Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / Este estudio presenta simulaciones numéricas del flujo de aire sobre edificios para diferentes configuraciones del entorno urbano. Al pasar sobre un obstáculo, el flujo de aire se acelera, este fenómeno puede ser aprovechado para la instalación de turbinas eólicas de pequeña escala. El principal objetivo de esta investigación es estudiar el recurso eólico cerca de edificios, en función de la configuración del entorno urbano, para así definir emplazamientos que sean favorables y estimar el potencial energético asociado. Esto se hace utilizando el método de volúmenes finitos mediante el software comercial ANSYS Fluent 14.5 y un posterior modelamiento matemático de las soluciones usando Wolfram Mathematica 8.0. A partir los resultados, se encuentra que la potencia disponible usando edificios como concentradores del recurso puede ser hasta 29% mayor que en el flujo libre. Se observa que la configuración urbana, el posicionamiento y el dimensionado de la turbina eólica son factores de gran importancia a la hora de ejecutar un proyecto. Estos resultados son explicados a través de los fenómenos físicos involucrados. Para futuros trabajos se propone incorporar el efecto de la aceleración vertical del aire, considerar más parámetros para describir el entorno urbano y retroalimentar los modelos matemáticos mediante mediciones de viento in-situ.

Ingeniero Civil Industrial / Este trabajo de título corresponde a un estudio sobre el impacto económico y ambiental que tiene la incorporación de las fuentes eólica y solar a la matriz energética chilena, bajo distintos escenarios, para el periodo comprendido entre los años 2018 a 2026. Para esto se utilizan principalmente modelos de simulación, los cuales estiman el funcionamiento futuro del sistema eléctrico, proyectando la generación por tipo de fuente, entre otros resultados. Además se utiliza información histórica de la generación en el Sistema Interconectado Central a fin de estudiar la interacción entre las fuentes renovables eólicas y solares con el resto de las generadoras. Se ha determinado que con una participación de las fuentes renovables no convencionales del 10%, el sistema eléctrico en su conjunto presenta un costo total de 20 mil millones de dólares, entre los años 2018 y 2026. Al aumentar la participación de estas fuentes en 5%, dicho valor aumenta en 1.100 millones de dólares; luego, para llegar a una participación de 20%, los costos totales aumentan en 2.200 millones de dólares sobre el escenario base; mientras que para llegar al 30%, dicho aumento es de 4.500 millones de dólares. Esto implica que los costos medios de la energía aumentan en $2, $5 y 10 dólares por MWh para los escenarios de 15%, 20% y 30% respectivamente en relación el escenario base. En cuanto a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono, se ha estimado que un aumento del 5% en la generación a partir de las fuentes eólica y solar, con respecto al escenario actual, las reduce en 9 millones de toneladas. Al aumentar la participación a 20%, dicha reducción es de 26,3 millones de toneladas; mientras que para el 30%, es de 58,8 millones de toneladas. Esto implica que, con respecto a las emisiones totales del Sistema Interconectado Central para el periodo comprendido entre los años 2018 y 2026, las emisiones de dióxido de carbono se reducen en 3%, 9% y 20% al llegar a las metas de 15%, 20% y 30% de generación a partir de fuentes ERNC respectivamente.

Ingeniero Civil Electricista / Actualmente existe un gran interés por el uso de tecnologías de generación renovable no convencionales, para así poder reducir tanto el impacto medioambiental de la generación eléctrica como también la dependencia de combustible fósiles en la matriz energética. Uno de los medios de generación no convencional que se perfila como altamente competitivo corresponde a la generación eólica y, dentro de esta, la tecnología predominante corresponde a las turbinas de velocidad variable con conversores. La integración masiva de energía eólica implica desafíos técnicos importantes desde el punto de vista del sistema, siendo el control de frecuencia uno de los más discutidos. Un aspecto importante corresponde a que las turbinas eólicas de velocidad variable que si bien tienen una cantidad significativa de energía cinética almacenada en sus aspas, estas no aportan respuesta inercial al sistema debido a que el conversor de potencia desacopla el generador de la red haciendo que las turbinas sean insensibles a cambios de frecuencia en el sistema. De esta forma la incorporación masiva de turbinas eólicas de velocidad variable podría implicar una disminución importante de la inercia total del sistema de potencia. De lo anterior, surge el objetivo principal de esta memoria: estudiar el comportamiento de la respuesta inercial de un sistema eléctrico de potencia. Considerando el alto potencial eólico que existe en el norte grande del país, lo cual se ha visto reflejado en el hecho de que hoy existen 856 MW en proyectos de generación eólica con aprobación ambiental, junto con las limitaciones técnicas del SING producto de ser un sistema puramente térmico, se ha considerado que es relevante estudiar dicho sistema ante distintos escenarios de penetración eólica y analizar las consecuencias que ello tiene en él, junto con estudiar medidas correctivas para paliar la reducción de inercia. Para estos efectos se desarrolló una metodología para el estudio de la respuesta inercial en el SING y se implementaron los modelos dinámicos requeridos en el software DigSilent Power Factory. De los resultados obtenidos en las simulaciones dinámicas realizadas, fue posible constatar el deterioro de la respuesta inercial al aumentar la participación de turbinas eólicas de velocidad variable en la matriz de generación del SING, llegando incluso a darse desprendimiento de carga en el escenario de máxima penetración considerado producto de la disminución de inercia. Además se logró confirmar que las medidas correctivas estudiadas son capaces de mejorar la respuesta inercial del sistema analizado, observándose en todos los casos que las consideran un aumento en la frecuencia mínima post-contingencia. Estas medidas llegaron incluso a evitar el desprendimiento de carga observado al no considerar medidas correctivas en el escenario de máxima penetración eólica estudiado, por lo que su implementación corresponde a un aporte relevante para facilitar la integración masiva de la energía eólica al SING.

Ingeniero Civil Electricista / La necesidad de incluir energías renovables dentro de la matriz energética mundial es cada vez más apreciable. Chile no es ajeno a esta tendencia, observándose una penetración creciente de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC), en particular a partir de la promulgación de la Ley 20.257 del año 2008. La energía eólica ha liderado en estos primeros años la penetración ERNC en los sistemas eléctricos nacionales. En este contexto, se reconoce la necesidad de disponer de modelos que permitan predecir la generación eléctrica de un parque eólico. En este contexto, el objetivo general del presente documento es la propuesta conceptual y práctica de una metodología para estimar perfiles de generación de un parque eólico, que permita su simulación en el mediano y largo plazo dentro de un sistema eléctrico de potencia. Dentro de un parque eólico hay tres efectos importantes a considerar al momento de analizar su generación: la topografía del terreno, el efecto estela y la turbulencia del viento. Son éstos, los que basándose en metodologías de referencia, permiten un cálculo más realista de la potencia generada en un parque eólico. Dada una medición de la velocidad del viento, el diseño del parque y la curva de potencia teórica de los aerogeneradores, es posible incluir los efectos antes mencionados en forma analítica. La validación del modelo se realiza a través de datos reales de viento y generación pertenecientes al parque Canela I, de la empresa Endesa Chile. Dichos datos corresponden a un período entre septiembre del 2009 y abril del 2010. Dado el modelo, se obtiene un error relativo del 7,81% según la energía total generada en ese período, y de un 11,79% según el error cuadrático medio de la potencia generada. Las simulaciones corresponden al análisis de tres eventos distintos a considerar: la topografía, el efecto estela y la turbulencia. Para cada evento se analizan distintos escenarios, los cuales contemplan el considerar y despreciar dichos efectos. Se obtiene que el efecto más significativo al momento de predecir la operación de un parque es la topografía del terreno. Lo anterior se debe al emplazamiento sobre colinas o valles de los aerogeneradores, en donde la velocidad del viento cambia. El efecto menos significativo es la turbulencia, obteniéndose una diferencia de 0,05% al no considerarla. Es importante destacar que la operación de un parque dista de ser el simple producto de los aportes individuales de una turbina genérica, aumentando su error relativo a un 10,12% con respecto a la energía, si se realiza dicha consideración. Como trabajo futuro se propone mejorar la modelación de la topografía y de la velocidad del viento. Así mismo, se sugiere extender el modelo a una versión estocástica.

Seminario para optar al grado de Ingeniero Comercial, Mención Administración / El presente plan de negocio describe el proyecto de energía renovable Parque Eólico Limarí, este parque tiene como propósito la generación eléctrica por medio de la utilización de Energía Eólica, en tanto el objetivo del plan de negocio es evaluar la factibilidad técnica-económica del emplazamiento de un parque eólico en la región de Coquimbo, que conectará la energía generada al Sistema Interconectado Central (SIC) para luego comercializarla al sistema vía mercado spot o a privados vía contratos. La idea del proyecto se origina por varias razones. Primero, existe la necesidad de potenciar la utilización de energías renovables no convencionales, tanto a nivel global, como local, principalmente porque es necesario desarrollar un sistema energético sostenible en el tiempo y disminuir la dependencia de los combustibles fósiles. Segundo, existe una importante oportunidad para este tipo de proyectos, asociado al decreto ley 20.257 que indica que las empresas generadoras de electricidad están obligadas a producir parte de su oferta energética mediante energías renovables no convencionales (ERNC). Tercero, la evolución en la tecnología eólica ha permitido que los parques estén en condiciones de competir con sistemas convencionales de generación. Finalmente, Chile cuenta con la disponibilidad y calidad del recurso eólico para el desarrollo de este tipo de negocios. En la primera parte de este estudio se define el marco teórico, se establecen los tipos de energía y el presente de las energías renovables, también se analiza el escenario energético mundial y nacional. Además se entregan los fundamentos teóricos sobre la energía eólica, se revisan aspectos generales, ventajas, desafíos y la evolución que ha tenido en los últimos años la utilización de este tipo de energía. En la segunda parte, en el capítulo V, se describen las principales características de un parque eólico y se explican los aspectos claves del negocio, como la importancia de la realización de un estudio de viento, la adecuada selección de la localización y la elección óptima de equipos y aerogeneradores. En el capítulo VI, se presenta el análisis de la industria energética, se identifican las fortalezas y oportunidades que se podrían aprovechar, y problemáticas que se deberían abordar. En la tercera parte del estudio, se desarrollan las partes medulares del plan de negocio, en el capítulo VII se realiza el análisis de mercado, se determinan las oportunidades existentes en la industria y se describe el mercado objetivo al cual se dirigirá el negocio. En el capítulo VIII, se presenta el plan de marketing, definiendo el posicionamiento y el mix comercial que le permitirá alcanzar al proyecto los objetivos establecidos. Ahora bien, la idea es posicionar el parque eólico como una opción real de abastecimiento energético para empresas de la industria en general y particularmente del rubro minero, bajo la premisa de ser una empresa competitiva e innovadora respecto empresas que utilizan fuentes convencionales de generación eléctrica, pero con la diferenciación y ventaja de ser una empresa que genera energía verde, ósea energía con menor efecto contaminante y fundamentalmente con la posibilidad de renovación. Además en esta parte del estudio se muestra el plan de implantación necesario para la ejecución del proyecto, éste consta de 2 etapas, la primera etapa son los estudios de factibilidad técnica y la segunda etapa es la ejecución, ósea construcción y puesta en marcha del proyecto. También se explica el modelo de negocio, definiendo los actores que interactúan y las transacciones presentes en él, se presenta directamente el modelo de negocio de los parques eólicos y se muestra un segundo modelo asociado a los servicios de asesoría en este tipo de estudios. La cuarta parte de la investigación es el estudio económico del proyecto, la metodología utilizada corresponde a técnicas financieras de preparación y evaluación de proyectos. El criterio para evaluar la rentabilidad del negocio se basa en la evaluación presente y futura de los costos y beneficios esperados, medidos a través de la construcción del flujo de caja, con éste se determina si el VAN del proyecto es positivo, ósea si el proyecto es rentable. Además se determina la inversión necesaria, se establecen los ingresos que generará el proyecto y los costos que se deben considerar para la operación del parque. Luego se presenta el flujo de caja proyectado para los 20 años, que es el horizonte de evaluación del proyecto, se calculan los indicadores económicos VAN, TIR, PAYBACK y análisis de sensibilidad, éstos determinarán con cierto grado de certeza si el proyecto resulta ser viable y rentable económicamente. En la parte final del estudio, se realiza el análisis legal, en esta etapa se indaga en los aspectos legales vinculados a las ERNC, el propósito es revisar las disposiciones, obligaciones y beneficios que podrían afectar o favorecer el proyecto. Además se presenta una sección en donde se revisa de manera acuciosa el reglamento del Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental, ya que la adecuada comprensión y cumplimiento de las disposiciones del reglamento determinará la posterior aprobación o rechazo del estudio o declaración de impacto ambiental.

Ingeniero Civil Elctricista / Esta memoria está enfocada en el estudio de conexión de una central eólica al sistema de distribución y la compensación de los reactivos necesaria para que no se produzcan impactos negativos en la operación de una red de distribución. Las restricciones técnicas presentes en las redes de distribución limitan los puntos de conexión para medios de generación distribuido, por eso la necesidad del desarrollo de estudios avanzados del cumplimiento de las normas vigentes al momento de conectarse a una red eléctrica de distribución. En este trabajo se estructura los pasos a seguir para los análisis de las diferentes variables a considerar al momento de conectar un Pequeño Medio de Generación (PMG) a una red de distribución, en este caso específico un parque eólico con compensación de reactivos. Para esto, el trabajo se divide en 3 etapas; primeramente se realiza la investigación de las diferentes tecnologías disponibles para un parque eólico junto con la planificación futura esperada en Chile para este tipo de Energía Renovable No Convencional (ERNC). En la segunda etapa se efectúan los estudios estáticos del alimentador, el cual se proyecta sin el parque eólico por un periodo de 15 años utilizando la tasa de crecimiento enviada por la distribuidora; con esto se busca establecer si existe la necesidad de realizar mejoras o ampliaciones en éste. Por último se realizan los estudios de impacto en el año de conexión del parque y su influencia sobre la red de distribución, para ver las implicancias de la conexión e inyección de potencia y energía, bajo diversos escenarios de estudios que considera casos extremos del alimentador. Se analizó el impacto en los niveles de tensión, en la carga de la línea, los reactivos, factor de potencia y reemplazo de equipos. En conclusión, el análisis permitió corroborar que sí existen impactos en la red de carácter negativo, y por medio de la instalación de un banco de condensadores de 100 kVAr, en el mismo punto de conexión, se logra mantener el factor de potencia en el rango establecido en la NTSyCS. Se proponen como estudios futuros los análisis de Coordinación de protecciones, Estudios de cortocircuito y Estabilidad transitoria.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo pretende dimensionar el efecto de la intermitencia de la generación eólica en el SING sobre los requerimientos de regulación de frecuencia en el año 2020. Para ello se proponen dos objetivos. El primero es cuantificar la modificación de las reservas energéticas primaria y secundaria, producto de la inyección de los aerogeneradores. El segundo corresponde a evaluar la respuesta del control primario de frecuencia ante variaciones intempestivas de viento. Debido a la incertidumbre sobre la composición renovable de la matriz energética al año 2020, se desarrolló e implementó una metodología en base a la información disponible en el Servicio de Evaluación de Impacto Ambiental, para la generación de escenarios plausibles. Esto permitió incorporar una sensibilidad respecto de la potencia instalada total, expresada en el desarrollo de tres escenarios: integración baja, media y alta. Al 2020, las estimaciones de potencia eólica son las siguientes: 567[MW] (caso bajo); 983[MW] (caso medio); y 1.344[MW] (caso alto). A partir de estos valores, y para cada escenario de integración, el estudio realiza una caracterización de la evolución temporal y espacial del viento al interior de los parques eólicos. La evaluación de los escenarios generados permite concluir, con un 97% de certeza, que los requerimientos de reserva primaria se mantienen constantes respecto de sus valores actuales (70[MW]). Sin embargo, la reserva secundaria asciende a 135[MW] para el caso de integración bajo; 158[MW] para el caso medio; y 189[MW] para el caso alto (actualmente su valor es de 60[MW]). Por otra parte, la respuesta del control primario de frecuencia ante grandes variaciones de viento es favorable. La excursión de frecuencia eléctrica se mantiene en rangos aceptables en torno al valor nominal en todas las simulaciones realizadas. Se concluye que la regulación de frecuencia primaria no se deteriora respecto de la situación actual. Sin embargo, se proyecta un crecimiento de los requerimientos de reserva secundaria. Por ello, se recomienda buscar alternativas de almacenamiento energético para apoyar la operación del control secundario de frecuencia.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente / Ingeniero Civil / Se proyecta que impulsado por la denominada ley 20/25 aprobada por el Senado en 2013, al año 2025 el parque generador de energías renovables no convencionales genere un 20% de la energía comercializada en el Sistema Interconectado Central (SIC). Si bien la introducción de este tipo de tecnologías implica contar con energía más limpia desde el punto de vista medioambiental, también involucra desafíos operacionales sobre el sistema eléctrico. Particularmente, la energía eólica tiene una alta variabilidad a nivel intradiario, lo cual implica que el sistema constantemente tiene que compensar las altas fluctuaciones de entrega de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía son una alternativa para mitigar el efecto de estas fluctuaciones. El objetivo general de este trabajo es modificar el modelo hidrotérmico de predespacho MIP-UC del Centro de Energía de la FCFM de la universidad de Chile, para poder estudiar los efectos del uso de sistemas de almacenamiento en el sistema interconectado central. Uno de los objetivos específicos más importantes de esta tesis, es contribuir a la identificación de los puntos del SIC donde sería atractiva la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía. Usando el modelo MIP-UC modificado, se cuantifican los beneficios de la operación de sistemas de almacenamiento en el SIC en un año se simulación, se realizaron 3 etapas de selección en las que se va acotando la lista los puntos del SIC atractivos. Se establecen 4 puntos del SIC de mayor interés para la instalación de sistemas de almacenamiento: las barras Maitencillo 110, barra Degañ 110 y Ovalle 66 además de un sistema acoplado al parque éolico Sarco II. Posteriormente, se modeló un caso de estudio con 100 [MWh] de almacenamiento en cada uno de esos 4 puntos. Si bien los costos totales del sistema no disminuyeron con el uso de SAE s para el rango de capacidad estudiado, sí se produjo un beneficio en cuanto a la reducción en la operación de centrales térmicas y disminuciones considerables en los costos marginales de las barras con sistemas de almacenamiento, disminuciones del orden del 4%, 8% y 30% respectivamente para las barras estudiadas. Esa reducción en los costos marginales se traduce en una disminución del monto que se cancela por suministro de energía del orden de entre [5,1 MM USD] hasta 94,4 [MM USD] al año dependiendo del tipo de hidrología. Desde el punto de vista de los operadores de los sistemas de almacenamiento modelados, se logran beneficios anuales del orden de 1,3 [MM USD] en Maitencillo 110, 0,7 [MM USD] en Degañ y 1,8 [MM USD] en Ovalle 66, sin grandes fluctuaciones al sensibilizar los resultados con hidrologías y eficiencias de almacenamiento distintas. Con los niveles de almacenamiento estudiados y respecto del caso sin almacenamiento, no se aprecian diferencias significativas en la operación de embalses, que pudiesen afectar las condiciones hidroambientales aguas abajo de los embalses,. Se recomienda finalmente realizar estudios más profundos de instalación de sistemas de almacenamiento en los cuatro puntos del SIC señalados como más atractivos.

La presente memoria tiene como objetivo desarrollar un algoritmo y una herramienta computacional para la minimización del costo del proyecto de media tensión, asociado a la interconexión de aerogeneradores en un parque eólico, las que habitualmente se realizan por medio de cables subterráneos. Estos últimos elementos son sometidos a diversas solicitaciones técnicas, siendo las principales las de carácter térmico y eléctrico. La herramienta computacional deberá entregar además un presupuesto para la evaluación en la etapa de pre-factibilidad del proyecto. El problema de búsqueda de las conexiones que minimizan los costos del proyecto de media tensión tiene una complejidad de tiempo exponencial, es decir, no es posible de resolver de manera determinística en un tiempo prudente, por lo cual se propone la aplicación de técnicas de agrupamiento y algoritmos genéticos en la resolución del problema de las interconexiones. En particular, los algoritmos genéticos entregan una solución cercana al óptimo, y se espera que sea suficiente para la etapa de evaluación del proyecto. La ejecución del algoritmo propuesto toma un tiempo razonable en entregar un resultado aceptable. Para el caso de un parque con 47 elementos toma 3,7 horas. Los resultados al aplicar el algoritmo propuesto muestran una diferencia menor al 5% con respecto a una topología que se determinó mediante un método manual, basado en la experiencia de un diseñador. Además el algoritmo permite comparar topologías propuestas por el usuario con el fin de analizarlas bajo las mismas condiciones técnicas y económicas, y así descartar de manera inmediata las que presenten mayores costos. Los trabajos adicionales que a futuro se pueden realizar para complementar los resultados obtenidos son: incorporación de un módulo para el cálculo de conductores aéreos en reemplazo de los cables subterráneos, para aplicarse cuando sea necesario, e implementación de otras técnicas de computación evolutiva para mejorar los resultados y los tiempos de convergencia.

Ingeniero Civil Mecánico / En localidades de difícil acceso, aisladas de la red eléctrica, es común el uso de generadores en base a motores diesel para el abastecimiento de electricidad. Si bien esta solución es fácil de implementar, posee características que llevan a considerar otro tipo de soluciones. Las principales falencias de un generador diesel para el abastecimiento de electricidad son: el alto costo de generación, asociado al costo directo de combustible y costos de mantenimiento del equipo, la disponibilidad de la electricidad y la emisión de contaminantes. En este estudio se busca solucionar los problemas de generación eléctrica de trece escuelas de la comuna de Quinchao, perteneciente al archipiélago de Chiloé. Actualmente la generación eléctrica en estas escuelas se realiza mediante generadores diesel, por lo que el concepto de disponibilidad se torna crítico, considerando que una falla en el equipo significa la suspensión de las jornadas escolares. Es por esto que se busca estudiar sistemas de generación eléctrica complementarios al sistema convencional, que funcionen con fuentes de energías renovables no convencionales (ERNC) solar fotovoltaica y eólica. Se utiliza para esto un software de simulación de sistemas híbridos de generación llamado Homer Energy, el cuál utiliza un criterio de selección económico, que se complementa con criterios técnicos de calidad y confiabilidad de equipos, para resolver qué configuración es la mejor para solucionar los problemas de generación en las escuelas. Para ello se realiza una diferenciación de dos grupos de escuelas: pequeñas (grupo A) y grandes (grupo B). Se selecciona una escuela del grupo A y dos escuelas del grupo B para realizar mediciones relacionadas a la calidad de los recursos energéticos solar y eólico y al consumo eléctrico a lo largo del día, ambos parámetros necesarios para realizar una correcta simulación. Esto se integra con una selección acabada de equipos de cada una de las tecnologías consideradas para componer el sistema de generación. Esta selección se realiza en base a equipos presentes en el mercado chileno, poniendo énfasis en las condiciones climáticas bajo las cuales deben trabajar. Realizada la simulación para un periodo de funcionamiento de 10 años y bajo los criterios económicos y técnicos implementados, se obtiene que para escuelas pequeñas, la configuración óptima consiste en un sistema híbrido FV-Diesel con almacenamiento. Mientras que para escuelas grandes, la configuración óptima consiste en un sistema híbrido FV-Eólico-Diesel con almacenamiento. En ambos casos se obtiene una reducción de los costos totales de generación y lo que es más importante, un aumento en la disponibilidad de la electricidad en las escuelas.