En esta tesis se analizan y proponen estrategias de control flexibles y robustas para el control de sistemas de conversión de energía renovables en el contexto de la generación distribuida. Se trabaja principalmente con la conversión de energía eólica y solar fotovoltaica, como así también con un sistema de almacenamiento y recuperación de energía. Se hace hincapié en el control de la potencia de la micro fuente, de forma tal de poder brindar las características requeridas para su conexión a redes de generación distribuida o micro redes. El análisis de estos sistemas de potencia está fuera de los alcances de este trabajo. En el caso de la energía fotovoltaica se realizan propuestas para la maximización de la extracción del recurso y el control activo de la potencia entregada por la micro fuente. Se realiza el análisis de estabilidad para los convertidores dc/dc más utilizados en este tipo de aplicaciones. También se extienden estos conceptos al control del convertidor electrónico de micro fuentes basadas en pilas de combustible. En el caso del control del sistema de almacenamiento y recuperación de energía, se propone una estrategia capaz de iniciar el sistema, funcionar intercambiando potencia con la red, realizar la protección del dispositivo de almacenamiento y apagado del sistema de forma automática. Se realiza el análisis de estabilidad de todos los modos de funcionamiento y la combinación de estos modos para lograr una operación global estable. En el caso de la energía eólica se investiga la operación de la turbina en todo el rango de velocidades de viento, como así también la extensión de la región de operación para realizar un control activo de la potencia de salida. El control activo de la potencia de salida de la turbina permite la incorporación de nuevos modos de funcionamiento como la generación de potencia con reserva para la contribución a la estabilidad de frecuencia. El control de las interfaces electrónicas se aborda en el marco del control por modo deslizante, mientras que para el control de turbinas eólicas se realizan propuestas en el marco de control robusto ($H_\infty$) y el control de parámetros lineales variantes (LPV). Para los sistemas fotovoltaico, con pila de combustible y de almacenamiento de energía se presentan resultados de simulación y experimentales. Para el caso de las turbinas eólicas, se presentan resultados de simulación con un modelo de alto orden (FAST) desarrollado por el Laboratorio de Energías Renovables de Estados Unidos (NREL). Los resultados obtenidos permitieron verificar la viabilidad y desempeño de las estrategias propuestas predichas por el análisis teórico.

[ES] Los sistemas de refrigeración por eyección activados por calor de origen renovable o fuentes de calor residual tienen el potencial de alcanzar ahorros energéticos significativos al sustituir o asistir a los sistemas de refrigeración tradicionales. Su campo de aplicabilidad es muy amplio y el presente trabajo se ha centrado en un estudio detallado de dos aplicaciones con gran potencial siguiendo un enfoque computacional: (i) generación de aire acondicionado activado por energía solar térmica y (ii) refrigeración de la admisión de un motor de combustión reutilizando la energía térmica disponible en la línea de escape de este. Las actividades de investigación han estado dirigidas a mitigar dos de los principales puntos débiles que caracterizan a los ciclos de refrigeración por eyección: su eficiencia relativamente baja y la incapacidad mostrada por la configuración base del ciclo de eyección para operar de forma robusta en condiciones de operación alejadas de las de diseño. La primera cuestión ha sido abordada principalmente diseñando geometrías de eyector altamente optimizadas usando técnicas de mecánica de fluidos computacional y optimizando la integración del eyector en el conjunto del sistema de refrigeración. La segunda cuestión se ha abordado caracterizando el comportamiento del sistema en condiciones de diseño y fuera de diseño. Se han propuesto dos estrategias avanzadas para hacer frente a la caída de prestaciones que sufre el sistema al operar en condiciones fuera de diseño, como son la utilización de eyectores de geometría ajustable o la implementación de tanques de almacenamiento térmico. La respuesta del sistema se ha analizado en condiciones fuera de diseño con dos aproximaciones temporales complementarias. Los modelos estacionarios se han usado para optimizar las diferentes arquitecturas de eyector y la operación global del sistema en ciertas condiciones de operación representativas, mientras que el análisis transitorio representa un enfoque más realista y tiene en cuenta la naturaleza impredecible e inestable de la climatología. El estudio se ha concluido con un análisis termoeconómico, el cual ha sido útil para discernir si los diseños altamente optimizados son competitivos al ser comparados con las soluciones de refrigeración que se encuentran actualmente consolidadas en el mercado. La principal conclusión del análisis en condiciones estáticas para la aplicación termosolar es que la transformación de potencia térmica a potencia de refrigeración puede alcanzar un rendimiento del 37.7%, mientras que el rendimiento global del sistema alcanza el 20.1% con diseños altamente optimizados de eyector para unas condiciones de evaporación y condensación de 13°C y 40°C, respectivamente. En condiciones dinámicas, la implementación de la geometría variable mejora en torno a un 40% el rendimiento del sistema de refrigeración, además de incrementar su operatividad. El tanque de almacenamiento térmico juega un papel relevante en este aspecto y, para una envergadura de colector parabólico de 7.1 m, un consumo nominal de 13.3 kW de potencia térmica del tanque ha resultado ser una solución de compromiso para mantener en equilibrio los principales indicadores de prestaciones. El análisis termoeconómico de la arquitectura más prometedora sugiere que el ahorro de coste operativo está lejos de poder compensar la elevada inversión inicial en equipamiento (16.905€ para una capacidad de refrigeración aproximada de 5.6 kW), destacando la dificultad del sistema para competir con las soluciones de refrigeración actualmente consolidadas en el mercado y resaltando la necesidad de considerar soluciones híbridas. La principal conclusión de la aplicación en motor de combustión es que la reducción de temperaturas en la línea de admisión por debajo de 4°C es factible, produciendo mejoras en el rendimiento volumétrico de en torno al 11%, no obstante, el sistema muestra vulnerabilidades al operar en puntos de motor diferentes al de diseño. / [CA] Els sistemes de refrigeració per ejecció activats per calor d'origen renovable o fonts de calor residual tenen el potencial d'assolir estalvis energètics significatius al substituir o assistir als sistemes de refrigeració tradicionals. El seu camp d'aplicabilitat es ampli i el present treball s'ha centrat en un estudi detallat de dos aplicacions amb gran potencial seguint un enfocament computacional: (i) generació d'aire condicionat activat per energia solar tèrmica i (ii) refrigeració de l'admissió d'un motor de combustió reutilitzant l'energia tèrmica disponible en la línia d'escapament d'aquest. Les activitats d'investigació han estat dirigides a mitigar dos dels principals punts dèbils que caracteritzen als cicles de refrigeració per ejecció: la seua eficiència relativament baixa i la incapacitat mostrada per la configuració base del cicle d'ejecció per a operar de forma robusta en condicions d'operació allunyades de les de disseny. La primera qüestió ha sigut abordada principalment dissenyant geometries d'ejector altament optimitzades usant tècniques de mecànica de fluids computacional i optimitzant la integració de l'ejector en el conjunt del sistema de refrigeració. La segona qüestió s'ha abordat caracteritzant el comportament del sistema en condicions de disseny i fora de disseny. S'han proposat dos estratègies avançades per a fer front a la caiguda de prestacions que pateix el sistema quan opera en condicions fora de disseny, com són la utilització d'ejectors de geometria ajustable o la implementació de tancs de emmagatzemament tèrmic. La resposta del sistema s'ha analitzat en condicions fora de disseny amb dos aproximacions temporals complementàries. Els models estacionaris s'han usat per a optimitzar les diferents arquitectures d'ejector i l'operació global del sistema en certes condicions d'operació representatives, mentre que l'anàlisi transitori representa un enfocament més realista i té en compte la natura impredictible i inestable dels canvis en les condiciones climàtiques. L'estudi s'ha conclòs amb un anàlisi termoeconòmic, el qual ha sigut útil per a discernir si els dissenys altament optimitzats són competitius quan es comparen amb les solucions de refrigeració que es troben actualment consolidades al mercat. La principal conclusió de l'anàlisi en condicions estàtiques per a l'aplicació termosolar és que la transformació de potència tèrmica a potència de refrigeració pot arribar a un rendiment del 37.7%, mentre que el rendiment global del sistema arriba al 20.1 % amb dissenys altament optimitzats d'ejector per a unes condicions d'evaporació i condensació de 13°C i 40°C, respectivament. En condicions dinàmiques, la implementació de la geometria variable millora al voltant d'un 40% el rendiment del sistema de refrigeració, a més d'incrementar la seua capacitat de romandre en funcionament. El tanc d'emmagatzemament tèrmic juga un paper rellevant en aquest aspecte i, per a una llargària de col·lector parabòlic de 7.1 m, un consum nominal de 13.3 kW de potencia tèrmica del tanc ha resultat ser una solució de compromís per a mantenir en equilibri els principals indicadors de prestacions. L'anàlisi termoeconòmic de l'arquitectura més prometedora suggereix que l'estalvi de cost operatiu està lluny de poder compensar l'elevada inversió inicial en equipament (16.905€ per a una capacitat de refrigeració aproximada de 5.6 kW), posant de manifest la dificultat del sistema per a competir amb les solucions de refrigeració actualment consolidades al mercat i ressaltant la necessitat de considerar solucions híbrides. La principal conclusió de l'aplicació en motor de combustió és que la reducció de temperatures a la línia d'admissió per baix de 4°C és factible, produint millores en el rendiment volumètric de al voltant de l'11%, no obstant això, el sistema mostra vulnerabilitats a l'hora d'operar en punts de motor diferents al de disseny. / [EN] Jet-ejector refrigeration systems powered by renewable heat or waste heat sources have the potential to achieve significant primary energy savings when substituting or aiding traditional refrigeration systems. Their field of applicability is vast and the present work has been focused on a detailed study of two applications with great potential following a computational approach: (i) air-conditioning generation powered by solar thermal energy and (ii) internal combustion engine intake air refrigeration powered by its exhaust line waste heat. The research efforts have been directed towards mitigating the negative effect of two of the main weak points of jet-ejector refrigeration systems: their relatively low efficiency and the incapacity of the baseline configuration to operate robustly away from the design conditions. The first issue has been addressed mainly by designing highly optimized jet-ejector geometries using computational fluid dynamics techniques and optimizing the jet-ejector integration in the overall system. The second one has been addressed by carrying out complete characterizations of the refrigeration system response in design and off-design conditions. Advanced strategies to face the refrigeration system performance decay away from design conditions have been proposed, like the utilization of adjustable jet-ejector architectures or the implementation of hot thermal storage tanks. The system response has been analyzed in off-design conditions with two complementary temporal schemes. The steady-state models have been used to optimize the jet-ejector architectures and the overall system operation for representative operating scenarios, while the transient analysis represents a more realistic approach and accounts for changes in climatic conditions, which have an unpredictable and unstable nature. The study has been concluded with a thermoeconomic analysis, which has been useful to discern if the highly optimized designs are competitive when compared to existing refrigeration solutions consolidated in the market. The main conclusions of the steady-state analysis for the solar application are that the transformation from thermal power to refrigeration power can achieve an efficiency of 37.7%, while the global efficiency achieves 20.1% when highly optimized jet-ejectors are used for an evaporating and condensing conditions of 13°C and 40°C, respectively. In dynamic conditions, the implantation of an adjustable jet-ejector brings improvements in refrigeration system efficiency of around 40%, besides improving its capacity to remain in operation. The thermal storage system plays a relevant role in this sense and, for a fixed parabolic trough collector span of 7.1 m, a nominal thermal power consumption of 13.3 kW represents a trade-off between the performance indicators subject to analysis. The thermoeconomic assessment of the most promising system architecture suggests that the operating cost savings are far from compensating for the capital expenditures (16,905€ for a refrigeration capacity of approximately 5.6 kW), evidencing the difficulties of the system to compete against refrigeration solutions currently consolidated in the market and outlining the interest in hybrid solutions. The main conclusion of the automotive application is that it is feasible to achieve in the engine intake line temperatures below 4°C, bringing improvements in volumetric engine efficiency of around 11%. Nevertheless, the system shows vulnerabilities when operating in engine operating points different from the design one. / My most sincere acknowledgment to the whole CMT-Motores Térmicos team for giving me the opportunity of being part of it and the grant program Subvenciones para la contrataci ́on de personal investigador predoctoral for doctoral studies (reference ACIF/2018/124), awarded by Generalitat Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital and the European Union for funding this project. / Ponce Mora, A. (2022). Feasibility Study of Jet-Ejector Refrigeration Systems as a Mechanism for Harnessing Low-Grade Thermal Energy from Different Sources [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181710 / TESIS

Tesis por compendio / [ES] Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) plantean un llamamiento global para conseguir la sostenibilidad en aspectos esenciales de la vida humana. El actual consumo de energía para el tratamiento de aguas residuales es muy elevado, y las previsiones apuntan a un incremento de la demanda en la próxima década. En este contexto, resulta necesario aplicar la perspectiva de sostenibilidad, para conseguir de forma simultánea todos los ODS. Un desempeño energético más sostenible de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) implica acciones en dos líneas, reducir el consumo, y generar energías renovables in situ. Para implantar medidas a corto plazo, es necesario explorar las posibilidades que pueden ofrecer las tecnologías ya maduras, y evaluar su potencial contribución a la descarbonización del sector. La generación de electricidad mediante maquinaria hidráulica aprovechando la energía potencial de los efluentes podría ser una de ellas. El principal objetivo de esta tesis doctoral consiste en desarrollar una metodología, dirigida a los agentes de gobernanza, para evaluar el potencial de generación de energía hidráulica en EDAR, considerando las tres dimensiones de sostenibilidad. De este modo, poder ilustrar las posibilidades de aplicación de esta tecnología, actualmente poco conocida para el sector, que podría contribuir a una gestión más sostenible de las aguas residuales. Las fases desarrolladas incluyeron: 1) Contextualización: Se revisó el estado del arte sobre las necesidades energéticas y las tecnologías para la generación de energía renovable en EDAR. Paralelamente sobre el estado de la tecnología para la recuperación de energía en redes de agua existentes mediante maquinaria hidráulica. Para completar este marco, la revisión se amplió con una búsqueda exhaustiva de casos de estudio reales de aplicación en EDAR. En esta fase se identificaron 49 casos de estudio y se analizó su desempeño energético. Los resultados de esta fase en general demostraron que existe una experiencia real en la aplicación práctica de esta tecnología que no se está utilizando para el desarrollo de todo su potencial en este sector. 2) Desarrollo de la metodología: Se analizaron las metodologías existentes para evaluación del potencial de esta tecnología, y el resultado se comparó con la información obtenida en la contextualización. Como resultado, durante esta tesis se ha desarrollado una metodología con una nueva perspectiva. En primer lugar, se introduce la necesidad de considerar el nivel al que se produce la toma de decisiones, para adaptar el alcance del estudio (un grupo de EDAR). A continuación, la metodología se desarrolla en dos etapas. En la etapa 1 (evaluación técnica) el potencial de generación de energía hidráulica se estima de forma individual para cada EDAR. En la etapa 2 (evaluación global) se propone un método de decisión multicriterio (MCDA) introduciendo criterios de sostenibilidad. La alineación de la metodología con su contexto de aplicación se considera una cuestión clave, de modo que el método propuesto se basa en las directrices del instrumento de gobernanza para aguas residuales en España (Plan DSEAR). 3) Aplicación práctica: Esta fase completa el estudio con la aplicación a un grupo de 186 EDAR de la Comunidad Valenciana (España), con la misma modalidad de financiación. Se estimó una generación de electricidad de 340,472 kWh/año, aunque como hallazgo se observó la posibilidad de que dicho potencial sea mayor. En la etapa 2 se mostró que, cuando los resultados de la etapa 1 se ponen en el contexto de sostenibilidad, se obtiene una nueva perspectiva. Esta investigación demuestra que, en el marco de los ODS, la recuperación de energía hidráulica del agua residual podría ser una opción más en la descarbonización de este sector. Tomando como base esta propuesta, agentes de gobernanza para la gestión de aguas residuales en otro contexto podrían desarrollar metodologías similares adaptadas a su propio entorno. / [CA] Els Objectius de Desenvolupament Sostenible (ODS) plantegen una crida global per a aconseguir la sostenibilitat en aspectes essencials de la vida humana. L'actual consum d'energia per al tractament d'aigües residuals és molt elevat, i les previsions apunten a un increment de la demanda en la dècada vinent. En este context, resulta necessari aplicar la perspectiva de sostenibilitat, per a aconseguir de manera simultània tots els ODS. Un acompliment energètic més sostenible de les Estacions Depuradores d'Aigües Residuals (EDAR) implica accions en dues línies, reduir el consum, i generar energies renovables in situ. Per a implantar mesures a curt termini, és necessari explorar les possibilitats que poden oferir les tecnologies ja madures, i avaluar la seua potencial contribució a la descarbonització del sector. La generació d'electricitat mitjançant maquinària hidràulica aprofitant l'energia potencial dels efluents podria ser una d'elles. El principal objectiu d'esta tesi doctoral consisteix a desenvolupar una metodologia, dirigida als agents de governança, per a avaluar el potencial de generació d'energia hidràulica en EDAR, considerant les tres dimensions de sostenibilitat. D'aquesta manera, poder il·lustrar les possibilitats d'aplicació d'esta tecnologia, actualment poc coneguda per al sector, que podria contribuir a una gestió més sostenible de les aigües residuals. Les fases desenvolupades van incloure: 1) Contextualització: Es va revisar l'estat de l'art sobre les necessitats energètiques i les tecnologies per a la generació d'energia renovable en EDAR. Paral·lelament sobre l'estat de la tecnologia per a la recuperació d'energia en xarxes d'aigua existents mitjançant maquinària hidràulica. Per a completar este marc, la revisió es va ampliar amb una cerca exhaustiva de casos d'estudi reals d'aplicació en EDAR. En esta fase es van identificar 49 casos d'estudi i es va analitzar el seu acompliment energètic. Els resultats d'esta fase en general van demostrar que existeix una experiència real en l'aplicació pràctica d'esta tecnologia que no s'està utilitzant per al desenvolupament de tot el seu potencial en este sector. 2) Desenvolupament de la metodologia: Es van analitzar les metodologies existents per a avaluació del potencial d'esta tecnologia, i el resultat es va comparar amb la informació obtinguda en la contextualització. Com a resultat, durant esta tesi s'ha desenvolupat una metodologia amb una nova perspectiva. En primer lloc, s'introdueix la necessitat de considerar el nivell al qual es produeix la presa de decisions, per a adaptar l'abast de l'estudi (un grup de EDAR). A continuació, la metodologia es desenvolupa en dues etapes. En l'etapa 1 (avaluació tècnica) el potencial de generació d'energia hidràulica s'estima de manera individual per a cada EDAR. En l'etapa 2 (avaluació global) es proposa un mètode de decisió multicriteri (MCDA) introduint criteris de sostenibilitat. L'alineació de la metodologia amb el seu context d'aplicació es considera una qüestió clau, de manera que el mètode proposat es basa en les directrius de l'instrument de governança per a aigües residuals a Espanya (Pla DSEAR). 3) Aplicació pràctica: Esta fase completa l'estudi amb l'aplicació a un grup de 186 EDAR de la Comunitat Valenciana, amb la mateixa modalitat de finançament. Es va estimar una generació d'electricitat de 340,472 kWh/any, encara que com a troballa es va observar la possibilitat que aquest potencial siga major. En l'etapa 2 es va mostrar que, quan els resultats de l'etapa 1 es posen en el context de sostenibilitat, s'obté una nova perspectiva. Esta investigació demostra que, en el marc dels ODS, la recuperació d'energia hidràulica de l'aigua residual podria ser una opció més en la descarbonització d'este sector. Prenent com a base esta proposta, agents de governança per a la gestió d'aigües residuals en un altre context podrien desenvolupar metodologies similars adaptades al seu propi entorn. / [EN] The Sustainable Development Goals establish a universal agenda to call for action and achieve sustainability in essential aspects of human life. Nowadays the energy demand for wastewater treatment is very high and it is expected to increase in the next decade. Therefore, the performance of this industry will have an effect on SDG 6, but also on SDG 7 and 13. In this context, it is necessary to apply the sustainability approach to wastewater systems to simultaneously achieve all these goals. More sustainable energy performance of wastewater treatment plants (WWTPs) implies two parallel steps: a reduction of energy consumption and the implementation of renewable energy technologies. To take action in the short term, existing mature technologies should be explored to evaluate their potential contribution to the decarbonization roadmaps in the wastewater industry. Hydropower might be one of these technologies. The main objective of this thesis is to develop a methodology, addressed to wastewater governance stakeholders, to assess the potential of hydropower application to WWTPs, regarding all three dimensions of sustainability. According to this, the final aim of this study is to illustrate the practical possibilities, usually unknown, that hydropower could offer to the wastewater sector in the pathway towards more sustainable systems. To achieve that aim, the steps in this research included: 1) Contextualization: The review of the state of the art was conducted in two lines. Firstly, about the energy needs for wastewater treatment and technologies for renewable energy generation. Secondly, about hydropower for energy recovery from existing networks. To complete the framework, this stage was extended with an exhaustive search and analysis of real case studies of hydropower applications to WWTPs. In this stage, 49 case studies were identified, and their energy data were extracted to obtain energy self-sufficiency indicators and analyze their renewable energy profiles. Furthermore, the technical data of their hydropower systems were examined. The overall results of this stage showed that there is an existing experience that is not being used to explore hydropower as an option for energy recovery in the wastewater sector. 2) Methodology development: In a preliminary step, existing methodologies for hydropower potential assessment were analyzed and compared with the framework obtained from the contextualization. As a result, a methodology with a broader approach was developed. First, it introduces the consideration of the decision-making level to select the scope of the study (a group of WWTPs). Then, the proposed methodology consists of two steps. In step 1 (technical assessment of hydropower potential) individual power output is estimated for each site. This step was validated with the data obtained during the contextualization. In step 2 (global assessment), after analyzing existing guidelines, a multi-criteria decision analysis (MCDA) method with sustainability criteria is defined. As the alignment with the context is a key issue introduced in this proposal, this method is based on the guidelines in the wastewater governance instrument in Spain (PDSEAR). 3) Practical application: This stage completes the research with the application of the proposed methodology to a case study, a group of 186 WWTPs in the region of Valencia (Spain), selected according to their management model. The generation was estimated at 340,472 kWh/year, but it was found that the potential could be higher. The results also showed that the perspective may be different, if the outcomes from step 1, are put into context in step 2, with the application of the MCDA method. This research demonstrates that, in a sustainability framework, hydropower might be an interesting option to consider for the decarbonization of wastewater systems. Based on this study, decision-making stakeholders could design their own methodologies, adapted to the specific context. / The authors would like to acknowledge grant PID2020–114781RA-I00 funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033. / Llácer Iglesias, RM. (2023). Hydropower Potential for Energy Recovery in Wastewater Systems. Assessment Methodology and Practical Application [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201558 / Compendio