de energía solar fotovoltaica y eólica mostró un aumento significativo después de 2013. Las leyes relacionadas con la energía renovable implementadas entre 2012 y 2017 podrían tener el mejor impacto en la promoción de tecnologías de energía solar debido a sus PEI positivos. La política legislativa “el objetivo importante para el aumento de la capacidad de energía renovable (70% del objetivo de instalación de energía renovable de nueva capacidad entre 2015 y 2050)” fue la mejor política entre todas las alternativas de políticas según la evaluación de los expertos. Chile cumple dieciséis objetivos sin necesidad de ninguna intervención para 2030 entre veinticuatro objetivos de desarrollo sustentable relacionados con la energía. Como muestra el análisis, el objetivo 2.1, el objetivo 5.b, el objetivo 12.3, el objetivo 13.1 y el objetivo 17.6 requieren que se encuentre energía extra para 2030. Cuando se considera que todos los ODS se cumplen para 2030, se descubre que la demanda de energía para 2030 Los ODS se calcularon como 1,463.08 millones de GJ debido al requerimiento de energía adicional para cumplir con los ODS Debido a su importante objetivo de reducción de emisiones, el nuevo escenario de NDC tiene una reducción de al menos 38.5% en la demanda de energía cuando se compara con el escenario de referencia para 2030. El sector de la demanda tiene una contribución importante a las emisiones cuando se compara con el sector de transformación. Aunque las emisiones del sector de transformación demuestran una reducción significativa para 2030 en diferentes escenarios, la disminución de la demanda no se nota claramente. Por lo tanto, Chile también requiere la reducción de emisiones en el lado de la demanda, ya que tiene un plan de descarbonización para el lado de la transformación. Los escenarios con una reducción significativa de la demanda de energía para todos los sectores mostraron una reducción considerable de las emisiones para 2030. En todos los escenarios, el sector de la demanda mostró una contribución importante a las emisiones en comparación con el sector de transformación. Aunque las emisiones del sector de transformación demuestran una reducción significativa para 2030, la disminución de la demanda no se nota claramente en algunos escenarios. Chile requiere políticas apropiadas de eficiencia energética y energías renovables para los sectores de demanda de los sectores, especialmente el transporte, la minería y otras industrias, para reducir las emisiones en el lado de la demanda como descarbonización para el lado de la transformación. Los escenarios que incluyen más plantas eólicas, fotovoltaicas, CSP solares e hidroeléctricas alcanzaron más del 80% de generación de electricidad renovable para 2030. Por lo tanto, se puede establecer una cartera de producción más limpia que resulte en menos emisiones y una mayor diversificación en términos de generación de energía en Chile.
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    Mecanismos para la inversión y remuneración de la transmisión de energía eléctrica
    (2012) Molina Castro, Juan David; Rudnick Van de Wyngard, Henry; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    La evolución del mercado de energía y la creciente participación de los agentes en el negocio de la transmisión de energía han traído consigo una mayor complejidad para definir qué expandir en un sistema de transmisión y cómo decidir un plan de expansión. Las metodologías de expansión se sostienen bajo principios de cooperación y bajo este principio se han propuesto varias alternativas para su desarrollo. Sin, embargo, los agentes participantes en la expansión de la transmisión son racionales y como tal maximizan su utilidad. Esto hace necesario evaluar mecanismos de acoplamiento entre conceptos económicos y técnicos con la finalidad de brindar soluciones claras y transparentes para el desarrollo del mercado eléctrico. El objetivo de la investigación es diseñar un mecanismo que incentive la expansión de la transmisión considerando la maximización del beneficio social, la estructura del mercado y el comportamiento de los agentes. Se propone una metodología de expansión de la transmisión, un juego, que consta de cuatro elementos principales: i) la generación de alternativas de planes de expansión de la transmisión, ii) la valoración de proyectos con base en el diseño de contrato lineales, soluciones de negociación y el modelo de principal-agente, iii) el valor óptimo de un portafolio de inversión desde la perspectiva de un inversionista privado y iv) la aceptabilidad y asignación de costo de los proyectos de expansión.
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    Modelo de redespacho para la operación en tiempo real con alta penetración solar-eólica y su adaptación al mercado de los servicios complementarios
    (2024) Balzer Araneda, Kristian Waldo Antonio; Watts Casimis, David; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En Chile, la operación y mercado de la generación renovable (solar-eólica) y convencional (gas-carbón-diesel-hidráulica), está compuesta por dos sistemas eléctricos de generación que se gestionan en forma complementaria y actualmente interconectados con el nombre de Sistema Eléctrico Nacional (SEN), contando con el mayor potencial y desarrollo solar de Sudamérica. El despacho de estas centrales lo realiza el operador del sistema que utiliza un mecanismo simplificado, llamado lista de mérito económico (ranking de centrales ordenadas de menor a mayor costo variable de generación) y que no refleja los costos reales de las centrales en perjuicio del costo global de operación y marginal del sistema. Este trabajo propone un modelo de redespacho de corto plazo con resolución horaria para garantizar una operación óptima en el despacho de centrales. El modelo de redespacho integra una función objetivo que minimiza el costo global de operación, agregando restricciones de stock de volumen de gas, volumen de generación hidráulica de embalse, costo variable de la generación térmica mediante representación polinómica del consumo específico neto (CEN) de combustible, potencia máxima de despacho para prevenir la activación de los esquema de desconexión de carga por baja frecuencia (EDAC-BF) y las restricciones de las reservas de potencia mínimas del sistema, que permiten abrir otras líneas de investigación en el mercado de los servicios complementarios (SSCC) en tiempo real, que se rigen por reglas económicas, mediante asignaciones directas y subastas horarias. La motivación de integrar la generación convencional gas, carbón, diesel, hidráulica y la masiva generación renovable solar-eólica al mercado de los servicios complementarios (SSCC) en la operación en tiempo real, es para unificar un mercado económico que permita utilizar óptimamente las reasignaciones de reservas de potencia destinadas al control primario (CPF), secundario (CSF) y terciario (CTF) de frecuencia. Por lo tanto, en forma paralela al modelo de redespacho se hace necesario implementar un modelo económico cuyo fin sea minimizar los costos de las reasignaciones de las reservas de potencia del cambiante mercado de los servicios complementarios. En primer lugar, las reservas de potencia para el control primario de frecuencia son la primera línea de defensa del sistema eléctrico y que permite integrar grandes bloques de generación renovable. El CPF debe mantener un subconjunto de reservas dinámicas simétricas que actúan en tiempos de 10 segundos y 5 minutos para evitar la operación de EDAC-BF y EDAG ante variaciones de frecuencia superiores a los ±0,7 [Hz]. Mientras que en segundo lugar, existen las reservas de potencias destinadas al control secundario de frecuencia, que son las responsables en mantener la frecuencia en un rango normal de operación (49,80
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    Multiscale analysis of flows past marine hydrokinetic devices using numerical simulations
    (2021) Soto Rivas, Karina Andrea; Escauriaza Mesa, Cristián Rodrigo; Richter, David, Ingeniero; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    In this work, we seek to understand the effects that a farm of Marine Hydrokinetic (MHK) devices would have on the flow in the Chacao channel, Chile. We adopted a multi-scale approach to study the ow at the turbine scales and propose a parameterization for representing a group of turbines in the mesoscale. In Chapter II, we used the hybrid turbulence model DES coupled with the actuator disk approach to simulate staggered turbine con gurations with different separations between devices and channel depths on an idealized domain. Using the time-averaged results, we obtained an expression for a new thrust coefficient representative of an entire farm of turbines, CtF arm, which only depends on the lateral and longitudinal separation of the devices and the number of rows of turbines. In Chapter III, we incorporated CtF arm into the ocean circulation model FVCOM, representing a speci c nite farm of turbines in the Chacao channel. Firstly, we simulated a base case without devices to choose three suitable locations for installing a farm of turbines according to a commercial device's speci cations. Then, we characterized the local bathymetry of the chosen locations to design an appropriate computational grid that considers the dominant bedforms. After simulating turbines, we observe variations in the velocity, turbulent kinetic energy (TKE), and shear bottom since these factors could affect the local ecosystem. The results showed that in fiatter bathymetries, the magnitude of the percentage change in TKE and bottom shear is higher than in complex bathymetries since the presence of turbines represents a more signi cant alteration of the initial conditions. On the other hand, the absolute changes show that the initial conditions in velocity and TKE dominate the momentum extraction despite the bedforms because they have more power available. In this research, we were able to take the thrust force of a specifi c farm of turbines using high-resolution simulations and bring it to a larger scale model with realistic tides and bathymetries, which provides more insights to predict and mitigate the possible negative impacts of an MHK farm installation.
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    Nuevas topologías de conversores multinivel en cascada
    (2013) Pereda Torres, Javier Eduardo; Dixon Rojas, Juan; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Los conversores estáticos de potencia juegan un rol fundamental en la actualidad, ya que son utilizados en la generación, distribución y aplicación de la energía eléctrica. Sin embargo, estos conversores introducen contaminación en los sistemas eléctricos donde intervienen. Este problema va en aumento debido a su masificación, ya que son utilizados en el control de motores (responsables de gran parte del consumo mundial) y en la generación de energías renovables no convencionales, las que están incrementando su participación día a día. Por lo tanto, se ha vuelto primordial el desarrollo de tecnologías que aumenten la calidad de energía entregada por estos sistemas. Una solución a estos problemas son los conversores multinivel, los que han aparecido en las últimas décadas. Esta tesis presenta un trabajo de investigación en conversores de potencia multinivel, especialmente los conversores multinivel en cascada, donde primero se presenta una revisión y análisis profundo de sus aplicaciones, topologías, formas de conexión, asimetrías de voltaje, distribución de potencia, ventajas y desventajas. De este análisis se concluye que las principales desventajas de estos conversores son el uso de una gran cantidad de semiconductores y fuentes de voltaje aisladas, las cuales utilizan complejos, costosos, pesados y voluminosos transformadores, además de rectificadores trifásicos bidireccionales que requieren de un control adecuado.
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    Operation of microgrids with conventional and virtual energy storage systems
    (2022) Córdova Sota, Samuel Alejandro; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Cañizares, Claudio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Distribution systems are now increasingly becoming more active due to the sustainable integration of Distributed Energy Resources (DER). While this has enabled a cleaner and more efficient generation, it has also resulted in new challenges for the operation of modern power systems. In this context, the operation of isolated microgrids is particularly challenging, as these systems are characterized by a low inertia and significant renewable integration, and must be capable of an autonomous operation without the support of other electrical grids. Thus, the present thesis focuses on the design of an Energy Management System (EMS) for the reliable and economic operation of modern isolated microgrids. Isolated microgrid operation requires considering additional aspects typically omitted in the operation of robust bulk power systems. In particular, as demonstrated in this thesis, second-to-second renewable power fluctuations need to be considered in the microgrid EMS, since these fluctuations can have a large impact on the system’s frequency regulation due to its low inertia. Furthermore, to ensure an economic yet reliable operation, modern flexible technologies capable of counterbalancing these short-term fluctuations, such as Battery Energy Storage Systems (BESS) and Demand Response (DR), need to be integrated in the microgrid EMS. Hence, the present thesis focuses on designing a microgrid EMS model that integrates short-term renewable power fluctuations, their impact on frequency regulation, and the role that BESS and DR can play for their management. In the first part of the thesis, models are presented to characterize short-term renewable power fluctuations and their impact on microgrid operations, including the role that BESS can play to manage power fluctuations and the battery degradation resulting from providing this service. These models are then used to develop a practical EMS considering short-term renewable fluctuations and BESS flexibility, which is validated through exhaustive simulations on two realistic test microgrids, showing the operational benefits of the proposed EMS and highlighting the need to properly model short-term fluctuations and battery degradation in EMS for isolated microgrids. In the second part of the thesis, the above EMS model is extended to also incorporate the impact of short- term power fluctuations on the microgrid’s frequency regulation performance. For this purpose, accurate linear equations describing the frequency deviation and Rate-of-Change-of-Frequency (RoCoF) resulting from these fluctuations are developed, which are then used to build a frequency-constrained EMS model capable of guaranteeing an adequate frequency regulation performance in line with current DER operating standards. Exhaustive transient simulations on a realistic test microgrid considering detailed frequency dynamic and control models are presented, demonstrating the accuracy of the proposed frequency-constrained EMS and the operational benefits resulting from its implementation. Finally, the integration of DR techniques for an enhanced microgrid operation is discussed. In particular, the smart control of Thermostatically Controlled Loads (TCL) is studied, as these type of loads comprise a significant share of the total residential demand, and have the capability of managing second-to-second power imbalances without significantly affecting customer comfort. Since computational limitations prevent the direct integration of TCLs within operational models, alternative computationally efficient aggregate models representing TCL flexibility and frequency dynamics are proposed, which are referred to as Virtual Energy Storage Systems (VESS) due to their close resemblance to Conventional Energy Storage Systems (CESS) such as batteries. The proposed aggregate VESS models are then used to design a practical EMS integrating TCL flexibility, and study the impact of TCL integration on microgrid operation and frequency control. Computational experiments using detailed frequency transient and thermal dynamic models are presented, demonstrating the accuracy of the proposed aggregate VESS models, as well as the economic and reliability benefits resulting from using these aggregate models to integrate TCLs in microgrid operation.
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    Optimal passive control of nonlinear asymmetric structures : a performance-based design
    (2015) Aguirre, Juan Jesús; Almazán Campillay, José Luis; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    El diseño sismo-resistente tradicional se ha basado en la capacidad de las estructuras de absorber y disipar la energía inducida por los terremotos mediante comportamiento inelástico. Este concepto de disipación de energía es factible si las estructuras satisfacen principios de diseño por capacidad, sin embargo esto forzosamente implica daño estructural. Las estructuras asimétricas son particularmente vulnerables a los terremotos debido a la demanda de deformaciones desiguales entre sus planos resistentes causada por el acoplamiento entre la respuesta traslacional y rotacional, originando concentraciones de daño en pocos elementos poniendo en peligro la integridad de las estructuras. Sin embargo las estructuras asimétricas son comunes en la práctica profesional principalmente por razones arquitectónicas y de funcionalidad. Las normas de diseño castigan la capacidad de estructuras con la intención de limitar el daño incrementando su resistencia y rigidez; sin embargo aparecen efectos colaterales perjudiciales: entre otro, las aceleraciones de la estructura aumentan y el amortiguamiento inherente disminuye. El concepto de utilizar elementos independientes de la estructura principal para disipar la energía sísmica inducida fue presentado por primer vez a finales de la década de los sesenta, desde entonces bastante investigación ha sido orientada al desarrollo de técnicas y estrategias innovadoras para el control de la respuesta sísmica de las estructuras con el objeto de aumentar su desempeño sin dejar de considerar que los costos de construcción se deben mantener dentro de márgenes razonables.
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    Photoproduction of hydrogen using nanoparticles of titanium dioxide
    (2018) Varas Concha, Felipe José; Sáez Navarrete, César; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    El actual escenario energético mundial ha llevado a los científicos a buscar combustibles más sustentables. El hidrógeno destaca como alternativa, pero implica grandes desafíos como el cambio del actual sistema de producción a partir de combustibles fósiles. La producción de hidrógeno vía fotocatálisis destaca como opción, pero los rendimientos reportados han sido bajos, siendo crucial enfocar esfuerzos en mejorar estos procesos. Esta tesis doctoral busca identificar las condiciones operacionales con mayor efecto en la producción de hidrógeno y de subproductos valiosos, a través del fotorreformado de alcoholes utilizando nanopartículas de TiO2, entre cinco condiciones y sus interacciones: presencia de oro como cocatalizador, tipo de alcohol, intensidad de la luz, concentración de alcohol y concentración de nanopartículas. Se prestó especial atención a explorar la influencia de estos factores en un rango de bajas concentraciones de catalizador. Las nanopartículas de TiO2-Au sintetizadas mediante un método sol-gel fueron completamente caracterizadas (UV-Vis, SEM-EDS, ICP-AES, DLS, TEM). Se logró generar H2, CH2O y CH2O2. La presencia de oro como cocatalizador, la intensidad de la luz UV y su interacción fueron los factores de mayor peso. La mejor configuración permitió alcanzar una productividad de catalizador de 2,900 μmol ∙ g-1 ∙ h-1.