3.01 Escuela de Ingeniería

Permanent URI for this community

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

Browse

Now showing 1 - 20 of 35

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, Alvaro Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
In the pursuit of reducing the levelized cost of electricity (LCOE) in concentrated solar power (CSP) plants, the search for working fluids (WF) capable of withstanding higher temperatures than current nitrate-based solar salt has emerged. This endeavor aims to enhance generation efficiency without increasing system costs. Despite consensus favoring chlorides for the new system, challenges such as high melting points and extreme corrosiveness of low-melting-point chlorides (e.g., NaCl-KCl-MgCl₂) have hindered the evolution of this technology. This research proposes a systematic transition from the current solar salt to an equimolar salt mixture of NaNO₃, KNO₃, NaCl, and KCl. The thermophysical properties of these salts were assessed using standard methods and methodology such as DSC for melting point and heat capacity, TGA for degradation temperature, Archimedean method for mass density, and rotational viscometry for viscosity. Results revealed improved properties with increased chloride content up to 50 mol% Cl, showcasing lower melting temperatures with less than 30 mol% Cl, and degradation temperatures reaching 642 °C with 50 mol% Cl, compared to 592 °C for the base case. The addition of chloride also enhances energy density, though concerns arise regarding viscosity at low temperatures and high chloride content.The corrosion rate (CR) and mechanisms associated with chloride-containing salts in 304L stainless steel were investigated at 500 °C for up to 21 days. CR was determined using gravimetry, while the morphology, chemical composition, and microstructure of the corrosion products were characterized using XRD, FESEM-EDS, and GD-OES. Exposure to molten salt with 0 mol% Cl (solar salt) resulted in negligible corrosion. The salt with 14 mol% Cl produced a stable corrosion product with a rate 30 times higher than the chloride free salt. All quaternary salts exhibited a multilayer structure with selective chromium (Cr) removal. Salts with more than 29 mol% Cl showed similar structures with Cr and iron (Fe) removal, leading to more brittle layers and higher corrosion rates (90 to 250 times). Cl diffusion into the oxide layer was confirmed, highlighting the roles of Cl₂(g) and O₂(g) in driving corrosivity. Using salts with 29 mol% Cl at 500 °C is discouraged, while using 304L with 14 mol% Cl in a cold tank may be viable. The salt with 14 mol% Cl content exhibited homogeneous corrosion at 100 µm/year. In contrast, salts with 29 and 50 mol% Cl content displayed localized corrosion, with rates of 280 and 755 µm/year, respectively, after 21 days at 500 °C in an open atmosphere.Potentiodynamic polarization sweep studies on 304L and 316L stainless steels, as well as on Haynes 230 and Hastelloy C-22, in the presence of three selected salts, revealed that superalloys Haynes 230 and Hastelloy C-22 demonstrated remarkable insensitivity to escalating chloride content. Furthermore, Hastelloy C-22 exhibited greater resilience, attributed to its higher molybdenum (Mo) content compared to the tungsten (W) content in Haynes 230, making it a promising material for CSP Gen3.Performance evaluations of the proposed CSP salts, utilizing a tailored TRNSYS library with SAM and DELSOL3 in a MATLAB framework, revealed increased generation efficiencywhen using these proposed quaternary salts. However, considering cost factors, incorporating chlorides and new materials reduced the LCOE to values similar to less thermally stable or more expensive nitrates. While the higher risk may not justify the limited benefits of quaternary salts, this transition path aligns with the stepwise methodology devised by NREL to encourage a gradual Gen3 transition and control investment risk. Therefore, further corrosion and material compatibility studies are necessary to determine the appropriate cost of replacing components and assess its impact on the LCOE through long trial assays
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.
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.
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.
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.
Energía y sociedad: el impacto del COVID-19 en el sector eléctrico de Iberoamérica y el desarrollo del mercado de generación distribuida en Chile
(2023) Aguirre Macías, Gerson Andrés; Watts Casimis, David; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La energía ha sido el centro de la sociedad y su desarrollo. La pandemia del COVID-19 trajo consigo cambios en los patrones de consumo de electricidad, la demanda residencial aumentó debido al confinamiento, y los sectores más vulnerables de la población cayeron en “pobreza energética”. Las autoridades implementaron urgentemente políticas que permitieron garantizar la continuidad del servicio durante la emergencia sanitaria, evidenciando la influencia positiva que las regulaciones tienen en los mercados eléctricos. De forma similar, el planeta actualmente vive una emergencia climática, las autoridades tienen el poder para influir no solo en cómo consumimos energía, sino también en cómo la generamos. La generación distribuida es una forma de generación de energía en medio de la comunidad y ha ganado fuerza como modelo de negocio en la última década. Por tanto, debemos conocer las políticas que incentivan la instalación de sistemas fotovoltaicos en la comunidad. Este trabajo emplea la metodología de investigar los marcos regulatorios de mercados eléctricos internacionales para hallar cuáles son las mejores políticas aplicables en Chile y la región, tanto para enfrentar con mayor rapidez situaciones similares a una pandemia o desastre natural en el futuro, como para desarrollar el mercado de generación distribuida en Chile y mitigar los efectos del cambio climático. Luego de revisar regulaciones de 22 países, los resultados indican que la prohibición de desconexión del servicio eléctrico, facilidades de pago de la factura eléctrica, y la reducción de la tarifa eléctrica, fueron las prácticas más usadas para enfrentar al COVID19, las cuales deben focalizarse a los más vulnerables. Por otra parte, el mercado de prosumidores de Chile tiene problemas de financiamiento, inexperiencia de instaladores, baja resiliencia de distribuidoras, estructuras tarifarias, asignación de costos de conexión, entre otros, para lo cual ofrecemos soluciones con base en la experiencia internacional.
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.
Estudio de desacoplamiento del consumo de energía eléctrica y la producción de cobre de plantas concentradoras en Chile
(2024) Hernández Carrasco, Loreto; Videla Leiva Álvaro; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La presente investigación se realizó con el objetivo de estudiar la disminución del consumo de energía eléctrica en la industria del cobre mediante la implementación de estrategias de eficiencia energética. Se identificaron los puntos de consumo eléctrico más importantes y se evaluaron alternativas de eficiencia. Dentro de las acciones evaluadas se consideraron la implementación de pre – chancado y la optimización de aspectos operacionales en la concentradora. Se estudiaron similitudes entre plantas concentradoras que operan actualmente en Chile para definir un caso utilizado como referencia. Se realizaron simulaciones de procesos para cuantificar la reducción del consumo especifico de energía respecto al caso base definido al aplicar las oportunidades de eficiencia identificadas, por separado y en conjunto. A través de las simulaciones se estimó que entre las tres oportunidades de eficiencia simuladas (pre chancado, optimización del diámetro de bolas y optimización del tamaño de transferencia) la mayor reducción se podría obtener al implementar el pre – chancado, con una reducción potencial del 11.7% de consumo especifico de energía. El mejor resultado en cuanto a reducción de CEE se obtiene al implementar el pre – chancado en conjunto con la optimización del tamaño de transferencia. Los resultados aquí obtenidos son favorables y permiten cuantificar el posible efecto de implementación de estas acciones de eficiencia en una planta concentradora de cobre en Chile. La incorporación de las estrategia estudiadas en todas las plantas concentradoras hoy activas podría reducir en conjunto el consumo energético de la industria en 14% por año equivalente a 2240 GWh anual en promedio en los próximos 9 años.
Generation and transmission expansion planning towards a zeroemission grid under flexibility and inertia requirements in the chilean electric power system
(2024) Aguad Silva, Matías Vicente; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En las últimas décadas, un desafío importante que ha emergido es la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero antropogénicos, y la red eléctrica emerge como un fuerte candidato para acercarse a ese objetivo. Para diseñar redes con esto en mente, los modelos de planificación de expansión de generación y transmisión aparecen como herramientas poderosas que permiten la proyección de redes de energía para probar inversiones óptimas, políticas y decisiones operacionales. Este trabajo apunta a modelar dos componentes que serán cruciales para las redes eléctricas con cero emisiones, la inercia y el almacenamiento de largo plazo con sus requerimientos de flexibilidad. Estos son incluidos usando un despacho anual con resolución horaria bajo un modelo de optimización completamente lineal usando una versión modificada de la herramienta de planificación SWITCH. Aplicamos este modelo a una versión simplificada de la red de transmisión de Chile con potenciales tecnologías de generación locales, con parámetros, actuales y proyectados, usados por el Coordinador Eléctrico Nacional. Con esto, 4 escenarios fueron analizados, incluyendo uno de baja inercia en la red, una planificación de expansión de generación sin desarrollo de la red de transmisión, y una expansión de generación a 2040 para ser comparados con un caso de estudio base. Encontramos sinergias entre tecnologías en el despacho de generación renovable usando varias opciones de almacenamiento. Además, refuerzos en líneas de transmisión aparecen como un componente vital, permitiendo una alta penetración de fuentes renovables a un bajo costo. Finalmente, concluimos que una red de baja inercia con reservas de respuesta rápida es una opción razonable que no aumentan los costos finales del sistema en gran medida.
Hydrogen production economics : a compound real options analysis
(2022) Ovalle Parot, Tomás; Sauma Santis, Enzo Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Muchos países ya han desarrollado políticas y estrategias para una economía verde del hidrógeno y, en consecuencia, el sector privado ya ha iniciado proyectos para producirlo. Dada la gran incertidumbre que conlleva un proyecto de este tipo, este trabajo propone una metodología para estimar el valor de añadir tanto la flexibilidad de retrasar algunas de las inversiones asociadas al proyecto como la flexibilidad de ampliar la capacidad de generación de energía renovable y la capacidad de producción de hidrógeno como decisiones separadas. En concreto, utilizamos un método llamado Compound Least Squares Monte Carlo, que puede servir para aplicar el análisis de opciones reales a los procesos de decisión de inversión en varias etapas. Ilustramos la metodología propuesta utilizando un caso hipotético, basado en el norte de Chile. Nuestros resultados numéricos muestran que, en el 86,74% de los casos, es óptimo invertir en una planta de producción de hidrógeno, realizando una inversión multietapa en energías renovables y luego en capacidad de producción de hidrógeno verde en el 100% de estos escenarios. En el resto de los casos, nuestros resultados sugieren invertir únicamente en capacidad de generación de energía renovable. Además, el Valor Actual Neto esperado del proyecto que permite las inversiones compuestas es un 1.186,5% más rentable que un enfoque que obliga al inversor a tomar todas las decisiones de inversión en un solo período.
Impacts of hydrogen demand and climate policy scenarios on the Chilean integrated hydrogen-electricity network
(2022) Jorquera Copier, Javier Andrés; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
A medida que los países actualizan sus ambiciones climáticas, buscan soluciones rentables para descarbonizar el uso energético. En este contexto, la producción y uso de hidrógeno bajo en carbono presenta oportunidades para reducir emisiones y desarrollarse económicamente, y estudios recientes muestran beneficios potenciales de integrar redes de electricidad e hidrógeno. Usando un nuevo modelo de optimización matemática, realizamos un estudio de caso para Chile en 2020-2050 para evaluar la evolución de menor costo del sistema integrado de hidrógeno-electricidad, probando diferentes precios del carbono, mandatos de 100% renovables, e incorporando demanda de hidrógeno nacional e internacional. Optimizando en varios escenarios, encontramos que, dado el importante potencial renovable y a la flexibilidad que los electrolizadores proporcionan al sistema, añadir exportaciones de hidrógeno al consumo doméstico puede aumentar la integración renovable, sin necesariamente aumentar los precios de la electricidad para los clientes típicos (comparado con nuestro caso base), pero también hace que invertir en baterías no sea atractivo. Además, concluimos que las políticas climáticas pueden ser cruciales para lograr un sistema totalmente renovable en 2050 y reducir las emisiones acumuladas, lo que resulta en costos del sistema 3-14% mayores. Por último, discutimos que los responsables políticos deberán considerar diversos aspectos, como el uso de agua y suelo.
Integración de la operación de embalses multipropósito en sistemas hídricos a escala de cuenca y sistemas eléctricos de gran escala
(2023) Durán Flores, Antonia Ignacia Paz; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Vicuña Díaz, Sebastián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los fenómenos climáticos, particularmente las sequias hidrológicas, han impulsado un cambio de paradigma en las estrategias de planificación de embalses. La operación de embalses multipropósito juega un papel fundamental en la gestión de los recursos hídricos almacenados, apoyando diversas actividades como la generación de electricidad y el riego agrícola. Con el objetivo de analizar la planificación y simulación de los sistemas de energía y agrícolas, se propone un enfoque integrado que combina un modelo de coordinación hidrotérmica y un modelo de gestión de recursos hídricos. La metodología permite evaluar en diferentes escenarios hidrológicos las políticas que definen la operación de un embalse multipropósito y su desempeño. Además, se realiza una modificación a esta política, mejorando la prioridad al sector agrícola y se evalúa su efecto frente a variaciones hidrológicas en lo afluentes. Esta metodología se desarrolla en lago Laja, un embalse multipropósito relevante en capacidad de generación hidroeléctrica y con grandes extensiones de predios para riego. Con perspectiva hacia el año 2025, los resultados demuestran que los cambios hidrológicos impactan directamente en el desempeño eléctrico y agrícola, ya que las condiciones de sequía conducen a un aumento en la generación térmica, los costos, la intensidad de emisiones y los déficits. Además, la modificación de la política revela trade-offs entre la intensidad de emisiones del sector eléctrico y los déficits agrícolas, donde los escenarios secos indican que mejorar la confiabilidad agrícola resulta en un bajo costo de emisiones, incentivando a promoción de políticas que estén alineada con los objetivos de carbono neutralidad.
Modelo de coordinación hidrotérmica estocástica de mediano plazo con incorporación de efectos operacionales de corto plazo para sistemas eléctricos e hídricos de gran escala
(2022) Navarro Casamayor, Andrés; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Olivares Quero, Daniel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La alta integración de fuentes renovables variables en sistemas eléctricos conlleva una serie de desafíos propios de su intrínseca variabilidad. Uno de ellos es valorizar correctamente el agua presente en los sistemas, considerando la flexibilidad que esta puede otorgar al sistema. En este sentido, la modelación de mayores detalles operacionales es fundamental de cara al futuro eléctrico renovable. En este contexto, en este trabajo se propone un modelo de programación estocástica multietapa de mediano plazo para el problema de coordinación hidrotérmica resuelto con el algoritmo SDDP. Este incluye una serie de restricciones operacionales y expresiones matemáticas simplificadas de efectos operacionales que permiten valorizar correctamente el agua en los sistemas al considerar, entre otras cosas, la flexibilidad necesaria para la operación del sistema. Sumado a esto, la incertidumbre hidrológica es modelada mediante un modelo vectorial autoregresivo, el cual permite capturar correlaciones espacio-temporales entre los diferentes afluentes. Se propone también un método de calibración de las expresiones matemáticas simplificadas de efectos operacionales, el cual permite relacionar un modelo de corto plazo detallado con el modelo lineal de mediano plazo propuesto. Mediante la aplicación con el Sistema Interconectado Central de Chile, se encontró que la diferencia entre los costos esperados de operación del modelo de mediano plazo propuesto ya calibrado, y los costos obtenidos mediante un modelo detallado semanal fueron de solo un 0.1%, frente al 9.3% de diferencia que existe al comparar con el modelo base. Esto se ve reflejado en los costos del agua, donde se ven aumentos de un 34% en promedio.

Browse

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

Results Per Page

Sort Options