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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, 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
Aislantes biobasados: Reducción de la huella de carbono a través del uso de subproductos de la madera en edificios residenciales en Santiago de Chile
(2023) Donoso Rosas, Leopoldo Rolando Eleuterio; Victorero Castaño, Felipe Andrés; Palma Rojas, Diego; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Arquitectura
Desde los años 70, el mundo se ha enfocado en reducir la energía operativa, entendiendo que tiene un peso importante en las emisiones de huella de carbono del sector de la construcción. Esto ha decantado en la aprobación de certificaciones o estándares a nivel nacional e internacional que promueven el uso de viviendas más aisladas. Por otro lado, la normativa chilena ha intentado reducir en parte la energía térmica de calefacción de edificaciones, principalmente mediante el aumento del aislante térmico. Esto, junto a una descarbonización de la matriz energética, pone en mayor relevancia la energía incorporada, donde al tener más aislante, mayores son las emisiones de carbono totales a considerar. El objetivo de esta tesis es buscar alternativas idóneas o viables de aislante térmico con baja huella de carbono en su etapa de producción, evaluando el uso de biomateriales como materia prima y su eficacia como aislante, frente a aislantes convencionales, sin que afecte negativamente las demandas energéticas de un edificio residencial ubicado en Santiago de Chile. Además, identificar la viabilidad y limitaciones de este elemento para adentrarse en el mercado nacional, de tal manera que pueda ser incorporado en proyectos habitacionales en el país. Para ello, se lleva a cabo una recopilación exhaustiva de datos sobre los diversos materiales aislantes, sus propiedades, ventajas y desventajas. Se presta especial atención a los aislantes biobasados con potencial en Chile. Esta información sirve como base para establecer criterios y realizar experimentos que conducen al desarrollo de un prototipo de aislante térmico basado en aserrín, el cual se compara con un aislante convencional. Luego se realiza un análisis comparativo basado en múltiples parámetros para evaluar cómo los aislantes biobasados se comparan con los convencionales, en cuanto a la demanda energética y la huella de carbono. Este enfoque permite identificar las limitaciones asociadas con los materiales biobasados y acercarse a la identificación de un elemento idóneo o viable para edificios residenciales en Santiago de Chile. Los resultados sugieren que la adopción del aislante biobasado de aserrín muestra un prometedor potencial para mejorar la eficiencia energética en la construcción y reducir la huella de carbono. Su versatilidad en diversas aplicaciones y su potencial estético, ofrece un camino prometedor para lograr su adopción exitosa en el mercado chileno. No obstante, su éxito requerirá superar desafíos técnicos y económicos, así como cumplir con las regulaciones y estándares de seguridad establecidos en Chile. Asimismo, será esencial que la normativa, respaldada por políticas públicas, considere y promueva alternativas más sustentables e informadas en relación con los materiales utilizados en la construcción, con el objetivo de reducir las emisiones de carbono en el futuro.
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.
Caracterización eléctrica de juntura de arreglos nanotubos de carbono de baja cristalinidad con silicio dopado tipo N
(2022) Cerda Villaseca, Daniel Andrés; Hevia, Samuel; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Física
En este trabajo se estudian las propiedades de transporte eléctrico de un set de 3 dispositivos basados en arreglos altamente ordenados de nanotubos de carbono de baja cristalinidad (LC-CNTs) crecidos directamente sobre un sustrato de silicio dopado tipo N, mediante la utilización de alúmina nanoporosa como molde. Los nanotubos de carbono (CNTs) fueron sintetizados mediante depósito químico en fase vapor (CVD) dentro de los poros de las membranas de alúmina. Estas membranas, que cumplen el rol de molde y de otorgar estabilidad al sistema se fabricaron mediante la anodización controlada de una película de aluminio depositada directamente sobre el sustrato de Si. Dado que este método de fabricación permite un alto grado de control en las dimensiones de los LC-CNTs (largo, diámetro externo y espesor de pared), se definió realizar un estudio en función del espesor de pared del nanotubo, ya que es en esta variable en la que el transporte eléctronico presenta una fuerte dependencia. Se fabricaron tres dispositivos conteniendo LC-CNTs con espesores de pared promedio de 0.4, 0.7 y 1.1 nm. Para llevar a cabo el estudio, se depositó un contacto de oro en la parte superior de los LC-CNTs, con la finalidad de tener un contacto eléctrico apropiado. Luego, se midió la curva de corriente eléctrica en función del voltaje aplicado a diferentes temperaturas, en el rango de 20 a 300 K y en condiciones de alto vacío y oscuridad. De acuerdo a lo observado en las mediciones, los dispositivos mostraron un comportamiento tipo rectificador, lo cual se atribuye principalmente a la existencia de una juntura tipo Schottky entre los LC-CNTs y el silicio. Los LC-CNTs no han sido estudiados exhaustivamente, a diferencia de los CNTs de pared simple o múltiple, por lo que uno de los objetivos de este trabajo es estudiar el comportamiento eléctrico de los LC-CNTs en este tipo de junturas. Una juntura tipo Schottky es un caso particular de una juntura entre un metal y un semiconductor, en la cual la corriente a través de esta es modelada usualmente mediante el modelo de emisión termoiónica, pero también se deben tener en cuenta el modelo de recombinación en la región espacial de carga y el mecanismo de tunneling. En este trabajo se utilizó el modelo de emisión termoiónica y adicionalmente se llevo a cabo un modelo circuital para ajustar teóricamente los datos experimentales. Si bien se observó un comportamiento rectificador en las mediciones, este no era puro, ya que para los regímenes de polarización directa e inversa el comportamiento de la curva de corriente versus voltaje era lineal. En base a esto, se requería parámetros adicionales al modelo que se justifican con el modelo circuital utilizado. Una vez agregados dichos parámetros, los resultados obtenidos reflejaron que los tres dispositivos ajustan al modelo de emisión termoiónica en un rango determinado de temperatura. Los parámetros del modelo permitieron estudiar los dispositivos en un amplio rango de temperatura y permitieron obtener información sustancial de los LC-CNTs. Al saber de un trabajo previo que el contacto entre el oro y los LC-CNTs es óhmico, se logró determinar que adicionalmente el contacto entre el silicio y los LC-CNTs también lo es. Adicionalmente se logró estudiar la conductividad de los LC-CNTs en función de la temperatura, en donde el dispositivo con menor espesor de pared ajustó con el transporte eléctrico por Hopping de rango variable, mientras que los de mayor espesor de pared no. Debido a lo anterior y tomando en cuenta un trabajo previo realizado en el laboratorio, se propuso la existencia de un mecanismo en paralelo que justificara el transporte eléctrico de los dispositivos de mayor espesor de pared. Dicho mecanismo estuvo dado por la teoría de Bloch-Grüneisen, en donde se logró determinar que el transporte eléctrico de dichos dispositivos posee una contribución metálica. Finalmente, al analizar los parámetros del modelo se concluyó que a medida que baja la temperatura, el modelo de emisión termoiónica tiende a desaparecer, es decir, que ya no ajusta correctamente a las mediciones. En particular se observa que el voltaje de barrera presente en la juntura entre los LC-CNTs y el silicio disminuye con la temperatura. Entonces, dado que el transporte de electrones mediante emisión termoiónica es un proceso de activación térmica, los electrones a baja temperatura sólo pueden superar barreras energéticas de menor valor. Esto, a través de tunneling o recombinación, ya que la energía que poseen los electrones no les permite estar en la banda de conducción que es donde se lleva a cabo la emisión termoiónica.
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.
La construcción de un paisaje hídrico energético en Aysén : un sistema de hidroeléctricas de paso y su recorrido en el Río Baker
(2022) Priestley Rodríguez, Sarah; Greene, Margarita; Río, Javier del; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Arquitectura
La cancelación definitiva del megaproyecto HidroAysén en el sur de Chile en el año 2017 marcó un hito importante en la historia de las políticas energéticas del país. Si bien el proyecto intentaba responder tanto a necesidades locales como nacionales, la magnitud de tal infraestructura implicaba grandes intervenciones paisajísticas y territoriales, las cuales hubiesen tenido efectos devastadores en un lugar caracterizado por sus extensas zonas de valor ecológico. En ese marco, HidroAysén representa una ruptura en la percepción de los megaproyectos energéticos en la región, generando una postura que privilegia la protección del paisaje y reconoce los costos ecológicos negativos de estas infraestructuras. En consecuencia, los grandes embalses dejan de ser una respuesta válida para la producción de energía. Ello hace necesario buscar otras formas de proveer energía. De este modo, se plantea el desafío de repensar nuevos modelos de generación de energía hidroeléctrica, de menor escala y formas alternativas de generar energía por medio del agua. Desde esta perspectiva se propone estudiar la experiencia internacional de fuentes de energía hídrica que consideran y desarrollan al mismo tiempo el territorio y el paisaje, para evaluar la posibilidad de implementar modelos similares en Chile, y específicamente en la región de Aysén. En ese marco, se propone estudiar uno de los casos más exitosos a nivel mundial: Noruega. Con un clima y geografía similar a la de Aysén, en Noruega existe una gran cantidad de proyectos hidroeléctricos que se integran al paisaje y trabajan las corrientes y cuerpos de agua de forma que además de generar energía se constituyen como atractivos turísticos. Estos además tienen la ventaja de configurarse como una serie de puntos energéticos dispuestos en el territorio, lo que permite producir y transmitir electricidad de manera distribuida. La agreste geografía y condiciones climáticas de Aysén le imponen grandes desafíos al desarrollo energético, y especialmente a la transmisión de energía, debido a sus condiciones geomorfológicas y a la baja densidad poblacional, que se encuentra dispersa y aislada. Ello dificulta la conexión de la región al sistema interconectado central y debe adaptarse a los Sistemas Medianos (SSMM) y Sistemas Aislados (SSAA). En este contexto, parece pertinente explorar nuevos modelos de generación de energía que se constituyan como sistemas propios, aprovechando los recursos renovables de la zona e implementando una red de transmisión que llegue a más lugares, especialmente a las localidades aisladas. De este modo, esta tesis plantea estudiar el caso de Noruega y las condiciones de Aysén para el rediseño de estructuras hidroeléctricas a escala local, proponiendo un proyecto de mini centrales hidroeléctricas, capaces de articular tanto los sistemas naturales como los artificiales, integrando un tipo de infraestructura energética multifuncional en un paisaje austral.
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.
De ruina a parque patrimonial postindustrial: El caso de Laguna Verde y el Estero El Sauce
(2023) Garrido Jofre, Amílcar Vicente; Río, Javier del; Zilleruelo, Guillermo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Arquitectura
La actualización de las industrias y el paso del tiempo, hacen que su infraestructura permanezca como huellas de la obsolescencia, pudiendo ser valorizadas en el mejor de los casos, como elementos patrimoniales. Pese a esto los diferentes efectos sobre el territorio como el desarrollo de localidades urbanas, el deterioro ecológico en las aguas, la flora, la fauna y la infraestructura de apoyo como caminos, tuberías o cableado, no son identificados por las entidades encargadas de la valoración patrimonial. Laguna Verde en la Región de Valparaíso aparece como un caso de estudio clave para entender la relación entre lo postindustrial y el paisaje, Aquí se construyó una de las primeras centrales hidroeléctricas de Chile y posteriormente se desarrollaría una central termoeléctrica cual sería motor y sustento de procesos de urbanización y consolidación del poblado. Producto del rápido avance tecnológico en la producción energética, la relevancia de Laguna Verde fue opacada por otras centrales de mayor producción, poniendo en pausa los proyectos de desarrollo de Laguna Verde y la intermitencia de sus centrales. La infraestructura quedo en estado obsoleto, quedando a la merced del tiempo transformándose en ruinas incrustadas en un entorno de gran valor paisajístico. Se propone una resignificación de estos terrenos en estado obsoleto, revelando sus cualidades ecológicas y culturales, creando un nuevo concepto de identidad en torno a la infraestructura postindustrial. Se construye una pieza de paisaje que relaciona diferentes elementos conformando una estructura cohesionada. La estrategia proyectual será la producción de un Parque Patrimonial Postindustrial sobre esta pieza, que tendrá como objetivo recuperar y dar accesibilidad a los diferentes elementos patrimoniales que conforman el territorio de Laguna Verde. Se intervendrá el territorio valorando la ruina, el agua y la vegetación creando nuevos espacios para entender este sector como un Paisaje Cultural Postindustrial.
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.
Efecto de la temperatura sobre la actividad transcripcional y metabolismo energético de la cianobacteria termal Fischerella thermalis
(2022) Vergara Barros, Pablo; Diez Moreno, Beatriz; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
Fischerella thermalis es uno de los productores primarios dominantes en ambientes hidrotermales terrestres en el gradiente de temperatura hasta cerca de los 60°C, aunque se desconoce cómo esta cianobacteria es capaz de sostener su actividad fotosintética bajo condiciones de altas temperaturas. En esta tesis doctoral, mediante herramientas moleculares y bioinformáticas, determinamos como F. thermalis sostiene su actividad fotosintética hasta los 60°C. Nuestros resultados muestran que la fotosíntesis en F. thermalis decae con la temperatura, mientras que la expresión de los genes asociados al centro de reacción del fotosistema II aumentaría para compensar el daño provocado por la temperatura. En paralelo, el metabolismo de carbono de F. thermalis funcionaría asociado de forma estrecha con el proceso de fotosíntesis, donde vías metabólicas como la respiración y la glicólisis asisten la obtención de energía en condiciones de altas temperaturas interactuando con la fotosíntesis mediante el transporte de electrones.
Efecto del acceso a la electricidad a menor costo en EEUU en la innovación eléctrica a principios del siglo XX
(2022) Fugellie Carreño, Raúl Lucas; Lafortune, Jeanne; Rosá, Tatiana; Pontificia Universidad Católica de Chile. Instituto de Economía
Se estudia el efecto que tuvo la masificación de la electricidad en la forma de innovar en EEUU a principios del Siglo XX, empleando una estrategia de Diferencias en diferencias, la cual explota como fuentes de variación el acceso diferenciado que tienen los condados a la electricidad más barata y la intensidad en el uso de la energía que tienen los distintos sectores industriales.
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.
Energías marinas en Chile: entretejiendo dimensiones humanas y ecológicas
(2023) Gallardo Quintanilla, María Belén; Gelcich, Stefan; Pontificia Universidad Católica de Chile. Facultad de Ciencias Biológicas
En los últimos veinte años han surgido las energías renovables marinas (ERM), que están comenzando a desarrollarse comercialmente, y podrían suplir gran parte de las necesidades energéticas del mundo. De los distintos tipos de ERM, este trabajo se enfoca en la energía undimotriz y mareomotriz o energías hidrocinéticas, que tienen considerables posibilidades en el futuro gracias a su enorme potencial de producción de electricidad y a su alta previsibilidad. Chile cuenta con 6.435 km de costa y las olas chilenas se han identificado como una de las que poseen mayor energía del planeta, con 240 GW de energía potencial. Actualmente en el país sólo existen proyectos de investigación en la materia. El objetivo de esta tesis fue contestar las siguientes preguntas: 1) ¿Cuáles son las brechas de investigación respecto a la dimensión humana y ecológica de las ERM? 2) ¿Cuál es la percepción y preferencias de la sociedad civil chilena hacia las ERM? y 3) ¿Cuál es la percepción y aceptabilidad de los pescadores artesanales chilenos hacia las ERM? Los resultados sugieren una serie de sesgos geográficos y disciplinarios que pueden presentar varios riesgos, y es fundamental entender la existencia de múltiples partes interesadas con distintas percepciones y prioridades hacia las ERM para formular políticas adecuadas. Esta tesis busca fortalecer el conocimiento de las ERM desde una perspectiva socio-ecológica y contribuir al desarrollo de estrategias para construir sistemas de ERM socio-ecológicamente sostenibles de manera colaborativa.

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