Memoria para optar al título profesional de: Ingeniera en Recursos Naturales Renovables / El presente estudio consistió en la determinación de sitios con aptitud para el desarrollo de proyectos de energía undimotriz en la Región de Valparaíso. Debido a que en el país se ha venido sosteniendo la necesidad de incorporar energías renovables no convencionales a la matriz energética para reducir su vulnerabilidad y dependencia, las energías marinas surgen como una alternativa viable para la generación de energía debido a su gran disponibilidad (por los más de 4000km de costa expuesta al Océano Pacífico) y al gran potencial para generar energía a partir de las olas (cuyo régimen es alto y constante en comparación a otros tipos de energías). Los principales objetivos fueron identificar variables a partir del estudio de casos internacionales, definir los criterios que se considerarían para la selección de sitios en función de cada variable y finalmente, la obtención de un mapa esquemático con los mejores sitios para la instalación de proyectos de energía undimotriz. Las variables consideradas para el estudio se dividieron en tres categorías: acceso al recurso, infraestructura de apoyo y restricciones que pudieran limitar la instalación de los proyectos. Cada una de estas variables fue analizada en el contexto regional de Valparaíso y según su aptitud o compatibilidad con proyectos de energía undimotriz, por lo que posteriormente se construyeron cartografías con los resultados de cada una de ellas para finalmente, obtener una única cartografía con los sitios con mayor aptitud. A partir de la distinción de áreas restringidas y áreas condicionadas, se lograron identificar sitios con aptitud para el desarrollo de proyectos de energía undimotriz. Posteriormente se consideró la cercanía a puertos y subestaciones eléctricas para definir los sitios prioritarios en la Región, con lo que se lograron identificar siete sitios prioritarios en la Región de Valparaíso, de los cuales dos se encuentran en las cercanías al puerto de Quintero, tres al puerto de Valparaíso y dos al puerto de San Antonio. Finalmente, se concluye que del total de sitios considerados como aptos para la instalación de proyectos de energía undimotriz (siete) el sitio N°2 es el que reúne aun mejores condiciones que el resto, principalmente debido que es un sitio que tiene buen acceso al recurso, se encuentra dentro del área de influencia de la infraestructura de apoyo (puertos y subestaciones eléctricas) y no presenta restricciones de ningún tipo (salvo la condicionante del área de influencia de las caletas). Al mismo tiempo, las condiciones de potencial de olas son favorables con las tecnologías existentes para la generación de energía undimotriz. / This study attempted to identify site assessment suitable for wave energy project development in Valparaiso region. The country has been arguing the need to incorporate non conventional renewable energies to the energy matrix to reduce its vulnerability and dependence, marine energy comes as a viable alternative for power generation due to its wide availability (by more than 4000 km of coastline exposed to the Pacific Ocean) and the great potential for generating energy from waves (whose regime is high and constant compared to other types of energy). The main objectives were to identify variables from the study of international cases, define the criteria to be considered for the selection of sites based on each variable and finally obtaining a schematic map with the best sites for the installation of energy wave projects. The variables considered for the study were divided into three categories: resource access, supporting infrastructure and restrictions that may limit the installation of projects. Each of these variables were analyzed in the regional context of Valparaiso and according to their ability or support to wave energy projects, so later mappings were constructed with the results of each of them to finally get a unique mapping with sites with higher aptitude. From the distinction of restricted and conditioned areas, it was able to identify suitable sites for development of wave energy proyects. After that, proximity to ports and electrical substations were considered to identify prioritary sites in the region of Valparaiso, wich allowed to identify seven sites: two in the vicinity of the port of Quintero, three of the port of Valparaiso and two more in the vicinity of San Antonio. Finally, the conclusion was that from the total number of sites (seven) considered as suitable for the installation of wave energy proyects, site N°2 was the one that brought together the best conditions than the other sites, mainly because it is a site that has good access to resource, it is within the supporting infrastructure area of influence (ports and electrical substations) and has no restrictions of any kind (except for the conditioning of the area of influence of the creeks). At the same time, conditions of wave potential are pro with existing technologies for the generation of wave energy.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / Las energías marinas contemplan a la energía de las olas, de las mareas, las corrientes oceánicas, las corrientes estuariales y las gradientes de temperatura y salinidad. Se estima que el potencial técnicamente explotable de energías marinas a nivel mundial podría satisfacer cuatro veces la demanda mundial de energía eléctrica, aunque dado el insuficiente desarrollo tecnológico alcanzado retrasa las perspectivas de crecimiento de esta industria. En el caso de Chile, los más de cuatro mil kilómetros de costa y la influencia de diferentes frentes de olas provenientes de distintos puntos del océano pacífico, indican un alto potencial. Un estudio encargado por el BID establece que ese potencial está en torno a los 145 GW de potencia técnicamente explotable, 11 veces la capacidad instalada actual. Sin embargo, existe una serie de barreras al desarrollo de las energías marinas en Chile, donde hasta el momento no se han desarrollado proyectos a escala comercial. Las barreras normativas e institucionales están relacionadas con un marco normativo disperso y creado para otros fines, lo que resulta en un sistema de trámites y permisos poco eficiente. En el aspecto económico las principales barreras pasan por el alto costo de las tecnologías en fase de prototipos, los altos costos de operación y la desconfianza de la banca al otorgar créditos para la inversión. Respecto a las barreras tecnológicas, las principales corresponden al riesgo tecnológico de los prototipos en fase de pruebas y la falta de capital humano especializado que permita implementar la industria a nivel local. Finalmente, se requiere de un esfuerzo público privado coordinado y coherente que permita mejorar el marco normativo aplicable, entregar apoyo financiero y técnico al desarrollo de la industria, y generar capacidades locales que permitan la consolidación de una industria capaz de satisfacer sus propias necesidades. / Marine energies considerer wave energy, tidal, ocean currents, estuarine currents and temperature and salinity gradients. It is estimated that the technically exploitable potential of marine energy worldwide could meet four times the global demand for electricity, although given the insufficient technological development achieved delay the growth prospects of this industry. In the case of Chile, more than four thousand kilometers of coastline and the influence of different wave fronts coming from different parts of the Pacific Ocean, indicate a tremendous potential. A study commissioned by the IDB states that this potential is around 145 GW of technically exploitable, 11 times the current installed capacity. However, there are a several number of barriers to the development of marine energy in Chile, where so far no projects have been developed on a commercial scale. Policy and institutional barriers are related to a dispersed regulatory framework created for other purposes, resulting in a system of inefficient paperwork and permits. On the economic side the main barriers pass through the high cost of technology in prototype stage, high operating costs and distrust of banks in lending for investment. Regarding the technological barriers, the main technology risks correspond to the prototypes in testing and lack of specialized human capital to enable the industry to implement locally. Finally, it requires a public-private effort coordinated and coherent approach to improve the regulatory framework, provide financial and technical support for the industry development and building local capacity to enable the consolidation of an industry capable of meeting their own needs.

Ingeniera Civil Mecánica / La demanda de energía eléctrica está en constante crecimiento y actualmente la generación del país proviene de fuentes no renovables. El cambio climático es inminente por lo que se requiere una solución. Es por esto que el gobierno de Chile impuso una agenda energética para el país, en la cual se declara que para el 2025 el 20% de la energía eléctrica debe ser producida mediante energías renovables no convencionales. La extensa costa del país y las características de su oleaje hacen que la energía marina se plantee como una solución al problema anterior. El presente trabajo de titulación trata del estudio de generación de energía undimotriz mediante una boya fijada a la costa con un brazo mecánico, basado en el dispositivo Wave Star Energy, de la Universidad de Aalborg, Dinamarca. El movimiento vertical oscilatorio de las olas permite que la boya suba y baje trasmitiendo este vaivén al brazo mecánico, el cual acciona un pistón conectado a un circuito hidráulico. Con este último se obtiene la potencia eléctrica. El objetivo principal del proyecto es estudiar el comportamiento que tiene este equipo en las costas chilenas y optimizar su desempeño. Para ello en primer lugar se seleccionan 3 ubicaciones que representan el norte, el centro y el sur de Chile y se evalúa el recurso undimotriz que poseen sus oleajes. Luego se desarrolla una simulación en el programa de modelación ANSYS, en el módulo AQWA del cual se obtienen los coeficientes hidrodinámicos preliminares del dispositivo sin considerar los efectos que provoca la presencia del circuito hidráulico, en primera instancia. En seguida, gracias a la librería de código abierto WEC-Sim, se agrega esta influencia, con lo cual es posible conocer las potencias absorbida, mecánica y eléctrica que se producen con el dispositivo. Se valida la metodología usada comparando los resultados con un estudio anterior realizado en Francia. Además, se analiza el efecto que tiene variar la dirección predominante de las olas en la capacidad de absorción de la energía y los resultados arrojan que se debe preferir ubicar el brazo de la boya, de forma paralela a la dirección de las olas. Luego, se varían los parámetros que determinan los equipos y elementos mecánicos del circuito hidráulico de forma que el sistema se optimiza específicamente para el oleaje promedio de las costas chilenas, que implica periodos altos con alturas significativas variadas entre los 0,5 y los 5 metros. Finalmente, se evalúa el desempeño del dispositivo en las 3 ubicaciones escogidas, obteniéndose un promedio de 43 kW para la localización de Huentemó, décima región.

Ingeniero Civil / Chile depende excesivamente de las centrales hidroeléctricas y de los combustibles fósiles para producir energía eléctrica. Esta situación queda de manifiesto ante escenarios de déficit de abastecimiento eléctrico en años de sequías, y de elevados precios de la energía eléctrica sujetos al aumento del precio internacional del petróleo. En este contexto han surgido incentivos por parte del gobierno de Chile para la generación eléctrica asociada a fuentes renovales no convencionales, como parte de un programa que permita diversificar la matriz energética nacional por medio del desarrollo sustentable de nuevas tecnologías menos invasivas para el medio ambiente. Estudios recientes han presentado las zonas costeras de Chile con mejores posibilidades de aprovechamiento de las corrientes mareales como fuente de generación eléctrica, destacando al Canal de Chacao como uno de los sitios más atractivos en cuanto a este recurso. En el presente trabajo de memoria se utilizó el modelo hidrodinámico MIKE 21, para implementar un modelado numérico bidimensional capaz de caracterizar hidrodinámicamente las corrientes de marea del Canal de Chacao. Este modelado fue calibrado en base a distintos datos de niveles de mar y velocidades de corrientes disponibles en el sector, y los resultados obtenidos permitieron caracterizar los patrones de flujo del Canal de Chacao; localizar la zona más atractiva donde instalar un parque turbinas marinas M.C.T; cuantificar la cantidad de energía eléctrica que este parque es capaz de generar anualmente; y analizar la viabilidad económica de instalar el parque de turbinas, incluyendo la evaluación de las externalidades asociadas a este proyecto de generación.

Ingeniero Civil Eléctrico / En los últimos años, se ha incrementado la preocupación por incorporar e integrar de mejor forma las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) a los sistemas eléctricos, para lo cual se han propuesto los sistemas de almacenamiento. En este contexto, este trabajo analiza una central de bombeo (PHS, Pumped Hydroelectric Storage) en el sistema eléctrico nacional al año 2020, comparando tres estrategias de despacho para un conjunto de generación que incluye unidades fotovoltaicas de 600 MW y unidades PHS de 300 MW. Las tres estrategias de despacho a analizar son: (1) generación base: consistente en operar la central fotovoltaica y PHS en conjunto de forma tal de entregar potencia constante durante 24 horas; (2) minimización de costos: tanto la central fotovoltaica como la PHS operarán para reducir los costos de operación del sistema (i.e. en función del despacho económico de mínimo costos); y (3) maximización de utilidades: la PHS operará de forma tal de maximizar las utilidades por concepto de compra/venta de energía al propietario de las centrales. De los resultados obtenidos, se desprende que el despacho de generación base es el más ineficiente para el propietario de las plantas de generación y el beneficio sistémico es relativamente menor al otorgado por el despacho de minimización de costos. Por otro lado, la operación minimizando costos del sistema es la que mejor aprovecha las propiedades de la central PHS, reduciendo los costos de generación, las emisiones de contaminantes y el vertimiento de las ERNC; ahora bien, los ingresos percibidos, en especial por la central PHS, son relativamente menores. En contraste, la metodología de maximización de utilidades brindó mejores retornos económicos al propietario de las centrales (1,4% de aumento con respecto al caso de despacho de mínimo costo), pero también aumentó levemente el costo del sistema (0,95%) y el pago de la demanda (0,57%) respecto al caso de minimización de costos; esto, debido a que se confirmó (mediante una manera cuantitativa) el poder de mercado existente y que potencialmente podría ejercer la central PHS. Aunque la pérdida de eficiencia sistémica es relativamente menor en términos promedio cuando el propietario despacha su central, se demuestra que existen horas donde hay un gran potencial para ejercer poder de mercado (donde las variaciones de precios pueden llegar a ser de un 57,2%), tanto en horarios de carga (alrededor del mediodía cuando el dueño de la central se ve tentado a limitar su consumo con el fin de no aumentar precios de mercado) como en la descarga de la PHS (en el horario de demanda máxima, cuando el propietario se ve tentado a limitar su generación para no disminuir los precios de mercado). Estos resultados podrían tener importantes implicancias en términos regulatorios y de monitoreo de mercado.

Ingeniero Civil Mecánico / El contexto nacional energético vive una realidad que no puede ni debe relegarse a segundo plano. La huella de carbono asociada a la producción de energía convencional en base a combustibles fósiles es una realidad que en todo país desarrollado se reduce al máximo posible, invirtiendo en la investigación, desarrollo e implementación de alternativas renovables no convencionales como la energía eólica, solar, termosolar, mareomotriz y geotérmica. Desde el aprovechamiento de los vientos hasta el potencial geotérmico, todas las alternativas no convencionales utilizan como recurso de entrada un potencial natural y, en la práctica, infinito. Sin embargo, todas comparten la misma desventaja: El bajo factor de planta, y por consiguiente, un bajo potencial nominal de producción por unidad de divisa invertida. Esto ha sido la principal piedra de tope que ha impedido la diversificación de la matriz energética en los países del tercer mundo. En el presente trabajo se aborda un análisis de una turbina de flujo cruzado adaptada, que pretende aprovechar la energía proveniente de las corrientes marinas, estudiando a través de simulaciones transientes bidimensionales el impacto de la incorporación de guías internas de flujo en el torque al eje, potencia obtenida y coeficiente de potencia del prototipo. Para ello, primero se realizó un análisis cinemático del rotor, el cual arrojó las principales variables involucradas en el estudio analítico del rotor, tales como las velocidades relativas y absolutas, y los ángulos relativos y absolutos de inyección y salida de los álabes. En base a esto, se diseñaron las 19 guías internas de flujo que entregaron un análisis de sensibilidad del largo y número de guías utilizadas, y del ángulo de diseño de un inhibidor de vórtices. Con estos resultados, se obtuvieron curvas de tendencia que revelaron la dependencia de los resultados de las variables de diseño utilizadas. Los gráficos de tendencia son muy concluyentes. Ninguno de los casos analizados pudo proponer una configuración de guías internas capaz de elevar el coeficiente de potencia del prototipo. Sin embargo, tanto los contornos presentados como los gráficos finales obtenidos generan una sólida base para futuros estudios en una turbina de flujo cruzado que pretenda aprovechar un recurso axial, y se espera que su análisis transiente rotativo pueda servir como un fidedigno punto de comparación para estudios relacionados.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / En el siguiente documento se muestra el proceso de diseño y construcción de un sistema undívago para extracción de energía de las olas del mar. El documento comienza con un acercamiento a esta materia destacando el recurso energético disponible en las olas del mar, las tecnologías que hoy lideran el mercado y su clasificación. Luego se detalla el equipamiento experimental construido e instalado en el laboratorio, previo y necesario para el diseño del sistema undívago. Se construye un generador de olas y se deja instalado en el estanque de agua del laboratorio de Síntesis de Máquinas Inteligentes del DIMEC . El costo del generador de olas es de $54.500. La etapa de diseño está caracterizada por la elaboración de modelos a escala que se prueban en el estanque de agua y el generador de olas. Se selecciona una estructura a construir y se realizan modelos analíticos del comportamiento dinámico que tendría la estructura en el ambiente marino. Luego se diseña la estructura final con todos sus componentes mecánicos, procurando que pueda ser construida en los talleres de la FCFM y el laboratorio de Fabricación Digital (Fab Lab) de la Universidad. Se elaboran los planos de las piezas a fabricar y la lista de materiales a comprar. El capítulo 5 muestra todos los procesos de manufactura utilizados para la construcción de las piezas diseñadas, adjuntando fotos y descripciones detalladas. Se construye el sistema y se nombra Nahuenrew, que en la lengua Mapudungun significa energía de las olas. Se realiza una prueba a Nahuenrew en el ambiente marino, en la playa de Pichidangui. Los resultados fueron más bajos de lo esperado pero satisfactorios pues se cumplen los objetivos propuestos para el trabajo. El costo del sistema Nahuenrew es de $658.000. Finalmente se analiza el comportamiento del sistema Nahuenrew durante la prueba en el ambiente marino y se propone mejoras que pueden ser ejecutadas tanto en el corto plazo como otras más elaboradas que requieren tiempo. Se estima también la potencia que sería posible generar mediante un aerogenerador ideal con la energía extraída durante la prueba. Esta potencia tiene un límite máximo de 50[W].

Ingeniera Civil Mecánica / La energía undimotriz es una energía limpia, abundante y promisoria, pero aún no se ha explotado a gran escala. Como consecuencia, existen prototipos que aprovechan de manera distinta las olas incidentes según distintos supuestos de operación. La zona sur y central de Chile aparece con una de las mayores concentraciones de energía undimotriz en el mundo. Esto, sumado a la extensión de su costa, lo hace atractivo para llevar a cabo una evaluación en profundidad de las posibilidades de explotación del recurso. El objetivo del presente trabajo es obtener y analizar la potencia generada por un conversor undimotriz oscilante bajo las condiciones de oleaje de la costa chilena, mediante la simulación en Ansys ® AqwaTM y WEC-Sim de distintas geometrías. El dispositivo corresponde a una placa de grandes dimensiones que se encuentra fija en el fondo marino y que oscila por la incidencia de las olas accionando dos pistones hidráulicos. El circuito hidráulico incluye acumuladores de alta y baja presión, un motor hidráulico y un generador eléctrico. Primero se seleccionaron 5 ubicaciones cercanas a la costa y con distinto recurso con la ayuda del Explorador Marino Undimotriz. La profundidad de los sitios seleccionados fue de 14 metros. Luego se crearon 3 geometrías distintas en SolidWork® para la placa oscilante basadas en un dispositivo existente llamado Oyster ® que fue desarrollado por la empresa Aquamarine Power Ltda.. Después se define el sistema en Ansys ® Hydrodynamic DiffractionTM para obtener, a partir de la simulación, coeficientes hidrodinámicos en un rango de frecuencias. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo de las fuerzas de difracción y de radiación presentes en la ecuación de movimiento de la placa. Los datos inerciales de la geometría más los coeficientes hidrodinámicos permiten, mediante la simulación en WEC-Sim, calcular las potencias obtenidas por el dispositivo, esto es, potencia absorbida, mecánica y eléctrica. Para conseguir las potencias se asumieron olas regulares, el flujo del pistón se consideró compresible y se omitieron las distintas variaciones que pueden presentarse en el circuito hidráulico. Los resultados muestran que de las 3 geometrías, la placa basada en Oyster® es la que mejor se comporta alcanzando niveles de potencia de 700 kWe en uno de los sitios cercanos Puerto Montt. Esto además sucede para una ubicación cercana a Puerto Corral y con un factor de captura de 55% a 60% en ambos casos. Con respecto a las ubicaciones estudiadas, para las 3 geometrías se presentó una mejora en su desempeño en Puerto Montt y Puerto Corral, además, todos generan su menor potencia en Puerto San Vicente. De todas maneras la potencia generada no es lo único importante en el estudio de estos dispositivos, sino que también importa la variabilidad del recurso estacional, que para el caso de Chile es baja, permitiendo generar no sólo un buen nivel de potencia, sino que además se mantiene en el tiempo. Por último, se realizó un estudio de la variación de la potencia en función del periodo de ola y su altura, para rangos típicos de las olas chilenas. Analizando las 3 geometrías con el estudio, se observó que el dispositivo con geometría similar a Oyster presenta la mayor estabilidad de funcionamiento con respecto a la variabilidad del recurso.

Ingeniero Civil Mecánico / En este documento se detalla el diseño, la construcción y el estudio de un sistema undimotriz a pequeña escala conformado por módulos dispuestos linealmente el cual flota y describe la forma de las olas, además acumula presión gracias a la presencia de actuadores neumáticos. El trabajo tiene como fin maximizar la acumulación energética bajo ciertas condiciones de oleaje en un laboratorio mediante el bloqueo automatizado de las articulaciones entre módulos. Inicialmente se refiere de forma general la memoria de título Diseño y Construcción de Sistema Undívago para la Conversión de Energía , en él se describe el sistema denominado Nahuenrew, proyecto en el que esta memoria está basada. Luego se describen generalmente otros tipos de tecnologías undimotrices. Se describe la metodología de desarrollo del proyecto el cual involucra el diseño con herramientas de fabricación digital, la construcción e implementación del sistema con marcadores para la captura de datos mediante un OptiTrack el cual graba su movimiento según las variaciones de la frecuencia de un generador de olas. Una fase experimental fue intervenir en los grados de libertad del sistema bloqueando algunas articulaciones para analizar el comportamiento del sistema y comprar su comportamiento al estar con todos sus grados de libertad con el sistema con unos módulos bloqueados. Finalmente se automatiza el sistema y se logra maximizar la carrera total de los actuadores del mecanismo bloqueando los módulos según la frecuencia con la que la ola hace oscilar el prototipo. Y se logra aumentar la carrera de un actuador Los resultados de este proyecto validan que es posible aumentar la captura de aire presurizado al bloquear ciertos módulos.

Ingeniero Civil Eléctrico / El generador de inducción doblemente alimentado es una tecnología relativamente nueva y se prevé una fuerte inserción en el mercado durante los próximos años debido a su aplicación en la generación eólica. El objetivo de esta memoria es analizar la factibilidad de su utilización en otras fuentes de energía renovables, como la hidráulica y la del mar, y comparar los resultados con las tecnologías tradicionalmente utilizadas en esas centrales, dentro del ámbito de la generación a velocidad variable y frecuencia fija. Para esto se realiza un estudio teórico, luego se simula el desempeño del DFIG y finalmente se desarrolla un anteproyecto para una aplicación en Chile. La comparación teórica arroja ventajas del DFIG en costos de construcción y operación, mientras que se ve mermado en costos y dificultad de mantención. Así, su utilización es recomendada para potencias medias y altas, es decir, en aplicaciones eólicas o de corrientes marinas. En otras fuentes la potencia extraíble no es suficiente para que su uso sea óptimo. De las simulaciones se obtienen factores de planta altos para las corrientes marinas (40,6%) y olas (30,2%). Para aplicaciones eólicas el factor es realista (28,5%) mientras que en lechos de ríos se descarta la aplicación debido a la baja eficiencia (20,9%). Con los resultados de las simulaciones se realizan evaluaciones económicas considerando escenarios con y sin inflación, emisión de bonos de carbono y ventas de cuotas ERNC. Los resultados entregan resultados positivos sólo para la energía eólica y las corrientes marinas, destacándose que para este último recurso los VAN y TIR son los mejores en cada escenario. También se debe destacar que en todos los casos es necesaria la venta de cuotas ERNC para que los proyectos sean económicamente viables, mientras que la emisión de bonos de carbono no es trascendental. Finalmente, se evalúa la construcción de una central de aprovechamiento cinético de las mareas en el Canal de Chacao, compuesta de 40 turbinas de 2,5 MW cada una, obteniendo un factor de planta superior al 41% y resultados económicos muy positivos (VAN cercano a los 40 millones de USD, TIR 16% y PRC de 7 años). Así se confirma la buena proyección de este tipo de aplicación del DFIG y se recomienda en lo inmediato mejorar la calidad de las mediciones que se disponen en Chile, así como las estimaciones de los costos de inversión, operación y mantenimiento, debido a que son las variables más sensibles en el análisis y de las que menos certeza se tiene.