El objetivo general del presente trabajo de título es desarrollar los requerimientos tecnoeconómicos de un nuevo sistema de gestión de la energía, para incorporarlo a la oferta de la Compañía Americana de Multiservicios (Cam LTDA.); se espera ilustrar las necesidades, caracterizar el mercado y mostrar los argumentos necesarios, de modo que esta opción se evalúe en los comités correspondientes. Además, se desea enmarcar esta tecnología dentro del nuevo paradigma que plantea la evolución de las redes eléctricas actuales hacia redes inteligentes. Cam LTDA. es una empresa experta en implementar proyectos de gestión energética, que apuntan a un segmento del mercado que considera grandes empresas, por ejemplo, distribuidoras de energía eléctrica. Para abarcar a clientes menores, como cooperativas y mediana empresa, se requiere de un producto, de precio más accesible a los presupuestos que manejan estas organizaciones y que se perfile como un servicio que sea una herramienta diseñada para entrar en un ciclo de mejoramiento continuo, en la administración de los recursos energéticos. Se determinaron los requerimientos técnicos a incorporar en el software de EMH, tomando como base la actual propuesta que oferta Cam LTDA. Junto con esto, se realizó una evaluación económica del sistema, comparándolo con la inversión requerida para implementar el actual producto de Cam LTDA, mediante el análisis del Valor Actual Neto del proyecto. Al comparar las opciones, el sistema de gestión de la energía en base a medidores EMH entrega resultados favorables. Con esta evaluación, más los beneficios que entregaría el servicio, los clientes pueden justificar el costo que implica implementar este sistema en sus instalaciones. Sobre la base de estas propuestas, se concluye que se presenta una oportunidad comercial, que consiste en abordar a estos clientes, incorporando servicios y productos que entreguen una alternativa de altas características técnicas y que sea competitiva, para ser un referente de innovación con altos estándares de calidad para las grandes y medianas empresas latinoamericanas. El futuro desafío es incorporar esta nueva tecnología, la cual ya está siendo implementada en el sector de las generadoras, transmisoras y distribuidoras, en los otros actores del mercado eléctrico, es decir los consumidores industriales, comerciales y organizacionales. La evolución en Chile de las redes inteligentes sigue este camino, y en un futuro llegarán hasta los consumidores residenciales. Masificar los sistemas de monitoreo y gestión de la energía es un paso más que los actores del sector eléctrico deben dar, pues constituye parte fundamental para la implementación de las redes inteligentes, las cuales se perfilan como un nuevo paradigma para el mercado energético.

Actualmente, los países industrializados generan la mayoría de su electricidad en grandes instalaciones. Estas centrales explotan economías de escala en inversión y operación, pero se encuentran ubicadas a grandes distancias de los puntos de consumo y muchas de ellas causan gran impacto medioambiental. En este contexto aparece el concepto de Generación Distribuida (GD), basado en energía renovable. Estas tecnologías consisten en centrales de mediana y pequeña escala, conectadas directamente a los sistemas de distribución. Para explotar los beneficios de la GD, es necesario que exista una correcta coordinación de las unidades en una red local. De aquí nace la idea del Generador Virtual (GeVi), ente encargado de la coordinación operacional de distintas unidades de GD, optimizando su desempeño conjunto. El objetivo general del presente trabajo de título es proponer, desarrollar y evaluar un sistema de gestión de energía (Energy Management System o EMS) automatizado, para una aplicación real en la comunidad rural de Huatacondo, primera región de Tarapacá. Para ello, en base de un trabajo previo se desarrolla una herramienta computacional, integrando predictores de consumo, potencia eólica y potencia fotovoltaica con un optimizador lineal entero mixto. Tomando en cuenta la naturaleza estocástica de la velocidad del viento y del movimiento de las nubes, se hace imprescindible contar con una herramienta que sea capaz de reaccionar ante diferencias importantes entre las predicciones y la realidad, de manera de optimizar y dar una mayor confiabilidad al GeVi. Con el fin de lograr esto, se utiliza la metodología de ventana deslizante. La metodología propuesta se valida empíricamente a través de una simulación de tipo Monte Carlo, generándose 500 escenarios de la operación del EMS, tanto para el caso con y sin ventana deslizante. Como entradas relevantes de las pruebas se utilizan perfiles reales y predicciones de: consumo eléctrico, potencia solar y potencia eólica. Para realizar este trabajo, se analizan datos históricos de velocidad de viento, consumos y potencias fotovoltaicas en la microred de Huatacondo. Dado que al momento de realizar este trabajo la microrred no se encontraba en pleno funcionamiento, se simula la operación de ésta. Se trabaja con un horizonte de evaluación de 2 días y una tasa de refresco de 1 hora. Los resultados obtenidos corroboran los beneficios del uso de ventana deslizante. Se determina el ahorro o gasto adicional con respecto a no haber implementado la metodología de ventana deslizante. En un 98.8% de los casos se presenta reducción de costos. El promedio de ahorro fue de un 10.4% al utilizar ventana deslizante. Esta metodología requiere 23 veces más recursos computacionales que sin hacer uso de ella, tardando 31 segundos por ejecución en un computador personal para un total de 12 minutos con 19 segundos en promedio para el predespacho de un día. Como líneas de investigación futura se propone realizar un análisis de la operación real en Huatacondo y el predespacho dado por el EMS. Además, se puede analizar el impacto del desplazamiento de demanda que no fue considerada en este trabajo. Finalmente, se propone generalizar el EMS para permitir una fácil aplicación a otras microrredes de características distintas.

Tesis por compendio / [ES] Las fuentes de energía renovable (ER) permiten una alta disgregación, por lo que hacen posible generar la energía que se utilizará en el mismo sitio de su aprovechamiento. Esto favorece un cambio en la estructura de las redes eléctricas, permitiendo pasar de un esquema de generación centralizado a un esquema distribuido. Sin embargo, las fuentes de ER son altamente dependientes de las condiciones medioambientales como la radiación solar, la nubosidad, el viento, entre otros, por lo que lograr un sistema de generación basado en energías renovables es un reto en la actualidad. Los sistemas de generación que integran fuentes renovables tienen que ser capaces de establecer estrategias de control y gestión de la energía que para hacer un uso eficiente de ella e intentar cubrir la demanda de energía de forma óptima al combinar más de un tipo de fuente y sistema de almacenamiento, siendo posible operar de manera aislada o conectada a la red eléctrica. En la actualidad es de interés el estudio, desarrollo e implementación de sistemas gestores de la energía (SGE) para microrredes eléctricas híbridas, que permitan aumentar su eficiencia, fiabilidad, y disminuir los costes de instalación, operación y mantenimiento. Diversos estudios de investigación han probado múltiples estrategias, desde SGE basados en reglas, algoritmos comparativos, controladores clásicos, y en años recientes, la integración de algoritmos de optimización bio-inspirados e inteligencia artificial. Estos algoritmos han mostrado ser una alternativa interesante a las técnicas clásicas para la solución de problemas de optimización y control en diversos problemas de ingeniería, su aplicación en el ámbito de las microrredes sigue en estudio y en ello se basa este trabajo de investigación. Los algoritmos bio-inspirados se fundamentan en imitar matemáticamente los mecanismos y estrategias que la naturaleza ha implementado a lo largo de millones de años para lograr un equilibrio en su funcionamiento, por ejemplo, imitando el cómo las aves vuelan en parvada buscando alimento, o como las hormigas y los lobos siguen patrones para la búsqueda de su alimento, o como las especies llevan a cabo mecanismos de cruce con el objetivo de mejorar su raza haciéndolas una especie optimizada y mejorando su supervivencia. Por tanto, se puede hacer una analogía con los sistemas artificiales para la mejora de controladores y diseño de sistemas en microrredes eléctricas. En este trabajo de investigación se muestra el modelo y desarrollo de un sistema de gestión óptima para una microrred empleando algoritmos bio-inspirados con el objetivo de mejorar su desempeño, partiendo desde el control primario, con la mejora de los convertidores de potencia, hasta el control terciario con las transacciones energéticas de la microrred. Se exploran diversos algoritmos, evaluando su desempeño. Los resultados para las diferentes etapas de esta investigación se encuentran plasmados en cuatro diferentes publicaciones científicas que se detallan en el Capítulo 2 del presente documento, donde se explica la metodología y los principales resultados y hallazgos para cada una de ellas. / [CA] Les fonts d'energia renovables (ER) permeten una alta desagregació, pel que fan possible generar l'energia que s'utilitzarà en el mateix lloc del seu aprofitament. Això afavoreix un canvi en l'estructura de les xarxes elèctriques, permetent passar d'un esquema de generació centralitzat a un esquema distribuït. No obstant, les fonts d'ER són altament dependents de les condicions mediambientals com la radiació solar, la nuvolositat, el vent, entre altres; pel que aconseguir un sistema de generació basat en energies renovables és un repte. Els sistemes de generació que integren energies renovables han de ser capaços de: establir estratègies de control i gestió de l'energia que es genera per fer un ús eficient d'ella i intentar cobrir la demanda d'energia de la millor manera possible al combinar més d'un tipus de font d'energia, i sistemes d'emmagatzemament. Aquest esquema es coneix com a microxarxa elèctrica, la qual és capaç d'operar de manera aïllada de la xarxa elèctrica principal, o de manera interconnectada. Actualment s'està interessant en l'estudi, desenvolupament i implementació de sistemes gestors de l'energia (SGE) per a microxarxes elèctriques híbrides, que permeten augmentar la seua eficiència, fiabilitat i reduir els costos de la seua instal·lació i d'operació i manteniment. S'han provat múltiples estratègies, des de SGE basats en regles, algorismes comparatius, controladors clàssics i, en anys recents, la integració d'algorismes d'optimització bio-inspirats i intel·ligència artificial. Aquests algorismes han demostrat ser una alternativa interessant a les tècniques clàssiques per a la solució de problemes d'optimització i control en diversos problemes d'enginyeria, la seua aplicació en l'àmbit de les microxarxes continua en estudi. Els algorismes bio-inspirats es basen en imitar matemàticament els mecanismes i estratègies que la Natura ha implementat al llarg de milions d'anys per aconseguir equilibri en el seu funcionament, per exemple, imitant com les aus volen en ramat buscant menjar, o com les formigues i els llops segueixen patrons per a la recerca del seu menjar, o com les espècies porten a terme mecanismes de creuament amb mira a millorar la seua raça fent-les una espècie més apta per a la supervivència;, el qual es pot fer una analogia a sistemes artificials per a la millora de controladors i disseny de sistemes en microxarxes elèctriques. En aquest treball de recerca es mostra el model i desenvolupament d'un sistema de gestió òptima per a una microxarxa emprant algorismes bio-inspirats amb l'objectiu de millorar el seu rendiment, partint des del control primari, amb la millora dels convertidors de potència, fins al control terciari amb les transaccions energètiques de la microxarxa. S'exploren diversos algorismes, avaluant el seu rendiment. Els resultats per a les diferents etapes d'aquesta recerca es troben plasmats en quatre diferents publicacions científiques que es detallen al Capítol 2 del present document, on s'explica la metodologia i els principals resultats i troballes per a cada una d'elles. / [EN] Renewable energy sources (RES) allow for high disaggregation, making it possible to generate energy at the site of its use. This favors a change in the structure of electrical grids, allowing for a transition from a centralized generation scheme to a distributed scheme. However, RES are highly dependent on environmental conditions such as solar radiation, cloudiness, wind, among others, making the creation of a renewable energy generation system a challenge. Generation systems that integrate renewable energies must be able to establish control and energy management strategies to make efficient use of the energy generated and try to meet the energy demand in the best possible way by combining more than one type of energy source and storage systems. This scheme is known as a microgrid, which is capable of operating independently from the main electrical grid or interconnecting with it. Currently, the study, development, and implementation of energy management systems (EMS) for hybrid microgrids are of interest in order to increase their efficiency, reliability, and reduce installation, operation, and maintenance costs. Multiple strategies have been tested, including rule-based EMS, comparative algorithms, classical controllers, and in recent years, the integration of bio-inspired optimization algorithms and artificial intelligence. These algorithms have shown to be an interesting alternative to classical techniques for solving optimization and control problems in various engineering problems, although their application in the field of microgrids is still under study. Bio-inspired algorithms are based on mathematically imitating the mechanisms and strategies that Nature has implemented over millions of years to achieve balance in its operation, for example, by imitating how birds fly in flocks in search of food, or how ants and wolves follow patterns to search for food, or how species carry out crossing mechanisms in order to improve their breed and make them more suitable for survival; in other words, they are based on how Nature optimizes its resources to prosper. Therefore, an analogy can be made with artificial systems for improving controllers and designing systems in microgrids. In this research work, the model and development of an optimal management system for a microgrid using bio-inspired algorithms is presented with the aim of improving its performance, starting from primary control, with the improvement of power converters, to tertiary control with the energy transactions of the microgrid. Various algorithms are explored, evaluating their performance. The results for the different stages of this research are reflected in four different scientific publications that are detailed in Chapter 2 of this document, where the methodology and main results and findings for each of them are explained. / The authors wish to acknowledge the National Council of Science and Technology of Mexico (CONACYT) for funding this work through the Ph.D. scholarship number 486670. The authors would also thank the Institute of Energy Engineering of the Polytechnic University of Valencia, Spain, and the Department of Water and Energy Studies of the University of Guadalajara, Mexico, for all their support and collaboration. This study has also been supported by Food and Agriculture Organization of the United Nations through the project “Design of a Hybrid Renewable Microgrid System”. / Águila León, J. (2023). Modelo y desarrollo de un sistema de gestión óptima para una microrred empleando algoritmos bio-inspirados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196747 / Compendio

Este trabajo de investigación nace debido a que, la Molinera Sudamérica S.A.C. desconoce lo importante que es tener una buena utilización de la energía, por lo que la molinera no presta la debida atención en verificar los gastos energéticos, pues todo ello es desfavorable, ya que reduce la rentabilidad y economía. El objetivo general fue diseñar un sistema de gestión de la energía basado en la Norma ISO 50001 con el fin de la mejora de la eficiencia energética en la molinera descrita, conformada por áreas y dispositivos que consumen energía, para lo cual se aplicó el análisis documental, asimismo se ha empleado como instrumento la guía de análisis documental, dicho instrumento ayudó a saber que tan importante es el costo energético en la empresa, y que mediante una buena optimización de la energía se obtiene mejoras económicas. La actual eficiencia energética de la Molinera Sudamérica a través de los cálculos realizados tuvo un valor de 6,05 kWh/saco producido, esto quiere decir que se ve inmerso en los indicadores recomendados según la OLADE que brinda un factor de 7 kWh/unidad producida. Asimismo, se obtuvo una rentabilidad en el aspecto de la economía de S/. 40 111,16 anual, donde el costo de inversión fue de S/. 70 336,70, VAN de S/. 131 986,58 y TIR de 54,17 % y tiempo para recuperar la inversión de 2 años y 2,16 meses, concluyendo que es necesario implantar un sistema para gestionar la energía, demostrando su viabilidad para ser ejecutado. / This research work was born because Molinera Sudamérica S.A.C. It does not know how important it is to have good use of energy, so the mill does not pay due attention to verifying energy expenses, since all this is unfavorable, since it reduces profitability and economy. The general objective was to design an energy management system based on the ISO 50001 Standard in order to improve energy efficiency in the described mill, made up of areas and devices that consume energy, for which documentary analysis was applied. Likewise, the documentary analysis guide has been used as an instrument, this instrument helped to know how important the energy cost is in the company, and that through good optimization of energy economic improvements are obtained. The current energy efficiency of Molinera Sudamérica through the calculations carried out had a value of 6.05 kWh/bag produced, this means that it is immersed in the recommended indicators according to OLADE which provides a factor of 7 kWh/unit produced. Likewise, a profitability was obtained in the economic aspect of S/. 40,111.16 annually, where the investment cost was S/. 70,336.70, NPV of S/. 131,986.58 and IRR of 54.17% and time to recover the investment of 2 years and 2.16 months, concluding that it is necessary to implement a system to manage energy, demonstrating its viability to be executed.