La búsqueda de fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles, ha motivado el interés por la investigación en nuevos métodos para la obtención de energía. Como es el caso de la producción de biodiesel a partir de aceites usados mediante la reacción de transesterificación. Bajo este criterio, la presente investigación se centra en el desarrollo de estrategias de control avanzado de la temperatura del reactor de transesterificación, con la finalidad de mejorar la eficiencia de conversión de los aceites en ésteres metílicos. Adicionalmente, se busca que la estrategia de control propuesta permita cumplir con las restricciones impuestas en la variable controlada (temperatura del reactor) y pueda trabajar alrededor del límite de operación (temperatura de ebullición del metanol). Para la obtención del modelo de la planta que permita analizar la dinámica del sistema y demostrar su complejidad, se usó la técnica de modelamiento matemático, a partir de las ecuaciones de balance de masa y energía. Para el control de la planta objeto de estudio, se propone el uso de un controlador de matriz dinámica cuadrática (QDMC) con restricciones suaves en la variable controlada y restricciones duras en la variable de control y las tasas de cambio de la misma. Este esquema permite evitar la no feasibilidad del algoritmo de programación cuadrática (QP) usado para resolver el problema de optimización del QDMC. Como parte final de la presente investigación y con la finalidad de demostrar la mejora mediante el uso de estrategias de control avanzado para la presente planta, se realizó la comparativa del controlador diseñado con un controlador PID convencional. / Tesis

Photoelectrochemical (PEC) processes have become an efficient and viable method for solar energy conversion into zero-emission fuels by harnessing and storage the power of the sun, which offers an environment-friendly approach. Hydrogen is considered as a sustainable and suitable energy alternative in comparison to energy systems based on the consumption of conventional hydrocarbon fuels. In particular, hydrogen production by PEC water splitting represents an attractive alternative to enhance the efficiency of water splitting process using sun light. Current research in this field is devoted to the fabrication and evaluation of new photoactive materials that upon sunlight absorption enable water-splitting PEC reactions with high efficiency and durability. Silicon based compounds offer a good opportunity as photoactive material due to its high abundance and current scalable technologies. Silicon is the eighth most abundant element in the universe and constitutes up to 27.2% of the earth’s crust weight [1]. Particularly, hydrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:H) thin films have been tested as photocathode material for photo-assisted electrolysis, exhibiting solar to hydrogen conversion efficiencies up to 7.5 %. Due to the capability to tailor the bandgap (1.8 - 3.3 eV) by the incorporation of carbon in a-Si:H, this material has turned out to be a promising candidate for PEC cells, fulfilling the optical bandgap (Egap) primary requirement, i.e. Egap > 2.2 eV. Additionally, the carbon incorporation leads to an enhancement of the corrosion resistance properties in aqueous media. It has been theoretically estimated that a PEC device with an a-Si0.9C0.1:H absorption layer exhibiting 2.0 eV of energy bandgap, can generate a photocurrent density Jph of 15 mA/cm2 (solar-to-hydrogen conversion efficiency ∼18 %) when submitted to an Air mass (AM) 1.5 solar spectrum [2]. The specific value of 1.5 for the Air mass is selected for standardization purposes, based on the analysis of solar irradiance data in the United States, and corresponds to a power of 1000 W/cm2 [3]. In the present work, a similar material a-Si0.5C0.5:H exhibiting 2.76 eV of energy bandgap generates a Jph of 17 mA/cm2 when submitted to the same light spectrum. This reflects an improvement in the use of a-SiC:H in PEC water splitting. Research on single thin film photoactive materials does not typically consider the role of the silicon substrate in the photoelectrochemical performance. In this sense, the photoelectrode is a system formed by a p-p, n-n or n-p structure, which depending on the depth of the space charge region may have an important impact on the photoelectrode performance. In this work, this substrate effect has been considered and studied. PEC performance of a-SiC:H is often limited by its non-ideal energy band-edge alignment to the H2O/O2 redox potential, thus limiting the oxygen evolution reaction (OER) and the whole water splitting process [4]. To overcome this downside, an external bias needs to be applied, contributing to counteract the overpotential required to trigger the direct water splitting reaction. The external bias also contributes to reduce overpotentials due to the presence of a surface SiO2 barrier layer and compensates interface charge carriers recombination as well. Previous studies have demonstrated that by removing the SiO2 native layer vii from a-SiC:H(i) surface, Jph values over 6 mA/cm2 can be achieved at a potential of -1.4 V vs. Ag/AgCl in contrast to values lower than < 4 mA/cm2 obtained without the oxide removal. In fact, the existence of surface states (SS) originated from the hydroxyl group termination on the oxide surface, form an electronic state that is typically located within the semiconductor bandgap. The theory that such states act as recombination centers for minority photo carriers, fits quite well with the assumption that surface recombination competes with charge transfer from the semiconductor band towards the electrolyte. Additionally, it has been reported that depending on the density and energetic position of SS, these can provide another favorable pathway for indirect charge transfer to the solution, competing with the undesirable recombination mechanism. Knowledge in this field is limitated to full-drift diffusion simulations in steady-state and dynamic regimes for photo-anodic currents in crystalline materials. In the current work, an experimental study has been carried out over an amorphous material (a-SiC:H) acting as photocathode for PEC water splitting. Thus, adding knowledge in this field. Attempts to understand the role of a-SiC defects in PEC water splitting performance have been carried out in 2009 by Simonds et al. [5]. As a result of these, defects density in the bulk of the a-SiC increases with carbon concentration, from ∼9 × 1016 cm−3 (6%C) to ∼8 × 1017 cm−3 (11%C), leading to a reduction of the PEC performance. On the other hand, defect densities in the SiC/SiO2 interface (SS) were approximated by Gaussian distributions with maximums of ∼2 × 1012 cm−2 · eV−1 (Ivanov et al. [6]). The latter finding was retrieved from Capacitance-Voltage (C−V) measurements over metal-oxide-semiconductor (MOS) structures, and fit quite well with the SiC SS density distributions reported in this work. The current work consists in three parts. In the first part, Bandgap engineering of a-SiC:H thin films was carried out to assess the material light absorption without compromising its photoelectrochemical water splitting capabilities. The tailoring was performed by varying the hydrogen concentration in the semiconductor and by post-deposition isochronical annealing treatments from 200 to 700 ◦C. By isochronical annealing, the same sample is submitted to the different temperature steps, from low to high temperature. After this analysis, the most suitable samples for water splitting application were evaluated as photocathodes in 1 M sulfuric acid under chopped light illumination. These a-SiC:H samples were doped with aluminum and deposited on different Silicon substrate conductivity types to assess the substrate influence in the a-SiC:H(Al) photocurrent response. This constitutes the second part or the work. Finally, in the third part, the role of SS in the photocathodic current for a-SiC:H(Al) absorber layers was experimentally analyzed. This analysis was based on steady-state and dynamic electrochemical models. Results concerning a-SiC:H(Al) photocathode stability under darkness and illumination conditions are also shown and discussed in this part. Concerning the findings and the novelty in this work, localized a-SiC:H(Al)/SiO2 SS would take part in a desirable mechanism of indirect electron charge transfer viii to the electrolyte, and thus, conduct hydrogen evolution reaction. Related to the SiO2 native layer, the evidence suggests that the SiO2 layer reduction during PEC tests triggers a favorable semiconductor-electrolyte interface. This interface exhibits less overpotential barriers which promotes photocurrent generation. A correlation exists between the retrieved SS density (NSS) and Urbach energy (EU) values. The EU is associated with disorder-induced electronic tail states or Urbach tails, which are localized states near the semiconductor band-edges. This correlation, as well as other a-SiC:H(Al)/SiO2 interface studies, support the reliability of our NSS calculations for the c-Si(p)/a-SiC:H(Al)/SiO2/electrolyte system. Finally, a charge transfer mechanism assisted by photogenerated minority carriers from the c-Si substrate has been also proposed in this work

La realización del presente proyecto de tesis tiene como objetivo principal la investigación de una alternativa sostenible y limpia a la generación de energía eléctrica y térmica mediante el diseño de un sistema fotovoltaico y termo solar en una edificación en la ciudad de Ayacucho. Se compilaron principios teóricos importantes como el aprovechamiento de la radiación solar y los componentes de ambos sistemas, así como también la problemática y las justificaciones meteorológica, eléctrica, económica, ambiental, social y legal. Se midió la energía eléctrica en el mes de agosto del 2023 (12,190.00 Wh), cuyas tomas fueron realizadas con el medidor electrónico de cada piso, y la potencia activa (3,622.05 W), midiendo la corriente y la tensión de cada piso con un instrumento (multímetro), asimismo, se estimó el volumen de ACS para la edificación multifamiliar es 420 L y el porcentaje de uso de acuerdo a la estación y el mes de cada año. Se diseñó el sistema fotovoltaico para cubrir completamente la demanda de energía eléctrica de la edificación, obteniendo como resultado un conjunto de 8 paneles monocristalinos de 500 Wp, 5 baterías de litio de 3,5 kWh cada una, 01 controlador de MPPT de 250 V y 01 inversor cargador de 5200 W. Asimismo, se calculó el calibre del cableado eléctrico para cada tramo según la intensidad de corriente. En el cuarto capítulo se diseñó el sistema térmico solar para abastecer la demanda de ACS, obteniéndose una necesidad de 17 tubos solares Heat Pipe por cada terma solar (4 en total) y un tanque térmico de almacenamiento de 1.60 m de largo y 0.25 m de diámetro por terma. Se determinó la reducción anual de la huella de carbono para cada sistema: 980.15 kg CO2 eq. al implementar el sistema fotovoltaico y 1,490.0 kg CO2 eq. al implementar el sistema térmico solar. Finalmente, se determinaron los costos netos de la implementación de ambos sistemas, el costo estandarizado de generación (LCoE) y el análisis de viabilidad y sostenibilidad mediante los indicadores VAN y TIR, se obtuvieron cálculos que justifican la inversión económica para la implementación de ambos sistemas y un costo de generación eléctrica y térmica más económico y competitivo con respecto al costo de acceso al servicio de la red pública.

Una de las causas más probables del cambio climático es la emisión de los gases de efecto invernadero, producido principalmente por el uso de combustibles fósiles. En la actualidad muchas organizaciones están priorizando el uso de energías limpias para reducir su impacto en la huella de carbono. Según entrevistas realizadas a altos directivos de empresas con alta afluencia de público (centros comerciales, retail, terminales terrestres, entre otros), sus organizaciones buscan ser más sostenibles con el medio ambiente, a través de la reducción de su consumo energético, asimismo, requieren que sus proyectos en sostenibilidad sean de un costo y tiempo de implementación óptimo. Considerando estas necesidades, se propone una solución disruptiva: baldosas inteligentes EcoStep, energía limpia basada en las pisadas de las personas. EcoStep constituye un piso formado por baldosas piezoeléctricas a ser instaladas en los ingresos de centros con alta afluencia de público, ofreciendo interacción con el público y su concientización. Además, la empresa recibe reconocimiento de marca sostenible y disminuye su impacto en la huella de carbono. Para la evaluación y desarrollo de este proyecto se ha realizado un estudio detallado de marketing y operaciones, de la misma manera se ha realizado un análisis financiero del proyecto para evaluar su factibilidad. Se pretende iniciar este emprendimiento desarrollando los primeros proyectos en centros comerciales en la ciudad de Lima, para realizar posteriormente una escalabilidad en otros sectores de alta afluencia de público en todo el territorio peruano. De esta manera con una inversión inicial de US $127,706 y una proyección de operación de cinco años, se ha obtenido un VAN de US$ 867,520 y una Tasa Interna de Retorno de 97%, por lo que se concluye que la solución propuesta es totalmente viable. Por otro lado, el VAN social obtenido es USD 1,252,301, teniendo una relevancia en las ODS 7,8 y 13 de las Naciones Unidas. / One of the most probable causes of climate change is the emission of greenhouse gases, produced mainly by the use of fossil fuels. Currently, many organizations are prioritizing the use of renewable energies to reduce their impact on the carbon footprint. According to interviews conducted with senior managers of companies with a high influx of public (shopping centers, retail, bus terminals, among others), their organizations seek to be more sustainable with the environment, through the reduction of their energy consumption, likewise, they require that your projects in sustainability have an optimal cost and implementation time. Considering these needs, a disruptive solution is proposed: EcoStep smart tiles, clean energy based on people's footsteps. EcoStep constitutes a floor formed by piezoelectric tiles to be installed at the entrances to centers with a high influx of public, offering interaction with the public and their awareness. In addition, the company receives sustainable brand recognition and decreases its carbon footprint impact. For the evaluation and development of this project, a detailed study of marketing and operations has been carried out, in the same way a financial analysis of the project has been carried out to evaluate its feasibility. It is intended to start this venture by developing the first projects in shopping centers in the city of Lima, to later carry out scalability in other sectors with a high influx of public throughout the Peruvian territory. In this way, with an initial investment of US $127,706 and an operation projection of five years, a NPV of US$ 867,520 and an Internal Rate of Return of 97% have been obtained, for which it is concluded that the proposed solution is totally viable. On the other hand, the social VAN obtained is USD 1,252,301, having a relevance in the SDGs 7,8 and 13 of the United Nations.

El presente trabajo constituye una investigación respecto a las energías renovables en nuestro país, considerando su potencial y la problemática institucional que ha impedido cumplir con las metas establecidas en el Plan Energético Nacional 2014-2025 (cubrir el 5% del consumo energético nacional de electricidad con energías no convencionales). Los objetivos planteados en dicho Plan no han logrado consolidarse por la misma debilidad institucional que impide la viabilidad de las políticas públicas para incentivar el uso de energías renovables, así como la falta de un planteamiento estratégico adecuado. Ante estos desafíos, la presente investigación contribuye al análisis de las vulnerabilidades que nuestro país presenta frente al cambio climático y por su excesiva dependencia en energías contaminantes para la manutención de su matriz energética. Por lo mismo, a través de un estudio de las normas que regulan las energías renovables en nuestro país y un análisis comparativo con otras legislaciones, se busca plantear soluciones que permitan impulsar a las energías renovables no convencionales en nuestro país, no sólo para reducir nuestros niveles de contaminación, sino también para reducir las brechas de desigualdad en nuestro país que surgen a partir de dicha problemática.

Mi experiencia profesional se ha desarrollado como asistente de consultoría e investigadora junior en temas de energía en el Perú. He trabajado como practicante preprofesional en Macroconsult en temas relacionados al sector eléctrico y gas natural; en GERENS Consultoría Económica, como asistente de consultoría en temas energéticos y regulatorios; y, actualmente, como investigadora junior en desarrollo económico y energía. En este Informe, se presentará un análisis de la flexibilización de las condiciones contractuales en el mercado de gas natural con la finalidad de promocionar las energías renovables (RER) a un menor costo basado en el trabajo de consultoría Natural Gas Market Rigidities and the Promotion of NC-RER in Peru para el Banco Interamericano de Desarrollo (BID)1. Para ello, se empleó, en primer lugar, un análisis regulatorio del mercado de gas natural, y una simulación simple del parque generador peruano con la finalidad de evaluar las inflexibilidades del mercado gasífero y su impacto en la participación de tecnologías RER en el parque generador a largo plazo.

La presente tesis es una iniciativa individual que está empeñada en mejorar la calidad de vida de la población rural presentando una solución a la problemática de falta de agua para riego en una zona específica del Perú, analizando su geografía, clima, fuentes hídricas y racionalidad de la población. Por lo tanto se realizó el análisis técnico y económico para la selección del equipo óptimo de bombeo en Muskarumi - Pucyura – Cusco usando fuentes renovables de energía, para lo cual se determinó que el caudal de agua necesario para 3 hectáreas de cultivo, durante el día más seco del año, es de aproximadamente 3 l/s por lo que se necesitaría bombear un volumen de 282 m3 al día; por otro lado se definió que el tipo de riego más adecuado para la zona es el de aspersión. Entonces eligiendo los aspersores a utilizar se determinó que se necesita en promedio de 3.5 bar de presión, lo cual nos da la referencia de la altura en la cual se debe ubicar el tanque de agua. Se realizó el análisis económico con el fin de hallar la rentabilidad del proyecto tomando como tasa de interés mínima 11% anual según Agrobanco, por lo que se hallaron los costos fijos y variables de todas las bombas analizadas, así como el costo de producir vegetales en la zona, para luego realizar un análisis financiero mediante las técnicas de evaluación del valor actual neto y tasa interna de retorno determinando qué productos agrícolas harán factible el proyecto. Por lo expuesto antes, según el análisis económico, los requerimientos de caudal y presión para el sistema de riego se seleccionó la bomba solar como el equipo óptimo de bombeo para la zona de estudio, además se determinó que el producto en generar mayor utilidad es la cebolla. Aplicando el uso de la bomba solar, el costo aproximado del proyecto de bombeo y riego es de aproximadamente $39 000 cuyo valor actual neto es de $54 000 y tasa interna de retorno es de 58%, lo cual nos indica la rentabilidad y factibilidad del mismo.

El uso de energías renovables en cualquier lugar de nuestro país requiere tener información actualizada sobre las características y operación de las alternativas de equipos que se pueden instalar. También es muy importante el conocer si existe o no recurso disponible en el lugar donde se planea realizar la instalación Actualmente en nuestro país sólo existen datos confiables respecto del recurso solar, tal vez este hecho ha influido en que la energía solar sea la que más aceptación tenga en nuestro medio, sin embargo existe también energía del viento que puede y debe ser aprovechada. En este trabajo se realiza un estudio de las características de salida de energía que tendría un sistema híbrido (solar–eólico) en la localidad de Ilo. Se escoge este lugar debido a que se cuenta con datos precisos de viento (velocidad y dirección) proporcionados por la Municipalidad Provincial de Ilo, asimismo se tienen disponible los datos de radiación solar y con ello es posible realizar un estudio preciso sobre la salida de energía del sistema. Para lograr esto se desarrolla en los primeros capítulos la metodología que permite hacer el tratamiento estadístico de los datos con que se cuenta. Teniendo como base un ejemplo hipotético, pero bastante realista, de consumo de energía en una localidad rural se establecen la demanda de energía que se requiere para satisfacer necesidades básicas de luz y agua. Finalmente y estableciendo a partir de las alternativas que ofrece el mercado, la configuración del sistema solar–eólico, se puede conocer la energía que es capaz de suministrar el sistema y hacer la comparación con la alternativa de grupo electrógeno la cual es una de las más utilizadas en nuestro país para suministrar energía en situaciones de aislamiento.

La importancia de estudiar este tema en particular radica en la baja proporción de empresas en el Perú que se dedican a la producción y ensamble de productos, debido a que las empresas más grandes actualmente se dedican a las actividades económicas extractivas o de servicios. El Perú tiene el acceso a una gran cantidad de recursos energéticos debido a su excelente localización, sin embargo, no siempre se aprovecha en su totalidad. La metodología para este trabajo ha sido descriptiva, buscando información de diversas fuentes reconocidas en temas de energías renovables. Además, se ha indagado en artículos y bases de datos gubernamentales datos que sustenten la explicación de los conceptos y la situación actual de las energías renovables en el Perú. Este trabajo se enfoca en explorar cuáles son los diversos tipos de energía y cómo se relacionan con la matriz energética del país. Explorar los beneficios de la energía solar en aspectos sociales, económicos y ambientales y cómo es que los distintos tipos de energía renovable permiten mejorar la calidad de vida de los peruanos que aún no tienen acceso a servicios básicos eléctricos a través de proyectos de Electrificación Rural. Finalmente, se concluye que las energías renovables y, en especial, la energía solar fotovoltaica se muestran como el futuro de la matriz energética del Perú, siendo prioridad en proyectos de electrificación rural, beneficiando cada vez a más peruanos a acceder a servicios de calidad.

El uso de la energía eléctrica es indispensable en la vida diaria de las personas. Demográficamente, gran parte del sector urbano cuenta con acceso a este servicio; sin embargo, en el sector rural existen grupos humanos que no tienen acceso a este recurso. Dada esta necesidad, se ha ido impulsando el uso tecnologías renovables, entre las cuales la hidroeléctrica se presenta como la más viable, teniendo en cuenta la geografía del país, con la finalidad de facilitar el acceso a este tipo de energía. En el presente trabajo, utilizando el método de la matriz morfológica, se diseñó un sistema generador hidroeléctrico portable que aprovecha el desplazamiento de masas de agua en canales como fuente de energía cinética. Para ello se empleó una turbina hidrocinética, la cual adquiere un movimiento rotatorio al paso del fluido con la finalidad de convertir la energía cinética en mecánica. Asimismo, gracias a un generador de imanes permanentes acoplado al eje de la turbina en movimiento se puede generar electricidad alterna. Luego, esta corriente fue acondicionada para la carga de dispositivos electrónicos mediante un circuito rectificador y un regulador de tensión. Por último, se logró diseñar una máquina de cumple con los requerimientos y exigencias de diseño que garanticen la generación de 10W de potencia eléctrica. Además, se resalta la importancia que significaría el uso de esta máquina en zonas remotas y la implicancia en la calidad de vida de las personas de estas regiones.