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A radiation-tolerant, 1 GSPS switched capacitor array for a particle physics experiment
(2022) Campeny, Agustín; Abusleme Hoffman, Ángel Christian; Kuleshov, Sergey; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En la medida que los experimentos de física de partículas se han vuelto más complejos y ambiciosos durante los últimos años, con ejemplos como el Large Hadron Collider (LHC) or the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), estos han involucrado un mayor número de canales de detectores de partículas a ser adquiridos. Mientras que los circuitos Conversores Análogo-a-Digital (ADC) han sido la elección obvia cuando se trata de adquisición de datos, con un gran número de arquitecturas y alternativas comerciales disponibles, estos no son siempre la mejor solución en aplicaciones de señales pulsadas rápidas con un gran número de canales. Los circuitos de memoria analógica tienen la función de “estiramiento temporal” de pulsos individuales, que pueden luego ser adquiridas por un ADC más lento, ofreciendo un mejor desempeño, eficiencia de potencia y costo reducido comparado con una adquisición en tiempo real con un ADC rápido individual. El proyecto Charge Monitoring Board (CMB) para el espectrómetro de muones del experimento ATLAS en CERN tiene la función de monitorear alrededor de 40.000 canales de detectores Thin Gap Chamber contra variaciones en su nivel base, que se espera que ocurran en la actualización de alta luminosidad del LHC. Esta tesis presenta el diseño e implementación de una nueva topología de un circuito integrado de memoria analógica de arreglo de capacitores conmutados (SCA) como un dispositivo de adquisición para las CMBs, propuesta con una alternativa de baja potencia a soluciones comerciales como el chip DRS4. Simulaciones de la implementación muestran resultados prometedores con respecto a la tasa de muestreo y el consumo de potencia, y entregan una buena intuición sobre posibles optimizaciones sobre excursión de voltaje y resolución para un diseño futuro.
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
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.
Análisis de la Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde en Chile
(2023) Soto Berindoague, Camila María; Jahn von Arnswaldt, Wolfram Michael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El hidrógeno verde surge como una apuesta de vector energético, proponiéndose distintas estrategias internacionales para su desarrollo, entre ellas la de Chile. Considerando esto, el objetivo principal de este trabajo es revisar las barreras y oportunidades de la Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde en Chile. En primer lugar, se realizó un análisis cualitativo para caracterizar el contexto nacional e internacional del desarrollo de la industria del hidrógeno verde, a partir de un análisis PESTEL y FODA. Posteriormente, se desarrolló un análisis cuantitativo, evaluando técnica y económicamente una planta de hidrógeno verde referencial, considerando dos escenarios: conectado y desconectado de la red. Los resultados muestran que la principal condición habilitante en Chile para la producción de hidrógeno verde es su alto potencial de generación renovable. No obstante, las proyecciones para lograr el desarrollo de la industria nacional y la exportación a largo plazo, dependen de las condiciones del entorno, asociados a la disminución de los costos de la tecnología, la gobernanza y los procesos de certificación. Finalmente, los objetivos de la Estrategia deben definir una hoja de ruta multidisciplinaria que habilite un avance sustentable y disminuya la incertidumbre de la inversión en torno a la industria del hidrógeno verde en Chile.
Análisis del ciclo de vida del cobre en una operación minera de hidrometalurgia en la zona central de Chile
(2024) Meza Chevecich, Carolina Alejandra; Videla Leiva, Álvaro Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La metodología de Análisis de Ciclo de Vida o Life Cycle Assessment (LCA, en inglés) ha sido aplicada en diferentes industrias. Sin embargo, en la ruta de procesamiento hidrometalúrgica de cobre, aún no ha sido ampliamente estudiada y existe escasez de datos e información al respecto, especialmente en Chile. Un LCA tiene la particularidad de ser una herramienta integral que permite estudiar los impactos generados al ambiente producto de las actividades desempeñadas en la elaboración de un producto y/o servicio. Por lo tanto, el objetivo de este estudio es cuantificar, por medio de un análisis de ciclo de vida, los impactos ambientales generados por la vía hidrometalúrgica del cobre por etapa en una operación ubicada en la zona central de Chile. Las categorías de impacto e indicadores por evaluar son el potencial de calentamiento global (GWP), potencial de acidificación (AP), potencial de creación de ozono fotoquímico (POCP), formación de material particulado (PMF), demanda acumulada de energía (CED), y uso de agua (WU). Para llevar a cabo esto, se utilizará Microsoft Excel para realizar los balances y la cuantificación de las categorías, además de Tableau como herramienta de visualización de los resultados. Estos, mostraron que las categorías más estudiadas son las de potencial de calentamiento global, potencial de acidificación y demanda acumulada de energía. Además, los resultados obtenidos se encuentran dentro de los rangos registrados en la literatura. Específicamente en la categoría de potencial de calentamiento global, se pudo observar el aporte significativo de las emisiones indirectas en comparación a las directas, expresado en dióxido de carbono equivalente por cátodo de cobre producido (tCO2-e /tCu). Finalmente, aún existe el desafío de incluir otras categorías de impacto ambiental como la eutrofización, la toxicidad, y aquellos relacionados a la pérdida de la biodiversidad, además de incluir aspectos sostenibles que puedan dar una mirada holística al desempeño de las operaciones en la minería del cobre.
Análisis multicriterio para la evaluación de regulación energética en recursos energéticos distribuidos
(2024) Galilea Martínez, María José; Negrete Pincetic, Matías Alejandro; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En respuesta a la crisis climática los países han planteado diversas estrategias regulatorias para la transición energética. Dada la relación entre el sistema eléctrico y el mercado, las regulaciones que rigen el segundo tienen un impacto importante en qué tecnologías se desarrollan y la velocidad con la que se realizan cambios al sistema. Luego, resulta necesario evaluar las regulaciones implementadas. Para ello, se identificaron en la literatura las principales metodologías, entre las que destaca el uso de análisis multicriterio para la evaluación energética. En particular este análisis se ha utilizado en políticas generales de inversión en tecnologías o mixes de generación y localización de plantas. Además, se analizaron los casos de Alemania, España, Reino Unido y Chile con enfoque en las políticas implementadas para el desarrollo de recursos energéticos distribuidos (DERs) y comunidades energéticas. En base a esto, se identificaron los principales criterios utilizados por la literatura y los elementos propios de los recursos distribuidos que deben considerarse para su incorporación al sistema. Estos se ordenaron en base a los criterios: técnico, económico, sociopolítico y ambiental. Luego, lo criterios fueron utilizados para la evaluación del programa Comuna Energética implementado en Chile desde el año 2015. La evaluación destacó la importancia de la existencia de señales de localización en las regulaciones de DERs, no incorporadas actualmente. Además, se encontró que el programa entrega la posibilidad de mejorar la visibilidad de los recursos distribuidos, ha favorecido el desarrollo del mercado y se encuentra alineado con los objetivos climáticos del país. La evaluación implementada permite proponer mejoras al programa y evaluar sus siguientes versiones, además de analizar otro tipo de regulaciones relacionadas con DERs. Es de esperar que el desarrollo de recursos distribuidos continúe al alza, por lo que resulta importante mejorar la incorporación de los recursos energéticos distribuidos al sistema.
Análisis técnico-económico del reemplazo del sistema de propulsión de un vehículo liviano a uno de tecnología alternativa
(2023) González Bravo, Víctor Andrés; Jahn von Arnswaldt, Wolfram Michael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Este trabajo surge en el contexto del calentamiento global y la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El sector del transporte en Chile contribuye cerca de un 25% de las emisiones totales del país. En particular, en la Región Metropolitana de Chile, la flota de vehículos ligeros alcanzó la cifra de 1.504.177 unidades en el año 2020, donde casi la totalidad de estos funciona con motores de gasolina y diésel. Dentro de las alternativas disponibles en el mercado para reemplazar estas tecnologías, se encuentran los vehículos eléctricos, los vehículos de combustión dual, los vehículos con tecnología de celdas de combustible y los vehículos híbridos. Este trabajo busca proporcionar información para que los usuarios de vehículos ligeros puedan tomar decisiones informadas sobre la tecnología más conveniente a largo plazo. Esto implica considerar aspectos técnicos, como el rendimiento, la eficiencia y el poder calorífico del combustible, así como aspectos económicos, como el costo de adquisición, el costo de mantenimiento y el costo de combustible durante un período de 12 años. Los resultados obtenidos en este estudio indican que, cuando los costos de inversión son similares para vehículos de la misma gama y categoría, los vehículos eléctricos a batería representan la mejor alternativa. Se concluye que los vehículos eléctricos son una opción atractiva para la transición tecnológica debido a sus beneficios medioambientales y su eficiencia energética. Sin embargo, existen desafíos y riesgos potenciales como el costo de adquisición y la dependencia de la cadena de suministro de vehículos eléctricos, que está dominada por China. También la necesidad de desarrollar una infraestructura de carga eficiente y asequible, considerando además que el origen de la energía debe ser renovable. Se mencionan alternativas como el uso de combustibles sintéticos para lograr la neutralidad de carbono o la incipiente tecnología de hidrógeno, que aún no cuenta con la madurez tecnológica, la infraestructura y la viabilidad económica necesarias para su adopción generalizada a nivel local.
Análisis tecno-económico para el diseño de una planta productora de amoníaco verde en el norte de Chile
(2024) Van Wersch Amenábar, Nicolas José; Sauma Santis, Enzo Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El amoníaco renovable ha emergido en los últimos años como una solución prometedora para el almacenamiento de energía limpia y la mitigación de la intermitencia de las fuentes renovables. Chile, con su abundante potencial energético renovable tanto en el norte como en el sur, se ha posicionado como un actor clave en esta área. Este estudio presenta un análisis tecno-económico detallado para el diseño de una planta productora de amoníaco verde en el norte del país, aprovechando el potencial solar de la zona. Se propone una metodología rigurosa para diseñar y dimensionar los componentes de la planta, con el objetivo de minimizar tanto los costos de inversión y operación como las perdidas energéticas. Para evaluar la viabilidad económica del proyecto, se calcula el costo nivelado del amoníaco (LCOA) proyectado al ano 2060, con la particularidad de que la planta se encuentra aislada de la red y su fuente energética corresponde exclusivamente a paneles fotovoltaicos. Los resultados obtenidos indican que este proyecto puede ser rentable a futuro, con valores de LCOA que fluctúan entre los 353 y 365 dólares por tonelada de amoníaco producida, dependiendo de los escenarios climáticos y tecnologías de almacenamiento consideradas. Se concluye que la flexibilidad operativa de la planta es fundamental para garantizar su viabilidad económica, destacando la importancia de los estanques de almacenamiento de nitrógeno e hidrógeno como actores clave para lograr este objetivo.
Arm link enhanced modular multilevel converter for low voltage and variable frequency applications
(2023) Aguilar Villaseca, Rodrigo Ignacio; Pereda Torres, Javier Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El Conversor Multinivel Modular (MMC) ha tomado mucho interés por parte de la investigación y la industria debido a todos sus beneficios. Su modularidad, escalabilidad, calidad de formas de onda y eficiencias han mostrado claras ventajas sobre otras topologías multinivel, y lo hacen ideal para aplicaciones de medio y alto voltaje. Sin embargo, no está exento de desafíos: su gran cantidad de capacitores requiere un control complejo para balancear la energía, además de necesitar un gran espacio debido a las altas capacitancias. Debido a esto, el MMC no es considerado para aplicaciones de bajo voltaje, donde además el gran número de semiconductores no justifican su costo. Este trabajo presenta un análisis más profundo y la validación de una nueva topología propuesta, llamada Arm Link Enhanced MMC (ALE-MMC). Esta extiende el MMC a aplicaciones de bajo voltaje y de frecuencia variable mediante el uso de Dual Active Bridges (DAB) para permitir el flujo de potencia entre submódulos (SM) de una misma pierna. Se presenta la nueva topología y se estudia su operación considerando la supresión de la corriente circulante, mostrando que no se necesita emplear medición de voltaje para funcionar adecuadamente y la capacitancia del SM puede ser reducida. A continuación, se estudian todos los problemas a considerar debido a la implementación del DAB entre SMs. Se hace énfasis en la corriente que debe manejar y en los efectos de la frecuencia variable en la topología, con y sin control de corriente circulante. Para validar el esquema propuesto y el análisis teórico desarrollado, se simula el ALE-MMC trifásico para probar el correcto funcionamiento, evaluando su comportamiento ante distintos escenarios y comparando con el esquema propuesto. Seguido, se emplea un prototipo experimental del ALE-MMC monofásico para validar su operación en la práctica, también ante distintos escenarios para poder confirmar en análisis hecho. Finalmente, se comentan los resultados además de proponer mejoras para futuros trabajos con el conversor.
Co-optimization of electric networks and integrated water supply systems: joint planning as a cost-effective solution for water-scarce areas
(2023) Andrade Hernández, Sebastián Alejandro; Sauma Santis, Enzo Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Dado el creciente uso de la desalinización para satisfacer las demandas de agua, especialmente en regiones áridas, una solución costo-efectiva es la adopción de un sistema integrado de suministro de agua compartido por varios usuarios. Reconociendo las similitudes entre agua y energía, y la naturaleza intensiva en energía de la desalinización, este estudio explora el nexo agua-energía, aplicando técnicas de planificación energética a la planificación de redes de agua desalinizada, optimizando ambos recursos de manera conjunta. Aborda factores complejos, como restricciones de transmisión, generación descentralizada, estacionalidad, factores de capacidad horarios, perdidas por fricción en tubería de agua, y diversas tecnologías de generación y desalinización, dentro de un modelo lineal co-optimizado. Se realiza un caso de estudio en la región de Antofagasta para validar el modelo, caracterizada por su escasez de agua, un abundante potencial renovable y puntos de demanda en altitudes elevadas, proyectados hasta 2050. El análisis también evalúa la preparación de una red de desalinización integrada para satisfacer las demandas de agua. Los principales hallazgos destacan la importancia de considerar las leyes de Kirchhoff al planificar redes integradas de agua y energía, especialmente cuando los costos de transporte de agua son sustanciales, ya que esto lleva a resultados económicos superiores comparándolos con enfoques no cooperativos. Si bien las perdidas por fricción representan una fracción relativamente menor del consumo de energía, influyen significativamente en el tiempo de las inversiones. Notablemente, la región de Antofagasta no está preparada para satisfacer toda su demanda de agua y su demanda de energía asociada. Al año 2050, la desalinización podría contribuir hasta un 17% del total de la demanda energética en la región, resaltando la necesidad de políticas efectivas para abordar este desafío.
Consensus-based distributed control for inter-cluster balance in modular multilevel converters
(2024) Bravo Kong, Ignacio En-lai; Pereda Torres, Javier Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las características estructurales y de operación del Convertidor Modular Multinivel (MMC) lo establecen como una topología crucial para una variedad de aplicaciones de media y alta tensión en el contexto de convertidores de potencia. Su estructura, compuesta por la interconexión de submódulos de baja potencia, permite un ajuste flexible de su voltaje de operación, lo que resalta sus importantes propiedades de modularidad y escalabilidad. Sin embargo, este tipo de convertidores normalmente se implementan utilizando un esquema de control centralizado, lo que restringe los beneficios de la modularidad y escalabilidad en su operación. Para abordar este problema, esta tesis propone un esquema de control distribuido basado en consenso para un MMC trifásico. Los objetivos de control se logran empleando Controladores Locales (LCs) en cada clúster del convertidor, los que operan en conjunto con un único Controlador Central (CC). Un algoritmo de consenso es implementado para lograr el balance de energía entre los clústeres del MMC por medio del control de las corrientes circulantes del conversor. Esta estrategia utiliza variables de consenso compartidas por los LCs a través de un canal de comunicación designado, para así balancear los voltajes de los capacitores de los submódulos. Esto reduce la carga computacional del CC en comparación con el escenario centralizado de control. Esta tesis analiza las estrategias de control propuestas y el diseño de las tareas de control necesarias para la correcta ejecución del esquema de control distribuido basado en consenso. El funcionamiento del MMC utilizando este esquema de control se valida mediante simulaciones y resultados experimentales, verificando que el balance de voltaje de los capacitores se logra bajo diferentes condiciones de operación.
Control intra-cluster para M2C de bajo voltaje con almacenamiento parcial y tolerancia a fallas en las baterías
(2022) Rubio Barros, Francisco Javier; Pereda Torres, Javier Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los sistemas de almacenamiento de energía conectados a la red poseen un rol fundamental en la integración de energías renovables variables a la matriz energética, debido a que pueden proveer servicios complementarios, tales como regulación de frecuencia y gestión de carga. En la actualidad, la integración sistemas de almacenamiento de segunda vida, que naturalmente poseen una probabilidad de falla mayor a las baterías nuevas, depende crucialmente de como una eventual falla puede impactar la capacidad del sistema de almacenamiento. Los sistemas de almacenamiento de energía comerciales se basan en gigantescos paquetes baterías que se conectan a la red a través de inversores, careciendo de modularidad y generando grandes barreras de entrada al uso de baterías de segunda vida. Los Conversores Modulares Multinivel en Cascada con almacenamiento integrado surgen como una opción interesante a esta problemática. Esta tesis propone un conversor modular multinivel con almacenamiento parcialmente embebido utilizando baterías de segunda vida. Además de un control adecuado y la conexión de clusters en paralelo para aplicaciones de bajo voltaje y alta corriente. Primero se presenta una revisión y un análisis profundo de las aplicaciones, topologías, distribución del almacenamiento, ventajas y desventajas. Este análisis concluyó que la mayoría de los M2C-BESS con almacenamiento parcial propuestos en la literatura son para aplicaciones de HVDC, por lo que no se han desarrollado controladores ni topologías adaptadas que usen una etapa de modulación que permita balancear los estados de carga de las baterías sin inyectar armónicos no determinísticos de voltaje a la red en aplicaciones de bajo voltaje. En base a la revisión y análisis realizado, esta tesis posee dos propuestas: 1) una nueva topología M2C-BESS, con paralelización de clusters para aplicaciones de alta corriente, 2) un nuevo controlador capaz de controlar la topología propuesta y el M2C-BESS con cualquiera de sus SMs operando con o sin unidad de almacenamiento conectado a su DClink, de modo que este se pueda usar en aplicaciones de alta potencia, bajo voltaje. Finalmente, la propuesta 1) se valida mediante simulaciones al no contar con el hardware para su validación experimental, mientras que la propuesta 2) se implementa en un M2C-BESS experimental en el laboratorio, adaptado especialmente para probar las propuestas de esta tesis.
Control predictivo basado en secuencia de conmutación óptima para un conversor de tres puertos aplicado a vehículos eléctricos
(2024) Rubio Achondo, Felipe Andrés; Pereda Torres, Javier; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Multi-port power converters have a very important role today because they are used used in electromobility applications and hybrid energy storage systems (HESS). However, their optimal operation requires advanced control techniques due to the handling of multiple variables simultaneously. This thesis presents the development of an Optimal Switching Sequence (OSS) model predictive control (MPC) method applied to a three-port converter (TPC), which has been connected to an anisotropic permanent magnet synchronous machine (PMSM) and two dc voltage sources (VS). Based on a review of TPCs, classical control methods and MPC methods, the converter used with its mathematical formulation is presented. Then, theoretical principles of vector modulation and the machine for the design of the current controller are presented. The latter is based on two steps, the first one uses the dynamic model of the machine to find the optimal seven-segment witching sequence (7S-SS) that reduces the value of an objective function without using weighting factors and the second one uses the redundant vectors (zero vectors) optimally distributed to control the current in another of the ports.The results validate the method by experimental and simulation tests. The strategy presents a defined harmonic distortion, without sacrificing the dynamic response. In addi tion, an implementation with asymmetric modulation reduces the tracking error by 65.36% and a delay compensation reduces it by 92%. Furthermore, the new strategy manages to reduce the optimization problems to be solved by the steady-state algorithm from 6 to 1. Thus, the proposed control becomes attractive for implementation in real hybrid sys tems, which impose challenges of durability, versatility and reliability to the electrical system.
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.
Demand response business model for on-grid hydrogen projects in a centralized operation of the electrical system
(2025) Barrios Sotomayor, Vicente Tomás; Watts Casimis, David; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Esta tesis aborda el desarrollo de un modelo de negocio basado en la Respuesta de la Demanda (Demand Response, DR) para la producción de hidrógeno mediante energía eléctrica proveniente de la red dentro del contexto de la operación centralizada de los sistemas eléctricos de potencia. Se analiza la integración del hidrógeno a la red como una carga flexible que contribuye al equilibrio del sistema y a la incorporación de energías renovables, en línea con los objetivos globales de transición energética. El objetivo es evaluar cómo los electrolizadores de hidrógeno pueden participar activamente en los mercados eléctricos, respondiendo a señales del sistema, minimizando costos y permitiendo una mayor penetración de energías renovables. Además, los electrolizadores incorporados en la modelación deben cumplir con una meta diaria fija de producción de hidrógeno. Para ello, se aplica un modelo de predespacho de unidades de generación formulado como un problema de programación lineal entera mixta (MILP), que incorpora distintos tipos de electrolizadores (PEM, alcalinos, SOEC, AEM), sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), generadores renovables y restricciones operacionales del sistema. La incorporación de diversas tecnologías de electrólisis permite representar proyectos de distintas escalas, con variaciones en la flexibilidad operativa, eficiencia energética y niveles de producción de hidrógeno. Estas diferencias repercuten en la forma en que cada electrolizador responde e interactúa con las señales del sistema eléctrico, afectando su desempeño operativo y económico. Así, se busca modelar de forma realista la coexistencia de distintas soluciones tecnológicas dentro de un sistema eléctrico que integra producción de hidrógeno a partir de la red. Asimismo, se realiza un análisis FODA para evaluar el potencial estratégico y las implicancias regulatorias. Los resultados indican que la integración del hidrógeno como una demanda flexible permite a los proyectos de hidrógeno reducir los costos de producción eléctrica y los cargos por conexión a la red, desplazando el consumo hacia períodos de menor precio. No obstante, este beneficio conlleva un aumento moderado en los costos de generación del sistema, impulsado por cambios en los patrones de despacho y en los compromisos de generación. El modelo propuesto captura eficazmente esta disyuntiva y cuantifica el impacto económico de la participación del hidrógeno en el mercado eléctrico. Este enfoque demuestra su aplicabilidad práctica en países como Chile, que buscan escalar la producción de hidrógeno verde. Además, entrega recomendaciones concretas para responsables de políticas públicas, operadores e inversionistas sobre el diseño de mecanismos de mercado que fomenten la adopción del hidrógeno, resguardando al mismo tiempo la confiabilidad del sistema y la eficiencia económica.
Deployment of overnight depot charging stations for electric buses: business models, breakeven price of charging, and total cost of ownership for stakeholders
(2025) Haddad Carancio, Alexander; Watts Casimis, David; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los buses eléctricos de baterías han experimentado una rápida adopción en muy pocos países en vías de desarrollo. Además de China, Chile es uno de los países líderes en esta área, mediante la construcción de múltiples estaciones de carga en depósito en su capital, Santiago, las cuales operan utilizando una estrategia de carga nocturna. Este estudio propone un modelo de planificación de flotas de transporte público eléctrico para estimar el tamaño requerido de la flota, los horarios de los buses, la capacidad de infraestructura de carga, y los costos de carga de una manera realista para evaluar su implementación de manera económicamente factible. El modelo es implementado en dos rutas representativas en Santiago, mostrando que las flotas eléctricas conllevan un costo total de propiedad mayor que las flotas diésel bajo las condiciones actuales del mercado. Adicionalmente, se presenta un enfoque desde los modelos de negocio para analizar los roles y la incursión de costos de cada actor involucrado en la operación de buses de transporte público. Se realiza un análisis detallado del diseño y el funcionamiento de una estación de carga en depósito para realizar una evaluación económica, la cual es utilizada para calcular el precio de carga de equilibrio desde la perspectiva del operador de la estación de carga en depósito. Se analizan configuraciones de dos y cuatro buses por cargador utilizando cargadores en corriente continua de 150 kW. Los resultados indican que la migrar de cargadores de dos a cuatro conectores proporciona ahorros significativos en el desarrollo y operación de infraestructura de carga y simplifica las operaciones de la estación al cargar los buses en cola de manera óptima y automática. La instalación de sistemas fotovoltaicos distribuidos y sistemas de almacenamiento en baterías para minimizar los costos de energía, cargos por demanda y la capacidad de generación de respaldo reduce levemente los costos, pero es una segunda mejor solución en comparación con compartir la infraestructura de carga.
Desarrollo de modelo para determinación de ruta para piloto de bus de hidrógeno
(2022) Belmar Añasco, Francisco Ignacio; Videla Leiva, Álvaro Rodrigo; Lillo Gallardo, Patricio Andrés; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Una de las decisiones que se debe tomar al introducir una nueva tecnología de buses en el transporte público es el servicio en el cual realizar la implementación. Existen dos investigaciones previas relacionadas con el uso de nuevas tecnologías en el transporte público, Wenz, et al. (2021) realizaron un trabajo analizando un caso de estudio en Ecuador, mientras que Emami, et al. (2022) lo hicieron en Estados Unidos, ambos analizando la introducción de buses eléctricos a batería, generando una limitante para el caso de buses a hidrógeno. Es por esto que en esta investigación se generó un modelo que permite priorizar las rutas en las cuales se debiese implementar un bus de hidrógeno. Para esto, se utilizó un modelo multivariable considerando 5 factores que determinan la prioridad de cada una de las rutas; emisiones reducidas, pasajeros transportados, traslado por zona de interés, potencial de escalamiento de infraestructura y la factibilidad de implementación. Para conocer el peso de cada criterio es que se realizó una encuesta a expertos y expertas ya sea en hidrógeno y/o movilidad, obteniendo en total 27 respuestas. Para el caso del análisis de factibilidad, el cual es un criterio binario, se realizaron simulaciones en Python a partir del perfil de velocidad real de los buses que actualmente operan en los servicios a estudiar, las cuales permitieron simular el comportamiento del bus a lo largo del recorrido, determinando así los requerimientos de potencia del motor eléctrico, los consumos de hidrógeno y de la batería. El caso de aplicación de este modelo se realizó en 15 recorridos del Servicio de Transporte Metropolitano RED simulando la implementación del bus Xcelsior Charge H2 en su versión de 12 y 18 metros. En base al análisis realizado se pudo determinar que el recorrido en el cual se debiese implementar un proyecto piloto de buses de hidrógeno corresponde al 104.
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.
Dynamic modelling and thermal control of an integrated membrane distillation/heat pump process for hypersaline brines treatment
(2025) Valenzuela Álvarez, Benjamín Enrique; Pérez Correa, José Ricardo; Díaz Quezada, Simón Diego; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Control over membrane distillation-crystallization (MDCr) systems has gained considerable interest due to the benefits this technology offers in terms of water recovery and the concentration of hypersaline brines. This work presents the dynamic modeling and thermal control of a membrane distillation system integrated with a heat pump for energy recovery, designed for the treatment of hypersaline briners. The proposed fist-principles model, developed in MATLAB/Simulink represents an early-stage digital twin of a pilot-scale membrane distillation plant, incorporating mass and heat transfer phenomena across the membrane module and associated equipment. This system is currently under construction at the Advanced Mining Technology Center (AMTC), supporting the model’s relevance to real-world implementation and design workflows. Two control strategies were assessed to regulate the membrane and permeate temperatures: (i) a PID controller tuned using classical methods (Ziegler–Nichols and IMC-PI), and (ii) a Reinforcement Learning (RL) -based controller using a Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) agent. Both strategies were tested under realistic disturbances and structural variations in the membrane module to evaluate their robustness and adaptability. The PID control strategy resulted in energy savings of up to 45%,without significant losses in water recovery. The RL agent, trained for approximately two hours, achieved acceptable control performance, though it was outperformed by the PID strategy under the conditions tested. Results showed that the PID method outperformed the implemented RL agent by 88%. The results indicate that the PID control strategy outperformed in its ability to regulate the temperature of both tanks, while the RL controller showed potential to be used in this context. However, its performance was limited by the available computational. esources during training. This study contributes to advancing the technological maturity of membrane distillation systems by demonstrating model-based control design workflows aimed at improving scalability and energy efficiency.
Efecto de la operación real de los sistemas de almacenamiento de energía sobre su valor de capacidad
(2025) Wassermann Taylor, Benjamín Eitan; Negrete Pincetic, Matías Alejandro; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Con el aumento de la penetración de energías renovables variables (ERV), garantizar el suministro eléctrico se ha vuelto una tarea cada vez más compleja. Esto exige el desarrollo de diseños de mercado que no solo incentiven la inversión en el segmento de generación en el largo plazo, sino que también promuevan la integración de nuevas tecnologías que permitan cubrir la demanda y adaptarse a los cambios asociados a la incorporación de ERV, como lo son los sistemas de almacenamiento de energía. Indicadores como el valor de capacidad buscan cuantificar el aporte de estas tecnologías a la suficiencia del sistema y su estimación debe considerar tanto atributos físicos como condiciones prácticas de operación. Este trabajo analiza el impacto de las condiciones de operación real en el valor de capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía utilizando la metodología Expected Load Carrying Capability (ELCC). Se estudia el efecto de variables como el índice de indisponibilidad forzada (IFOR), la profundidad de descarga (DOD) y la tasa de carga y descarga (C-rate) sobre el aporte de los sistemas de almacenamiento a la suficiencia del sistema. Adicionalmente, se exploran diferencias entre escenarios actuales y futuros, demostrando que la relevancia de estas variables puede variar según la penetración de ERV no despachables y el crecimiento de la demanda en el sistema. Los resultados muestran que el valor de capacidad del almacenamiento puede variar hasta en un 25% dependiendo de las restricciones operacionales del sistema y el diseño de mercado adoptado.

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