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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.
An analysis of additional energy requirement to meet the sustainable development goals
(2020) Simsek, Yeliz; Santika, W. G.; Anisuzzaman, M.; Urmee, T.; Bahri, P. A.; Escobar Moragas, Rodrigo
An Assessment of Incentives Combination for Solar Energy Technologies-A Case Study for Chile
(IEEE, 2018) Simsek, Yeliz; Mata Torres, Carlos Enrique; Urmee, Tania; Arabzadeh Bahri, Parisa; Escobar Moragas, Rodrigo
When solar energy technologies are compared to the conventional energy production alternatives, they may require incentives and financial support due to their relatively high investment costs and low bidding offers in electricity markets. Tax and cash incentives are able to diminish the gap between the levelized cost of electricity and the power purchasing agreements in most of the projects. The purpose of this paper is to research the effect of combining a number of tax and cash incentives under different financial structures and to find the best combinations of support mechanisms by considering maximum reduction of levelized cost of electricity and minimum government cost, applied to Chile as a case study.
Análisis de plantas CSP con gases como fluido de trabajo para producción de electricidad termosolar
(2012) Farías Peet, Roberto Javier; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En esta tesis se busca entregar una herramienta para poder estudiar la factibilidad técnica y analizar térmicamente un nuevo concepto en el uso de colectores parabólicos con el fin de obtener energía eléctrica. Este concepto se basa en el uso de CO2 como el fluido de trabajo y en la utilización de concreto como material para el almacenamiento térmico. Como objetivos secundarios se tiene mostrar como la variación en distintas propiedades de este ciclo afecta los resultados finales obtenidos y así alcanzar un óptimo en el proceso de generación de energía eléctrica. El análisis considera la creación de una herramienta, la cual simule un ciclo con 5 etapas (bomba, colector, almacenamiento, turbina y condensador), que trabaje bajo este concepto.
Analysis of solar tracking systems for photovoltaic power plants considering experimental and computer modeled results for Munich, Germany
(2009) Frindt Vidal, Harald Andrés; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La energía proveniente de plantas solares fotovoltaicas ha aumentado su importancia en el último tiempo, mostrando un crecimiento exponencial de la capacidad instalada en el mundo. Aparte de los tradicionales sistemas fotovoltaicos estáticos, se han desarrollado sistemas de seguimiento solar con el objetivo de incrementar la energí a recolectada manteniendo constante la potencia máxima instalada en la planta. El aporte energético como consecuencia del uso de estos sistemas de seguimiento no está claro, como se puede observar en la gran variedad de resultados académicos existentes, como también en lo que ofrece la industria solar. Habiendo renovado dos plantas solares existentes en la Universidad Técnica de Munich en Baviera, se continuó con la medición de datos utilizando una planta solar estática y una con un sistema de seguimiento en 2 ejes con mecanismo VIAX, con la intención de analizar el aporte energético debido al sistema de seguimiento. A la vez se desarrollaron modelos computacionales para diversos sistemas de seguimiento. Los resultados experimentales se utilizaron para validar las simulaciones computacionales.
Analyzing regional and local changes in irradiance during the 2019 total solar eclipse in Chile, using field observations and analytical modeling
(MDPI, 2021) Castillejo Cuberos, Armando; Cardemil Iglesias, José Miguel; Escobar Moragas, Rodrigo
Solar eclipses are astronomic phenomena in which the Earth’s moon transits between the planet and the Sun, projecting a shadow onto the planet’s surface. As solar power installed capacity increases, detailed studies of this region-wide phenomenon’s effect in irradiance is of interest; how-ever, the literature mainly reports its effects on localized scales. A measurement campaign spanning over 1400 km was pursued for the 2 July 2019 total solar eclipse in Chile, to register the event and establish a modeling framework to assess solar eclipse effects in irradiance over wide regional scales. This work describes the event and presents an estimation framework to decompose atmospheric and eclipse effects on irradiance. An analytical model was applied to study irradiance attenuation throughout the Chilean mainland territory, using satellite-derived and astronomical data as inputs compared to ground measurements in eight stations. Results showed good agreement between model and observations, with Mean Bias Errors of −0.008 to 0.98 W/m2 for Global Horizontal Irradiance and −0.004 to −4.664 W/m2 for Direct Normal Irradiance, with Normalized Root Mean Squared Errors of 0.7–5.8% and 1.4–12.2%, respectively. Energy losses due to obscuration corre-sponded between 20–40% for Global Horizontal Irradiance and 25–50% for Direct Normal Irradi-ance over Chilean territory.
Analyzing the potential for solar thermal energy utilization in the Chilean copper mining industry
(2020) Quinones, G.; Felbol, C.; Valenzuela, C.; Cardemil Iglesias, José Miguel; Escobar Moragas, Rodrigo
Annual thermoeconomic analysis of a Concentrating Solar Power plus Photovoltaic plus Multi-Effect Distillation plant in northern Chile
(2020) Mata Torres, Carlos Enrique; Palenzuela, P; Zurita Villamizar, Adriana; Cardemil Iglesias, José Miguel; Alarcón Padilla, D. C.; Escobar Moragas, Rodrigo
Assessing the performance of hybrid CSP. + PV. plants in northern Chile
(2016) Starke, Allan R.; Cardemil Iglesias, José Miguel; Escobar Moragas, Rodrigo; Colle, Sergio
Assessing the performance of novel molten salt mixtures on CSP applications
(2024) Starke, Allan R.; Cardemil Iglesias, José Miguel; Bonini, Vinicius R.B.; Escobar Moragas, Rodrigo; Castro Quijada, Matías Daniel; Videla Leiva, Álvaro Rodrigo
The use of molten salt mixtures as a storage medium in Concentrating Solar Power (CSP) plants has been shown to have a significant impact on increasing the reliability of CSP plants and reducing the levelized cost of energy. In this context, the present work presents the implementation of a detailed simulation procedure that contemplates different design considerations for the Rankine cycle to maximize its efficiency according to the temperature constraints established by utilizing different molten salt mixtures. To achieve this, three commercial CSP plant configurations were considered: an indirect coupling using parabolic trough collectors (PTC) with thermal oil as field heat transfer fluid (HTF) and molten salts as the storage medium, a direct coupling of PTC using molten salt as HTF and storage medium, and a central receiver plant (solar tower). The analysis considers the integration strategy between the solar system and the thermal storage, where all of those configurations considered the integration of the two-tank (hot/cold) approach. The analysis enables the development of an accurate estimation of the economic performance of changing the HTF in CSP plants, as well as the assessment of the parasitic consumption due to freezing protection systems, the effect of increasing the current field temperature, and the effect on the plant’s capacity factor. The results show that the improvement in conversion efficiencies associated with salt mixtures operating at higher temperatures induces a higher electricity generation; however, such improvement is not compensated by the material change costs within the specified considerations.
Assessment of time resolution impact on the modeling of a hybrid CSP-PV plant
(2020) Zurita Villamizar, Adriana; Mata Torres, Carlos Enrique; Cardemil Iglesias, José Miguel; Escobar Moragas, Rodrigo
Comparison of energy scenario alternatives for Chile
(2020) Simsek, Yeliz; Sahin, H.; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Santika, W. G.; Urmee, T.; Escobar Moragas, Rodrigo
Compatibility assessment of thermal energy storage integration into industrial heat supply and recovery systems
(2024) Wolde Ponce, Ian; Cardemil Iglesias, José Miguel; Escobar Moragas, Rodrigo
Thermal energy storage (TES) systems can be used for recovering industrial waste heat and increasing energy efficiency, especially when coupled to batch thermal processes. Stratified water thermal storage tanks are the preferred technology for low-temperature applications, while molten salts are commonly used in medium and high-temperature applications with large storage capacities. No clear consensus exists on the appropriate TES technology for different industrial demands characteristics and their respective heat supply systems for medium and high-temperature applications. The present study analyzes several industrial sectors and their thermal processes, analyzing their temperature ranges, heat demands, and available TES technologies, which are classified by their operational conditions. The study presents two novel indicators for a preliminar compatibility assessment between TES and industrial sectors: a temperature compatibility indicator and exergy efficiency for TES and thermal processes. The results show that low and medium-temperature applications such as food, chemical, or textile industries exhibit high compatibilities with water (over 64%), high-temperature PCM (over 61%), and solid-state TES (100%), whereas molten salts and chemical looping demonstrate lower compatibility (below 24%). The exergy analysis for industrial cases shows that a lower temperature operating range for a TES induces low exergy efficiency. Regarding this scenario, high-temperature cPCM reaches efficiencies of over 44% for mid and high-temperature processes. Conversely, solid-state TES emerges as the most viable option for integration in high-temperature industries, exhibiting an efficiency of 62% with minimal exergy losses. The indicators defined in this study can be used for an early evaluation of TES integration in industrial applications, thus promoting emerging technologies selection through a quantitative comparison of the compatibility metrics.
CSP plus PV hybrid solar plants for power and water cogeneration in northern Chile
(2017) Valenzuela, C.; Mata Torres, Carlos Enrique; Cardemil Iglesias, José Miguel; Escobar Moragas, Rodrigo
Datos climatológicos de Chile para la elaboración del modelo Chile-SR
(2011) Zanolli de Solminihac, Juan Francisco; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Dada la situación de escases de energía y de falta de diversificación de la matriz energética que posee Chile, es que se busca la forma de explotar el abundante recurso solar presente en el territorio. Para ello es necesario contar con datos primarios de radiación, los que actualmente sólo se encuentran excepcionalmente para algunas localidades de Chile. El objetivo del siguiente trabajo es obtener los mapas de parámetros climatológicos para ser entregados al modelo de estimación de radiación solar en la superficie terrestre del territorio chileno Chile-SR. El citado modelo requiere los datos de temperatura, humedad relativa, visibilidad y albedo de superficie, de ser posible en una resolución de pixeles de 1 km. por 1 km. Estos datos serán complementados con información satelital y mapas de alturas en la misma resolución para finalmente obtener la estimación satelital del presupuesto de radiación para cada pixel.
Detection and characterization of cloud enhancement events for solar irradiance using a model-independent, statistically-driven approach
(2020) Castillejo Cuberos, Armando; Escobar Moragas, Rodrigo
Cloud enhancement events are instances in which the cloud pattern increases global horizontal irradiance on the ground above levels higher than would otherwise be expected during clear sky with cloudless conditions, and in general, these events are characterized by high irradiances occurring during highly changing transient conditions. Even though it is a well-known although infrequent phenomenon, currently no consensus exists as to its formal definition. However, several studies point out to a need for a better understanding of this phenomenon due to their effects on mathematical models or photovoltaic systems behavior during these instances, as results show significant deviations with respect to the expected results in normal conditions. Due to these issues, the present work intends to explore cloud enhancement definitions and detection methods, for which a novel model-independent, statistically-driven approach is proposed and compared to three other models found in the literature. Assessments are made regarding the main aspects of the phenomenon: frequency of occurrence, clearness index, diffuse fraction and its relationship with solar resource variability. Data from eight measurements sites throughout Chile, with different climatic characteristics is used. To further support the analysis made, monthly maximum expected clear sky irradiance for each site was estimated through satellite-based data as well as with estimation from ground measurements. Finally, the highest irradiances are presented for each measurement site reporting, the record irradiances for one-minute data thermopile and photodiode pyranometers.
Determinación del índice de cobertura efectiva de nubes para la estimación de radiación solar incidente en Chile
(2011) Boetto Halcartegaray, Cristóbal; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En el marco del proyecto FONDEF D08i1097 cuyo objetivo es evaluar el recurso solar en Chile, se implementó un modelo físico de estimación de radiación solar para el territorio chileno llamado CHILE-SR, que nace de una adaptación del modelo BRASIL-SR. El coeficiente de cobertura efectiva de nubes (CCIeff) es uno de los parámetros de mayor relevancia en los modelos de estimación de radiación al momento de definir las condiciones atmosféricas particulares de una determinada zona.
Developing a decision tool to select locations and characteristics of parabolic trough concentrator plants in Chile, based on the levelized cost of energy
(2010) Hänel, Matías A.; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Dada la demanda actual de energía, su proyección futura de crecimiento y que Chile es un país importador de combustibles fósiles, es interesante evaluar la posibilidad de instalar plantas de potencia que usen energías primarias renovables y de disponibilidad local. Una de las tecnologías para producción de energía prometedoras es la energía solar de potencia, especialmente la de concentradores cilindro-parabólicos, que tiene mayor experiencia comercial que otras tecnologías. Esto se puede ver en las plantas SEGS en Estados Unidos y otras en el mundo. Se suma además que Chile es reconocido como un país con uno de los mejores niveles de radiación en el mundo. El alcance de la tesis es evaluar termodinámicamente diferentes modelos de plantas solares, con ciertas características en común, para poder realizar comparaciones. También realizar una comparación económica para entender como las distintas configuraciones se relacionan con los costos de las plantas. De los modelos térmicos y económicos estudiados, se creó una herramienta de selección. Esta herramienta es útil para seleccionar el tipo de planta y el área optima de la misma, basado en la irradiación especifica anual del lugar donde está planeada la planta. La herramienta está basada en el costo nivelado de la energía, precio que revela el valor presente del proyecto. Las principales conclusiones basadas en el LEC son que existe un modelo óptimo, para distintos niveles de radiación. Este modelo óptimo tiene a su vez un área de apertura de colectores, que es inversamente proporcional a la radiación del lugar. La disponibilidad de sistema de respaldo fósil puede bajar el LEC en lugares con niveles de radiación menores, pero puede subir el costo de la electricidad para lugares con mayor radiación. La variabilidad en la radiación también fue estudiada y se concluye que la dispersión del LEC es menor si se sobredimensiona el área de colectores, por lo que para el caso de tener incertidumbre se recomienda aumentar el área de colectores.
Diffuse fraction estimation using the BRL model and relationship of predictors under Chilean, Costa Rican and Australian climatic conditions
(2019) García Rojas, Redlich Javier; Alvarado, Natalia; Boland, John W.; Escobar Moragas, Rodrigo; Castillejo Cuberos, Armando
Diseño de una planta de poligeneración solar con colectores lineales fresnel para generación de electricidad, frío y calor para procesos industriales y agua desalinizada
(2016) Felbol Acuña, Carlos José; Escobar Moragas, Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La alta demanda de energía en Chile es un problema ampliamente discutido, así como la posibilidad aprovechar el recurso solar como una solución a este problema dado el alto potencial de radiación que posee el norte del país. Además, dicha zona del país presenta graves problemas de abastecimiento de agua potable por la escasez de este recurso debido a sus condiciones climáticas. Una solución a estas problemáticas consiste en la utilización del recurso solar para la generación de electricidad con plantas termosolares, y para la obtención de agua mediante plantas desalinizadoras, donde además el recurso solar puede utilizarse para la generación de frío mediante refrigeración solar con ciclos de absorción y la generación de calor para procesos industriales. Este trabajo desarrolla un esquema de poligeneración utilizando una planta de concentración de solar de potencia de 50MW a la que se han acoplado los módulos de desalinización, generación de frío y calor para procesos industriales.Se seleccionó la tecnología de colectores lineales Fresnel para la concentración, la desalinización por multi-efecto, un ciclo de absorción de doble efecto para la refrigeración y un intercambiador de calor para alimentar la demanda de calor de procesos, modelando la planta en régimen transitorio para un período de un año en el software TRNSYS. Además, se consideró un sistema de almacenamiento térmico y un sistema de respaldo fósil para mantener la autonomía de la planta durante 24 horas. Se realizó un análisis del caso base, distinguiendo como afecta la integración de cada módulo el funcionamiento de la planta. Asímismo, se obtuvieron resultados en términos energéticos y económicos para los diferentes escenarios. Además, se determinó las condiciones para el diseño de la planta, llegando a una fracción solar de más del 52%, con la capacidad de producir más de 32.000 m3/día de agua, enfrentando demandas considerables de refrigeración y calor en la industria.

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