3.01 Tesis doctorado

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A transitional proposal for working fluids in csp from GEN2 to GEN3: Evaluating their thermophysical properties, corrosion behavior, and economic impact
(2024) Castro Quijada, Matias Daniel; Videla Leiva, 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
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.
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.
Operation of microgrids with conventional and virtual energy storage systems
(2022) Córdova Sota, Samuel Alejandro; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Cañizares, Claudio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Distribution systems are now increasingly becoming more active due to the sustainable integration of Distributed Energy Resources (DER). While this has enabled a cleaner and more efficient generation, it has also resulted in new challenges for the operation of modern power systems. In this context, the operation of isolated microgrids is particularly challenging, as these systems are characterized by a low inertia and significant renewable integration, and must be capable of an autonomous operation without the support of other electrical grids. Thus, the present thesis focuses on the design of an Energy Management System (EMS) for the reliable and economic operation of modern isolated microgrids. Isolated microgrid operation requires considering additional aspects typically omitted in the operation of robust bulk power systems. In particular, as demonstrated in this thesis, second-to-second renewable power fluctuations need to be considered in the microgrid EMS, since these fluctuations can have a large impact on the system’s frequency regulation due to its low inertia. Furthermore, to ensure an economic yet reliable operation, modern flexible technologies capable of counterbalancing these short-term fluctuations, such as Battery Energy Storage Systems (BESS) and Demand Response (DR), need to be integrated in the microgrid EMS. Hence, the present thesis focuses on designing a microgrid EMS model that integrates short-term renewable power fluctuations, their impact on frequency regulation, and the role that BESS and DR can play for their management. In the first part of the thesis, models are presented to characterize short-term renewable power fluctuations and their impact on microgrid operations, including the role that BESS can play to manage power fluctuations and the battery degradation resulting from providing this service. These models are then used to develop a practical EMS considering short-term renewable fluctuations and BESS flexibility, which is validated through exhaustive simulations on two realistic test microgrids, showing the operational benefits of the proposed EMS and highlighting the need to properly model short-term fluctuations and battery degradation in EMS for isolated microgrids. In the second part of the thesis, the above EMS model is extended to also incorporate the impact of short- term power fluctuations on the microgrid’s frequency regulation performance. For this purpose, accurate linear equations describing the frequency deviation and Rate-of-Change-of-Frequency (RoCoF) resulting from these fluctuations are developed, which are then used to build a frequency-constrained EMS model capable of guaranteeing an adequate frequency regulation performance in line with current DER operating standards. Exhaustive transient simulations on a realistic test microgrid considering detailed frequency dynamic and control models are presented, demonstrating the accuracy of the proposed frequency-constrained EMS and the operational benefits resulting from its implementation. Finally, the integration of DR techniques for an enhanced microgrid operation is discussed. In particular, the smart control of Thermostatically Controlled Loads (TCL) is studied, as these type of loads comprise a significant share of the total residential demand, and have the capability of managing second-to-second power imbalances without significantly affecting customer comfort. Since computational limitations prevent the direct integration of TCLs within operational models, alternative computationally efficient aggregate models representing TCL flexibility and frequency dynamics are proposed, which are referred to as Virtual Energy Storage Systems (VESS) due to their close resemblance to Conventional Energy Storage Systems (CESS) such as batteries. The proposed aggregate VESS models are then used to design a practical EMS integrating TCL flexibility, and study the impact of TCL integration on microgrid operation and frequency control. Computational experiments using detailed frequency transient and thermal dynamic models are presented, demonstrating the accuracy of the proposed aggregate VESS models, as well as the economic and reliability benefits resulting from using these aggregate models to integrate TCLs in microgrid operation.
Removal of volatile organic silicon compounds (D4, D5) from biogas using microaerophilic/anaerobic microbial strategies
(2022) Ortiz Ardila, Andrés Eduardo; Labatut, Rodrigo; Pizarro Puccio, Gonzalo E.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La digestión anaeróbica (DA) se considera una tecnología rentable y sostenible para el tratamiento de lodos de depuradora (EDAR). Permite estabilizar la materia orgánica al tiempo que produce energía renovable, que puede utilizarse in situ. Los compuestos orgánicos volátiles de silicio (VOSiC) son omnipresentes en los elementos industriales, de cuidado personal y domésticos, por lo que están presentes en los lodos activados residuales. Estos VOSiC se consideran contaminantes emergentes debido a su afinidad con la materia orgánica. Además, disminuyen la eficiencia de generación de energía de los equipos de conversión de biogás por la precipitación de óxidos de silicato en los elementos de calentamiento y la consiguiente reducción de la transferencia de calor. Este trabajo evaluó los cambios en la estructura de la ecología microbiana y la biodegradación de los siloxanos, centrándose en la eliminación biológica de los principales siloxanos presentes en los lodos de DA. El enfoque utilizado promovió la evolución dirigida de la microbiota nativa de la DA para aumentar los organismos capaces de resistir las concentraciones de oxígeno y biodegradar eficazmente los siloxanos asignados en la materia orgánica. Se logró la aclimatación del sustrato utilizando el polímero de siloxano polidimetilsiloxano (PDMS) para seguir utilizando estos organismos en la estabilización microbiana de los oligómeros de siloxano -VOSiC- Octametilciclotetrasiloxano (D4) y Decametilciclopentasiloxano (D5). Nuestros resultados muestran que el PDMS es una fuente de VOSiCs en los digestores anaeróbicos; este es un descubrimiento crucial ya que esta fuente no se había tenido en cuenta anteriormente. Por último, proponemos una vía de biodegradación para los siloxanos D4 en condiciones de microaireación que muestra cómo el oxígeno y los organismos dentro de los lodos de DA superan la naturaleza recalcitrante del impedimento estérico del siloxano para transformarlo en silanoles que no poseen una amenaza para el medio ambiente o las energías basadas en el biogás.
Sistema de conversión de energía solar-termoeléctrico con almacenamiento de calor latente : desarrollo, diseño y evaluación experimental
(2022) Montero Moya, Francisco Javier; Jahn von Arnswaldt, Wolfram Michael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los sistemas de conversión de energía solar a eléctrica pueden mejorar la matriz energética de varios países del mundo. Sin embargo, es importante resolver de manera efectiva barreras relacionadas con la intermitencia y la variación del recurso solar. Los generadores solares termoeléctricos (STEG) se pueden utilizar para generar electricidad de forma extensiva. Para ello es necesario abordar varios factores técnicos: su baja eficiencia de conversión (~7%), una gestión térmica eficaz y el almacenamiento de calor residual. Esta investigación desarrolla y analiza un modelo conceptual de sistema de enfriamiento y almacenamiento de calor latente (LHSCS) utilizado para una gestión térmica eficiente y una ampliación del tiempo de generación de electricidad del sistema STEG. El STEG + LHSCS ha sido analizado para las condiciones climáticas del desierto de Atacama, Chile. En esta investigación se estudió el efecto de varios parámetros en el rendimiento del sistema, como el volumen del material de cambio de fase (PCM), el disipador de calor y la geometría del contenedor. El STEG + LHSCS logró mantener una diferencia de temperatura de alrededor de 100 °C entre los lados frío y caliente del generador termoeléctrico (TEG) durante las horas de presencia de radiación solar. Además, el sistema puede producir en las horas nocturnas de ausencia de radiación solar alrededor del 0.6% de la electricidad generada durante el periodo diurno, utilizando el calor residual almacenado en el PCM. El sistema STEG + LHSCS puede ayudar a resolver las necesidades de electricidad de aplicaciones residenciales e industriales en lugares desérticos de todo el mundo.

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