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Ingeniero Civil Mecánico / La energía geotérmica, ya sea de alta, mediana o baja entalpía, tiene un desarrollo insuficiente en Chile, debido en parte al alto costo de implementación, en conjunto de escasos estudios locales y específicos para el desarrollo de esta. Es por esto que se hace necesario aportar con estudios técnicos y económicos para distintos casos en Chile. El estudio se centra en realizar un análisis técnico-económico para el uso de energía geotérmica de baja entalpía, mediante la utilización de un sistema de climatización residencial evaluando 9 diferentes regiones del país en una vivienda de 77 [m2]. El sistema de climatización se basa en bomba de calor geotérmica (BCG), utilizando intercambiadores de calor geotérmicos (ICG) de tubos enterrados horizontalmente a 1,5 [m] de profundidad en ciclo cerrado y ventiloconvector (fancoil) como sistema de distribución. La metodología que se aborda en este trabajo comprende una primera parte de recolección de antecedentes para la cuantificación de cargas térmicas de la vivienda, para posteriormente dimensionar la bomba de calor geotérmica. Los antecedentes recolectados se integran a un modelo computacional (de MatLab) para la rápida adquisición de resultados por ciudad evaluada, las cuales corresponden a Arica, Calama, Vallenar, Coquimbo, Santiago, Temuco, Valdivia, Coyhaique y Punta Arenas. Con la evaluación técnica definida, se realiza una evaluación económica mediante el costo nivelado de energía (CNdE), para luego desarrollar una comparación entre las distintas ciudades haciendo una valoración de distintas variables como la capacidad térmica de la BCG, la demanda energética de la vivienda, el coeficiente de operatividad (COP), un indicador de transferencia de calor por metro lineal de tubería (que indica la calidad del recurso geotermal de baja entalpía) y el CNdE. El modelo computacional se valida comparando resultados como la carga térmica del hogar, el ciclo termodinámico resultante, el COP y su eficiencia respecto al COP máximo teórico y el indicador de transferencia de calor por metro lineal de tubería, todo respecto a la bibliografía utilizada. La ciudad con menor y mayor potencia térmica de BCG corresponde a Coquimbo y Santiago con 3,11 y 5,31 [kW] respectivamente. Así mismo, la localidad con menor y mayor demanda energética concierne a Coquimbo y Punta Arenas con 7.641 y 19.824 [kWht/año] respectivamente. Por otra parte, la ubicación con mayor y menor COP pertenece a Arica y Coyhaique, con 4,53 y 3,33 (donde el COP mínimo factible para la implementación de BCG es de 2,97). Luego, la zona con mayor índice de transferencia de calor por metro lineal compete a Punta Arenas y Coyhaique con 13,96 [W/m] y Valdivia con el menor índice, de 10,34 [W/m]. Por último, el menor y mayor CNdE corresponde a Punta Arenas y Arica con 54 y 77 [$/kWht] respectivamente. La ciudad recomendada para la implementación de BCG, respecto a la valoración de variables realizada corresponde a Punta Arenas, seguido por Coyhaique y Vallenar.

Ingeniero Civil / Las estándares mínimos de bienestar en la sociedad actual, comprenden el uso de agua caliente sanitaria en diversas actividades. Es por ello, que se hace imprescindible buscar alternativas para poder abastecer la mayor cantidad de hogares con este recurso a lo largo del territorio nacional. Sin duda alguna, una tecnología que ya lleva años en el mercado y ha alcanzado cierta madurez que se ve reflejada en sus costos y rendimientos, son los Sistemas Solares Térmicos. Existe un subsidio impulsado por el Ministerio de Vivienda y Urbanismo, la cual ayuda a la gente a realizar este tipo de instalaciones en sus viviendas, a un precio bastante asequible. Se conoce como "Programa de Protección al Patrimonio Familiar". A través de esta investigación, se pretende indagar sobre los procedimientos que involucran a esta iniciativa, y para ello se realiza un análisis del comportamiento real de dos de estos sistemas ubicados en la Región Metropolitana. Para ello, se debieron realizar pequeñas intervenciones en los hogares,obteniéndose los datos necesarios para realizar un estudio de carácter cualitativo y energético. La contribución solar entregada por el sistema de tubos al vacío, genero importantes ahorros en la economía de esa familia, alcanzando temperaturas de servicio bastante elevadas. La contribución solar alcanzada en los meses de monitoreo, correspondieron a 66 y 89\%. Para el caso del sistema de placa plana, los valores alcanzados corresponden a 37 y 51\%. Factores asociados a la instalación propiamente tal, son determinantes en los rendimientos de los sistemas. Orientación, inclinación y materialidad de los componentes son algunas de las variables influyentes a la hora de obtener las contribuciones energéticas. Por otro lado, la tecnología del sistema de captación es el parámetro de mayor relevancia, a la hora de caracterizar el rendimiento de una instalación solar térmica.

Tesis para optar al grado de Magíster en Gestión y Dirección de Empresas / 11/06/2024

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / El elevado consumo de calefacción y los elevados índices de contaminación ambiental provocado por el consumo leña (u otro combustible fósil) en algunas regiones de Chile. Han motivado al desarrollo del presente trabajo de título como una alternativa eficiente, limpia y sustentable. Este consiste en la realización de estudios prospectivos técnicos-económicos para la implementación de tecnologías de bombas de calor (BC) de fuente de agua superficial (SWHP, Surface Water Heat Pump) para el suministro de calefacción (CC) y agua caliente sanitaria (ACS) en Chile. Específicamente se busca desarrollar el diseño básico de 3 centrales de calefacción distrital, que utilicen como mecanismo de generación de calor los sistemas SWHP para 3 casos de estudio en Chile, en donde el suministro de CC y ACS se realiza mediante la circulación de agua caliente por una red de distribución. Posteriormente se estudia la factibilidad económica de los sistemas diseñados para el modelo de negocio propuesto. Para el desarrollo de este trabajo se emplea la siguiente metodología: i) Recopilación de antecedentes generales, ii) Investigación del estado del arte de los sistemas SWHP, iii) Selección y caracterización de los casos de estudio, iv) Caracterización de la demanda térmica de los casos de estudio, v) Desarrollo de diseños de las centrales de calefacción distrital de tipo RWSHP (River Water Source Heat Pump), SWSHP (Sea Water Source Heat Pump) y LWSHP (Lake Water Source Heat Pump), vi) Análisis de desempeño y eficiencia energética y vii) evaluación de la factibilidad económica de las soluciones. Los principales resultados son los siguientes: RWSHP (Valdivia) SWSHP (S. P. de la Paz) LWSHP (Puerto Octay) Usuarios 553 casas 125 casas y 340 deptos. 5 Edificios públicos Reservorio Río Calle-Calle Océano pacífico Lago Llanquihue Captación Open loop direct Open loop indirect Open loop direct Demanda Térmica 3.533[GWht/año] 2 .859 [GWht/año] 889[GWht/año] 2.989[kW] 2.542[kW] 341[kW] Bomba de Calor (6) Mayekawa N6HK (6) Mayekawa N6HK (1) Sabroe Dual Pack COP Sistema 3,82 3,62 3,94 VAN (10%) 977.579 [USD] 1.046.150 [USD] 582.569 [USD] TIR 13 % 14 % 22 % Tarifa [CLP/kWht] 165 185 162 Se concluye los sistemas SWHP son competitivos para aplicaciones de CC y ACS presentando COP medio de 3,79 y una buena rentabilidad si se considera un modelo de negocio tipo ESCO, sin embargo, las tarifas no son competitivas en relación con el costo de las alternativas convencionales de calefacción; razón por la cual se justifica algún subsidio de gobierno, fijando así el precio en 78 [CLP/kWht] para los usuarios beneficiados con esta tecnología. También aprecia que sistemas SWHP open loop directo (RWSHP y LWSHP) tienen un mejor desempeño en comparación al tipo open loop indirecto (SWSHP), esto se debe a que el directo aprovecha todo el potencial del reservorio; mientras que los indirectos deben entregar parte de ese calor a un fluido secundario para hacer el transporte hacia la BC. Finalmente se observa que el COP del sistema es sensible a la temperatura del reservorio y de la temperatura de diseño a la salida del condensador de la BC (mayor COP a mayor T° del acuífero y menor T° de diseño).

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil Mecánica / En las últimas décadas ha aumentado drásticamente el consumo energético mundial, los precios de los combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero. Ante este escenario, las bombas de calor geotérmicas pueden ser una solución de menor consumo energético, de menor costo operacional y menos contaminante que otros sistemas convencionales de calefacción. En este estudio se analiza la factibilidad técnico-económica de la utilización de las bombas de calor geotérmicas combinadas con un sistema solar para calefaccionar edificios en Chile. Los casos de estudio corresponden a edificios de 3, 7 y 11 pisos, ubicados en las localidades de: La Serena, Santiago, Osorno y Coyhaique. En primer lugar, se recopila información de las localidades de estudio y los edificios a nivel nacional. Posteriormente, se estima la demanda térmica de las edificaciones. Luego, se diseñan sistemas de calefacción con calderas a gas y con bombas de calor geotérmicas con apoyo solar. Finalmente, se comparan financieramente los proyectos con bombas de calor geotérmicas, con y sin apoyo solar, respecto a los proyectos de calefacción con calderas a gas. Para el diseño de sistemas se utiliza: losa radiante como sistema de distribución, bombas de calor con colectores verticales cerrados, colectores solares planos y calderas a gas licuado de petróleo (GLP). Los proyectos de calefacción con bombas de calor geotérmicas sin apoyo solar tienen inversiones iniciales 5 veces más grandes que las inversiones iniciales de los proyectos con caldera a gas. Sin embargo, los costos operacionales de los proyectos con caldera a gas son 2,7 veces más altos que los costos operacionales de los proyectos con bombas de calor geotérmicas. En el largo plazo, los menores costos operacionales de los sistemas con bombas de calor geotérmicas permiten recuperar la inversión diferencial respecto al sistema con caldera a gas. Por otro lado, los sistemas geotérmicos con apoyo solar disminuyen la inversión inicial en un 2,7% y sus costos operacionales en un 2,5 %, respecto al caso con solo geotermia. Al contrastar los proyectos con bombas de calor geotérmicas y apoyo solar con los proyectos de calderas a gas en la ciudad de Coyhaique se obtienen tasas internas de retorno del orden del 5,7% y períodos de recuperación de 25 a 26 años. En Santiago y Osorno las tasas internas de retorno van desde el 3,9% al 4,5% y períodos de recuperación entre 35 y 45 años. Por último, en La Serena los períodos de recuperación superan los 50 años. De esta manera, los proyectos con bombas de calor geotérmicas presentan mayores rentabilidades en las localidades ubicadas más al sur de Chile.

Título de Química Ambiental / La contaminación intradomiciliaria en Chile ocurre principalmente por la utilización de estufas y cocinas que utilizan leña. El uso de aparatos antiguos y leña húmeda conlleva a la combustión incompleta de este combustible, lo cual contribuye a la emisión de gases y partículas con efectos nocivos en la salud. El presente seminario de título se basa en la síntesis y caracterización de un grupo de catalizadores sólidos, los cuales contienen cobre y potasio como fases activas, mientras que el soporte es un conjunto tipo núcleo-carcasa de óxidos de titanio y cerio, respectivamente. Estos catalizadores son capaces de convertir varios contaminantes, principalmente naftaleno, CO y NO, en compuestos inertes. Por el método de micela inversa se sintetizaron cuatro soportes utilizando diferentes espesores de la carcasa de CeO2 y estabilizando esta fase por medio de su dopaje con samario. Además, para comprender la actividad catalítica se caracterizaron los catalizadores utilizando diversas técnicas físicas y espectroscópicas (área BET, XRD, TPR, Raman y DRIFTs). De acuerdo con los resultados, el catalizador K/Cu/Sm2O3CeO2@TiO2 con 2.7 nm de espesor de la capa de CeO2, presentó la mejor actividad catalítica para la reducción de NO con CO en presencia de O2. Al adicionar naftaleno a la reacción, el catalizador Cu/Sm2O3CeO2@TiO2 presentó una conversión completa de todos los contaminantes. Por otra parte, el catalizador K/Cu/Sm2O3CeO2@TiO2 mostró conversión completa de CO y NO y un máximo de conversión de naftaleno de 66% a los 350 °C. Estos catalizadores, libres de metales nobles, utilizados en condiciones adecuadas, constituyen una alternativa para utilizarlos en estufas y así reducir los contaminantes en el interior de hogares. / Indoors pollution in Chile mainly occurs by the use of stoves based on the use of firewood. The use of old stoves and humid firewood lead to the incomplete combustion of this fuel, which contributes to the emission of gases and particle matter with harmful effects on health. The present thesis is based on the synthesis and characterization of a set of solid catalysts, which have copper and potassium as active phases, whereas the support is a core-shell ensemble of oxides of titanium and cerium, respectively. These catalysts are able to convert several pollutants, mainly naphthalene, CO and NO, into inert compounds. By means of the reverse micelle method, four supports were synthesized using different thicknesses of the CeO2 shell and stabilizing this phase by doping it with samarium. Additionally, in order to understand the catalytic activity, the catalysts were characterized using physical and spectroscopic techniques (BET, XRD, TPR, Raman and DRIFTs). According to the results, the K/Cu/Sm2O3CeO2@TiO2 catalyst with 2.7 nm thickness of the CeO2 layer, presented the best catalytic activity for the reduction of NO with CO in the presence of O2. When adding naphthalene to the reaction, the Cu/Sm2O3CeO2@TiO2 catalyst showed a complete conversion of all the pollutants. On the other hands, the K/Cu/Sm2O3CeO2@TiO2 catalyst showed complete conversion of CO and NO, as well as a maximum conversion of naphthalene of 66% at 350 °C. These catalysts, free of noble metals and used in suitable conditions, constitute a viable alternative for using them in stoves and thus, being able to reduce pollutants from home indoors. 1 1.1 Antecedentes

Memoria para optar al título de Geólogo / Osorno se ubica en la Región de Los Lagos, entre los 40°21 S y 40°46´S. Actualmente, es una de las ciudades chilenas con mayor índice de contaminación atmosférica de material particulado (MP2,5 y MP10) y otros agentes, como consecuencia del abuso de leña en el sector residencial. Se proponen sistemas de bombas de calor geotermales acopladas a intercambiadores de calor como alternativa para satisfacer la demanda térmica, reduciendo la emisión de contaminantes atmosféricos. Se estudian los parámetros hidrogeológicos y termales de aguas subterráneas y del suelo para determinar el potencial de extracción de calor que poseen. Se recopila información de expedientes de pozos profundos publicados por la Dirección General de Aguas y se reconocen potenciales acuíferos para la extracción de calor. La unidad principal presenta niveles estáticos entre 5,5 [m] y 44,6 [m] de profundidad y una dirección del flujo de agua hacia el oeste y el norte. Además, posee valores de transmisividad en el rango de 10 a 105 [m2/d], alojándose en los sedimentos más gruesos de una compleja configuración estratigráfica que presenta unidades con características de acuitardo o acuicludo. En general, la temperatura del acuífero oscila entre los 13,3 y 14 [°C]. La demanda térmica se ha definido mediante una correlación entre tipologías de viviendas definidas para estándares chilenos y tipologías de viviendas de Osorno. Tomando el Plan Regulador Comunal, se establecen 6 zonas de interés relacionadas a las tipologías de viviendas que más se aproximan al uso residencial de suelo permitido. A partir de la temperatura ambiental, se estima la temperatura anual del suelo a 1,5 [m] de profundidad, obteniendo un COP cercano a 3,8 y se calcula la superficie necesaria para satisfacer la demanda térmica en cada zona de interés mediante colectores horizontales cerrados (GCHP horizontal). Por otra parte, el 90% de la población posee un caudal de al menos 2 [L/s], generando un COP de 5,9 y una energía de 30,1 [kW], lo que satisface al menos 4 veces la demanda en sistemas verticales abiertos (GWHP). Finalmente, a partir de la estratigrafía de pozos, se obtiene el sHE promedio que permite estimar la profundidad de perforación necesaria, para extraer la energía que sustente la demanda térmica por medio de sistemas verticales cerrados (GCHP vertical). Estos tres sistemas presentan ciertos alcances. En primer lugar, se opta por el sistema más económico (GCHP horizontal), pero su aplicación sólo es factible en la zona de interés E. Luego, si se dispone del recurso hídrico y, además, la profundidad de perforación de pozos en sistemas GWHP es menor que la profundidad de perforación en sistemas GCHP verticales, entonces se opta por sistemas GWHP. El alcance legal se limita a la petición de derechos no consuntivos de aguas. Según los resultados obtenidos, la solución más eficiente es generar agrupaciones distritales de viviendas para sistemas GWHP, ya que tienen la capacidad de generar la suficiente energía para satisfacer la demanda térmica de un agrupamiento, reduciendo los costos de perforación. Entonces, los GWHP pueden satisfacer la totalidad de la demanda térmica de Osorno. / Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes, CEGA. Proyecto FONDAP 15090013

Geólogo / La energía geotérmica se presenta como una buena solución frente a los problemas que enfrenta la industria energética y de climatización de espacios hoy en día, entre los cuales destaca la contaminación y el factor de planta. Sin embargo, muchas veces la perforación de los pozos supone costos muy elevados, imposibilitando este tipo de proyectos. Es por esto que en las últimas décadas se ha considerado rehabilitar pozos de gas y petróleo abandonados como pozos geotérmicos, ahorrándose de esta manera los costos asociados a la perforación. El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología que permita cuantificar de manera sencilla el potencial energético extraíble a partir de la rehabilitación de un pozo petrolero abandonado. En este trabajo se considera la rehabilitación de pozos petroleros como intercambiadores de calor verticales cerrados coaxiales. La metodología aquí descrita considera los siguientes pasos: en primer lugar se realiza una preselección de los pozos candidatos según su distancia al poblado o lugar de interés, luego se recolecta la información de pozos relevante para el estudio y, finalmente, se procesan los datos mediante una herramienta analítica para determinar la energía y temperatura que se puede extraer de cada pozo. Adicionalmente, esta metodología fue puesta a prueba ocupando el poblado de Punta Delgada como ejemplo. Para ello se utilizaron los datos de los pozos petroleros pertenecientes a la Empresa Nacional del Petróleo, ubicados en Magallanes. Aplicando esta metodología en Punta Delgada se encontró que el mejor pozo para ser rehabilitado es CHULENGO 1 el cual se ubica a 660 metros del centro del poblado. Para este pozo, se generaron dos escenarios posibles, el primero considerando menores exigencias que el segundo. En ambos casos los resultados fueron positivos, encontrándose ahorros que representan un 97,53% y un 94,97% del consumo anual total de gas destinado a la climatización de espacios de Punta Delgada. Considerando que el gradiente geotermal promedio para la cuenca de Magallanes es de 0,049 [°C/m] y que contiene más de 1400 pozos petroleros en estado de abandono, se postula que este trabajo puede ser replicado en poblados similares, como por ejemplo Cerro Sombrero. / Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA). proyecto FONDAP CONICYT 15090013

Magíster en Ciencias, Mención Geología / La ciudad de Coyhaique tiene serios problemas de contaminación ambiental, debido a la combustión de leña para calefacción. Este problema es crítico durante los meses de otoño e invierno, por lo que la ciudad fue declarada zona saturada por material particulado respirable MP10 debido a la concentración diaria y anual. Este trabajo propone utilizar bombas de calor geotérmicas para reemplazar el uso de leña y así contribuir a descontaminar la ciudad. Con este propósito se analiza el funcionamiento de una bomba de calor geotérmica, con intercambiadores de calor verticales cerrados, para climatizar el edificio del Gobierno Regional de Aysén y entonces predecir la sustentabilidad técnica y económica de implementar esta tecnología en edificios de características similares. Para predecir la sustentabilidad técnica, se modela el funcionamiento de una bomba de calor geotérmica con intercambiadores de calor verticales cerrados durante 25 años, considerando el requerimiento energético del edificio, la geometría de las unidades geológicas en profundidad, así como sus propiedades hidráulicas y térmicas, además de la circulación de agua subterránea. El modelo de transferencia de calor entre los intercambiadores de calor verticales cerrados y el subsuelo, así como el modelo de flujo de agua subterránea fueron realizados con software FEFLOW desarrollado por DHI. En el caso del edificio del Gobierno Regional de Aysén, el sistema de climatización geotérmico requiere 8 intercambiadores de calor verticales cerrados dobles, de 90m de profundidad, para entregar calefacción y refrigeración con un factor de planta de 11,2% en modo calefacción y 5,4% en modo refrigeración. Es importante calentar y refrigerar con el sistema de climatización, para renovar la temperatura del subsuelo después de las épocas de mayor demanda en el año (invierno y verano). Después de 25 años de funcionamiento del sistema, la zona de afectación térmica mayor que 0,5°C no sobrepasa los 20m, desde el arreglo de intercambiadores de calor en su máxima extensión, por lo que no se afecta el recurso geotérmico de los vecinos. Para predecir la sustentabilidad económica, se compara la geotermia con el aire acondicionado convencional, considerando la inversión inicial de ambas opciones y el ahorro económico en operación, debido al mejor rendimiento de la geotermia. No se consideran alternativas de combustión, porque no suplen demandas de calefacción y refrigeración. El escenario actual, indica un tiempo de retorno de la inversión de ~32 años para la geotermia, debido principalmente al elevado costo de perforación. Es importante considerar que esta tecnología es novedosa en el país y, por lo tanto, implica una alta inversión inicial en los primeros prototipos. / Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (FONDAP/CONICYT N° 15090013) en el marco del proyecto "Estimación y valorización del potencial geotérmico de Aysén" (Gobierno Regional de Aysén, proyecto BIP 303467723-0)