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 / En los sistemas eléctricos, las centrales hidroeléctricas poseen la capacidad de responder rápidamente a las demandas energéticas. Esto produce usualmente una operación muy fluctuante por parte de éstas, con potenciales impactos tanto a nivel hidrológico como ecológico. Por esta razón, en el presente Trabajo de Título se evaluaran los efectos de un contraembalse como medida de mitigación a las fluctuaciones intradiarias de caudal en la operación de centrales hidroeléctricas, mediante un modelo sistémico simplificado de despacho eléctrico de corto plazo. Para llevar a cabo el trabajo se define un sistema eléctrico simplificado que consiste en un embalse, un central termoeléctrica, una diésel y una eólica debiendo abastecer una demanda. Además se definen casos y escenarios a simular, se identifican restricciones que limiten la operación fluctuante e indicadores que permitan medir los impactos de estas. Posteriormente se definen todos los datos requeridos como entrada al modelo, basados en información real de Chile. Se elaboraron dos modelos de programación entera mixta (MIP), que minimizan los costos totales del sistema eléctrico. El primero sin contraembalse, que permite establecer una línea base, en donde se incorporan las restricciones de caudal, definidas como rampas máximas y entregas mínimas. El segundo modelo con contraembalse, permite evaluar sus efectos tanto económicos como hidrológicos. Se determinó la operación óptima del contraembalse para evaluar distintas capacidades de este. El impacto hidrológico se determina mediante el indicador de Richard-Baker por permitir cuantificar las rampas de operación. Los resultados del caso base indican que la incorporación de restricciones de caudal provoca un aumento significativo en los costos del sistema llegando a máximos de 91 %. Junto con esto, se aprecia una disminución del indicador de alteración hidrológica, de hasta un 97 %. Con respecto a la incorporación del contraembalse, este provoca una importante disminución en los costos del sistema bajo restricciones de caudal, al punto de que para las menores capacidades escogidas en muchos de los casos, la operación se hace independiente de las restricciones de caudal, sin aumento de costos. Por último se determinó que el contraembalse provoca una importante disminución de los indicadores de alteración haciéndolos en muchos casos nulos, funcionando efectivamente como medida de mitigación contra el hydropeaking.

Debido a la fuerte dependencia de combustibles fósiles por la matriz energética del país, el Estado decidió dar un impulso a su diversificación, promulgando la Ley N°20.257 de Energías Renovables No Convencionales. De esta manera, se obliga a las generadoras, con una capacidad instalada superior a 200 MW, a acreditar que una cantidad de sus retiros sea inyectada por medios de generación renovable no convencional. Dada la diversidad de medios de generación que establece la ley, el trabajo de título presentado evalúa la prefactibilidad técnico económica de una planta generadora de electricidad a partir de la Opuntia Ficus Indica (nopal)e incorpora el diseño conceptual de las principales obras estructurales involucradas, presentándose como una alternativa de energía limpia para las generadoras del grupo Codelco. El estudio se desarrolla a partir de plantaciones de nopal a plantar ubicadas en la III Región de Atacama, existiendo un potencial de aproximadamente 200 ha, capaces de sustentar una central eléctrica a partir del biogás, cuya potencia instalada es de 1,89 MW, capacidad que condicionará el diseño general de la planta. La selección de los equipos empleados en el proceso de generación (Digestión Anaeróbica, Sistema de Acondicionamiento del Biogás, Sala de Generación, Subestación y Líneas de Transmisión) e infraestructura necesaria fue llevada a cabo priorizando la posibilidad de expansión (hasta 6,2 MW) y la fácil liquidación del proyecto. El análisis económico desarrollado incluyó 3 casos principales dependiendo si el proyecto era realizado por Codelco (en cualquiera de sus líneas de negocio que no fuese la generación eléctrica), generadoras del grupo Codelco o por una empresa externa generadora de energía renovable, con 3 escenarios diferentes, permitiendo concluir que el proyecto debería ser desarrollado por la empresa externa generadora a petición de Codelco, obteniéndose para este caso un VPN de US$ 1.400.000 y una TIR del 25% (para una inversión de US$ 7.500.000, una tasa de descuento del 10% y un horizonte de evaluación igual a 20 años). Esto se debe principalmente a que, por un lado, existen beneficios que otorga el Estado (Subsidio y Crédito CORFO) a los cuales Codelco no puede postular debido a que no cumple con los requisitos, y por otro lado, a que Codelco no podría contar con los ingresos por la venta de bonos de carbono debido a que la energía renovable que generaría sería por cumplimiento de la ley y no de manera voluntaria. Adicionalmente, se determinó que el subsidio que actualmente es otorgado a este tipo de proyectos es insuficiente dada la inversión requerida, ante lo cual se hace necesario otorgar mayores garantías que permitan mejorar la rentabilidad, traduciéndose finalmente en una matriz eléctrica más eficiente y flexible.

Ingeniera Civil Eléctrica / La presente memoria de titulo explora el potencial de generación eléctrica existente en la Gran Minería del Cobre, sobre la base de “Recuperación Energética” a partir de fuentes cinéticas y térmicas presentes en sus procesos, considerando para ello el incremento en la aplicación de iniciativas ya existentes como la exploración de nuevas opciones. Lo anterior, se enmarca en la consciencia del impacto que la Minería Nacional tiene sobre la matriz energética país y sobre las condiciones medioambientales. En términos específicos, el estudio atiende el análisis en torno a la factibilidad técnico-económica de la generación eléctrica a partir del flujo de relaves, tanto desde la aplicación de la generación mini hidráulica como de la generación mecánica a partir de correas regenerativas, en nueve faenas de las principales compañías mineras cupríferas nacionales. El análisis considera la proyección operacional de ambas soluciones, la evaluación económica durante su vida útil, las potenciales fuentes de financiamiento y los modelos de negocio asociados. Los resultados establecen que el aporte de la solución mini hidráulica a la demanda local es muy bajo (<1% del consumo de cada minera), presentando una TIR negativa y tiempos de recuperación de inversión muy altos que inviabilizan la solución desde un punto de vista financiero. La principal causa radica en los costos de recambio de piezas reforzadas de las bombas por concepto de desgaste, costo que no es amortizado por el ahorro de energía y los ingresos derivados de los bonos de carbono. En contraste, se establece que la implementación de correas regenerativas es más efectiva, tal que los niveles de generación se sitúan entre un 0,2% y un 12% de las demandas locales, habilitando el autoabastecimiento en 5 de las faenas estudiadas. Estos proyectos recuperan su inversión en periodos entre 7 a 10 años con una tasa de descuento del 6% y una TIR15 años que oscila entre el 8 y 20% (valores que son sensibles al nivel de la inversión y configuración de la correa).

Ingeniero Civil Electricista / En la actualidad, existe un inmenso interés internacional por el desarrollo de tecnologías de generación con fuentes renovables. Particularmente, la tecnología de concentración solar ha alcanzado suficiente madurez para ser incluida en el mercado de generación y se espera que dentro de los próximos años sea una tecnología presente en la matriz energética de Chile debido principalmente a las condiciones privilegiadas de radiación en el norte del país y también por los incentivos por parte del Estado y también de privados para invertir en esta tecnología. Debido a que en una planta solar no es posible manipular la fuente de energía primaria (radiación solar), el objetivo general del presente trabajo consiste en el diseño de una estrategia de control predictivo basado en modelos (MPC) a nivel supervisor para una planta con colectores cilíndrico parabólicos, que permita aprovechar al máximo el recurso disponible. El trabajo se ha realizado utilizando el simulador de planta solar ACUREX, desarrollado en Matlab-Simulink, el cual representa el comportamiento del lazo de colectores de la plataforma solar de Almería, España. Los modelos predictivos de la planta desarrollados consisten en modelos lineales ARX (autorregresivo con entrada exógena) y ARIX (autorregresivo integral con entrada exógena); y un modelo no lineal difuso de T&S (Takagi & Sugeno), los cuales consideran como variable de salida a la temperatura de salida del aceite del campo colector y como variable de entrada su valor de referencia. Debido a que los modelos ARIX y de T&S presentan los mejores resultados, se propone el diseño de una estrategia de control predictivo a nivel supervisor en base a ambos modelos. Los resultados obtenidos muestran que su implementación reduce el error de seguimiento en 1%, se evita sobreimpulso en el sistema y se limita los cambios en la energía de control, haciendo el funcionamiento del sistema más seguro. En base a pruebas por simulación, se concluye que el MPC difuso supervisor basado en el modelo de T&S mejora el desempeño de la planta frente a cambios en la referencia y en condiciones anormales de operación en comparación con el control regulatorio original. Como líneas de investigación futuras se propone entregar robustez al sistema por medio de la integración de incertidumbre paramétrica en el modelo, incluir criterios económicos de operación e implementar el sistema de control en una futura planta solar en Chile.

Ingeniero Civil / En sistemas hidrotérmicos la rápida respuesta de las centrales hidroeléctricas de embalse a variaciones de potencia es importante para la estabilidad y flexibilidad del sistema eléctrico, esta capacidad se puede traducir en una operación de generación fluctuante ( hydropeaking ). Este tipo de esquema de generación tiene un impacto directo sobre los caudales turbinados, induciendo fluctuaciones de caudales a nivel. Para mitigar los efectos del hydropeaking sobre el cauce del rio aguas abajo existen diversas medidas que es posible tomar, las más comunes son imponer restricciones de caudal mínimo y/o una rampa máxima de caudales entregados al río. En el presente trabajo de título se estudiará además la incorporación de una re-regulación de los caudales turbinados mediante la incorporación de un contraembalse ubicado aguas debajo de la central. Para analizar el efecto de las restricciones y la incorporación de un contraembalse se implementan dos modelos de optimización a un nivel horario para un día, el primero consiste en una maximización de los ingresos por venta de electricidad de la empresa considerando el precio de la energía en el mercado spot. El segundo modelo de optimización es una minimización de la suma de rampas absolutas, también con las restricciones del primer modelo mencionado. Las restricciones de operación producen una reducción significativa de los beneficios percibidos por la central debido a que la obliga a tener una operación sub-optima. Por otro lado, la incorporación de un contraembalse, produce un mejoramiento de los ingresos, incluso llegando a mitigar cualquier reducción de ingresos. En cuanto a los índices de alteración hidrológica, la incorporación de un contraembalse ayuda a mejorar significativamente estos índices para restricciones de caudales mínimos, y para rampas máximas su efecto es menor para escenarios restrictivos. Se observa que con restricciones altamente restrictivas el contraembalse mitiga las pérdidas inducidas y mejora los índices de alteración hidrológica, en tanto que para restricciones más relajadas su efecto no es tan notorio.

La biomasa ha sido una fuente muy importante de recursos energéticos a lo largo de la historia. Principalmente se ha usado con fines térmicos mediante su incineración directa de modo de extraer calor; sin embargo, la tecnología actual ha permitido que la biomasa se use de distintas maneras alternativas, como por ejemplo, la extracción de metano producto de la descomposición anaeróbica de ésta, en lo que se conoce como biogás. En el país existe un gran potencial de generación de energía eléctrica en base a biogás. En términos netos, a lo largo de Chile se podrían generan alrededor de 1.800 GWh/año, lo cual se traduciría en una potencia instalada de 247 MW. De ese potencial de generación, casi un 50% proviene de la descomposición anaeróbica del estiércol avícola. Este alto porcentaje se debe a la gran concentración de recursos avícolas en el país, que se concentra en un 90% entre las regiones de Valparaíso y del Libertador Bernardo O´Higgins. De este modo, se hace altamente atractiva la recolección del estiércol avícola para fines energéticos. A su vez, dentro de la misma industria avícola existen aproximadamente 7 empresas productoras de aves, siendo Agrosuper la que maneja cerca del 50% del mercado. En la actualidad, estas empresas venden su biomasa a productores de fertilizantes y abono para la agricultura. Por esta razón es poco probable que se destine la totalidad de la biomasa avícola hacia fines energéticos, debido a que será más conveniente un cambio paulatino en la destinación de la biomasa. Así, la central diseñada usa sólo una porción de la biomasa producida para su transformación en biogás, y posteriormente, mediante un generador a gas natural adaptado, su respectiva transformación en energía eléctrica. Dado estos supuestos, la central diseñada alcanzaría cerca de los 9 MW de potencia instalada en el año 2030, debido a la cantidad creciente de recursos de biomasa disponibles año a año. En cuanto al factor de planta que tendrá la central se estima que alcanzará un valor igual a un 69%. Sobre la potencia firme se estimó que alcanza aproximadamente a un 70% de la potencia instalada. Para realizar una evaluación económica de la central diseñada, se supone que toda la energía producida es vendida en el mercado Spot a precio marginal en su barra de conexión, y que no se firma ningún tipo de contrato bilateral que incluso podría hacer subir los ingresos de la empresa. Considerando una inversión de aproximadamente 25 millones de dólares y un período de evaluación de 20 años, el valor actual neto del proyecto alcanza los 7,3 millones de dólares y una tasa interna de retorno igual a un 13,8%, dada una tasa de descuento del 10%. Así, estos resultados hacen concluir que en Chile es bastante factible instalar una central a biogás, y que económicamente es rentable. Sin embargo, un inversionista siempre buscará proyectos con tasas internas de retorno más altas, por lo cual el gobierno tiene un rol fundamental: el de proponer incentivos económicos claros para que los inversionistas decidan invertir en este tipo de proyectos energéticos.

Determina la generación de energía de la CH Nueva Esperanza (NE-1) obtenido con Información Hidrológica de la subcuenca del río Inambari. Debido al crecimiento industrial que es mayor al crecimiento de la producción de potencia y energía, y que pone en riesgo la tasa de crecimiento sostenida que ha experimentado el Perú en los últimos años, se ha declarado en situación de emergencia a nuestro país por falta abastecimiento de energía eléctrica; es por ello que la Empresa NUEVA ESPERANZA HYDRO S.A, ha incursionado decididamente en la búsqueda de potenciales Hidroenergéticos a nivel nacional y así como en la ejecución de los estudios pertinentes que conlleven a la ejecución de la obra en el más breve plazo y mejorar sustantivamente la oferta de potencia y energía a través del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN). / Trabajo de suficiencia profesional

Ingeniero Civil Electricista / El objetivo principal de este trabajo consiste, como su nombre lo indica, en investigar y desarrollar los procedimientos de diseño de generadores sincrónicos de flujo axial, de imanes permanentes, para la aplicación en aerogeneradores. Con este fin, primero se realiza una etapa de investigación sobre este tipo de máquinas y la tecnología existente en la actualidad para aerogeneradores, además del estado del arte en Chile con respecto a la energía eólica y materias de electrificación rural. Los temas más importantes son plasmados aquí, para crear el prisma bajo el cual se espera el lector siga este trabajo. La segunda etapa consiste en el diseño del generador sincrónico de flujo axial. Para esto, primero se realiza un ajuste de fórmulas que calculan los flujos que se pueden enlazar con las bobinas del generador. Esto permite implementar una metodología de diseño de la máquina, la que luego es optimizada en base a los precios del hierro dulce, los imanes y el cable a utilizar, concluyendo además la ventaja del uso de hierro dulce. Con la metodología implementada y las expresiones que relacionan el viento con el generador, se obtiene el óptimo para ciertas condiciones impuestas de potencia demandada y velocidades de viento máxima y nominal, procediendo luego a obtener las simulaciones para el generador en vacío y con carga, en función del viento. La correcta modelación de esta carga es fundamental para la simulación del comportamiento de la máquina, ya que ésta, junto con los datos del potencial eólico del lugar escogido (Ollagüe), permiten obtener la curva de potencia del aerogenerador diseñado, dato fundamental para la posterior simulación del comportamiento de la máquina con datos reales de la localidad. Finalmente, en base a la simulación realizada para el consumo eléctrico de la localidad de Ollagüe, se compara la alternativa eólica que incluye al aerogenerador diseñado, con una alternativa diesel, verificándose que la primera resulta ser más conveniente en un plazo de 10 o más años.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Electricista / Debido a la importancia de las fuentes renovables por sus beneficios medioambientales y la independencia energética que proveen, es necesario implementar políticas de promoción para estos medios renovables. Dado que las fuentes de energía mini-hidráulica ya son competitivas y que por otro lado, la geotermia es una de las fuentes renovables de menor desarrollo, esta tesis se centra en el crecimiento de las fuentes eólica, solar y biomasa. A nivel internacional los principales incentivos que se usan para incrementar la presencia de energías renovables son tres: Feed-In Tariff, Obligación de Cuotas (RPS) y Subastas Competitivas (Competitive Bidding Process). Los países con mayor crecimiento de ERNC a nivel latinoamericano tienen un incentivo del tipo Subastas Competitivas (Uruguay y Brasil); y Obligación de Cuotas (Chile). Sin embargo, a nivel de países desarrollados como el caso europeo, el mecanismo con mejores resultados es Feed-In Tariff, por lo que los resultados en Latinoamérica se pueden deber a un diseño de los incentivos que no busca maximizar su penetración. En este trabajo se determinan los mejores incentivos que se deben aplicar para lograr un mayor crecimiento de las energías renovables en un determinado mercado. No se considera en el análisis ni los impactos de estos incentivos en los costos de la energía ni el nivel de subsidios requeridos, ni tampoco otros potenciales beneficios. Para ello, se desarrolla una metodología que estima rangos de crecimiento de las energías renovables, en función del tipo de incentivo principal aplicado. La aplicación de esa metodología en el caso chileno entrega como resultado que con un incentivo del tipo Feed-In Tariff se alcanzarían los mayores niveles de penetración de ERNC. Así, para el año el 2030 se puede alcanzar un 20,7% en generación de energía eólica, 6,4% de solar y 4,5% de Biomasa, totalizando un 31,6% con estas tres fuentes.