Ingeniero Civil Mecánico / Ingeniero Civil Industrial / Frente a los conflictos acontecidos durante el mes de enero del 2011 a raíz del anuncio de alza en el precio del gas natural residencial en Punta Arenas, la preocupante disminución de las reservas de gas natural, la configuración de la matriz energética regional y la importancia que representa para los habitantes de la XII región la calefacción de sus hogares, el objetivo del trabajo de título es estudiar de manera técnica y económica la implementación de calefacción distrital en la ciudad de Punta Arenas. La calefacción distrital corresponde a un método centralizado de generación de calor para un sector geográfico amplio con fines domésticos, tanto para calefacción como generación de agua caliente sanitaria. Se considera el análisis de distintas opciones de implementación de la tecnología: cogeneración (generación simultánea de electricidad y calor), implementación de centrales generadoras de calor y el aprovechamiento de los calores residuales de la generación eléctrica en la ciudad. Se selecciona un alcance geográfico de interés (2.614 hogares, dos centros comerciales y el hospital regional) del cual se estima la demanda de calor que atendería el sistema de provisión de calor. La evaluación técnica comprende el dimensionamiento de equipos y su selección a través de un proceso metodológico explícito cuya pretensión es crear precedente para futuros estudios de calefacción distrital. Mediante el desarrollo de herramientas de análisis PEST y Cinco Fuerzas de Porter se establece que la implementación más adecuada dado el contexto del mercado energético de la XII región es la recuperación de gases de escape de la central termo eléctrica Tres Puentes. Se desarrolla un modelo de negocios para el sistema de calefacción distrital a partir de la recuperación de gases de la central Tres Puentes. La evaluación económica privada arroja un VAN de aproximadamente -13,5 [Mill. US$] (20 años, 10%) para los tres escenarios estudiados (venta de calor para calefacción exclusiva, calor para calefacción y agua caliente sanitaria y una combinación de los anteriores). No obstante lo anterior, el proyecto tiene potencial de ser rentable frente a cambios de las condiciones actuales de evaluación (cambio en matriz energética, adquisición de combustible fuera de la región, aporte estatal al proyecto). Se finaliza el trabajo de título con la formulación de recomendaciones para un modelo de gobierno que establezca los parámetros de comportamiento de los agentes involucrados en una hipotética implementación de un sistema de calefacción distrital.

Ingeniero Civil Electricista / Actualmente existe un gran interés por el uso de tecnologías de generación renovable no convencionales, para así poder reducir tanto el impacto medioambiental de la generación eléctrica como también la dependencia de combustible fósiles en la matriz energética. Uno de los medios de generación no convencional que se perfila como altamente competitivo corresponde a la generación eólica y, dentro de esta, la tecnología predominante corresponde a las turbinas de velocidad variable con conversores. La integración masiva de energía eólica implica desafíos técnicos importantes desde el punto de vista del sistema, siendo el control de frecuencia uno de los más discutidos. Un aspecto importante corresponde a que las turbinas eólicas de velocidad variable que si bien tienen una cantidad significativa de energía cinética almacenada en sus aspas, estas no aportan respuesta inercial al sistema debido a que el conversor de potencia desacopla el generador de la red haciendo que las turbinas sean insensibles a cambios de frecuencia en el sistema. De esta forma la incorporación masiva de turbinas eólicas de velocidad variable podría implicar una disminución importante de la inercia total del sistema de potencia. De lo anterior, surge el objetivo principal de esta memoria: estudiar el comportamiento de la respuesta inercial de un sistema eléctrico de potencia. Considerando el alto potencial eólico que existe en el norte grande del país, lo cual se ha visto reflejado en el hecho de que hoy existen 856 MW en proyectos de generación eólica con aprobación ambiental, junto con las limitaciones técnicas del SING producto de ser un sistema puramente térmico, se ha considerado que es relevante estudiar dicho sistema ante distintos escenarios de penetración eólica y analizar las consecuencias que ello tiene en él, junto con estudiar medidas correctivas para paliar la reducción de inercia. Para estos efectos se desarrolló una metodología para el estudio de la respuesta inercial en el SING y se implementaron los modelos dinámicos requeridos en el software DigSilent Power Factory. De los resultados obtenidos en las simulaciones dinámicas realizadas, fue posible constatar el deterioro de la respuesta inercial al aumentar la participación de turbinas eólicas de velocidad variable en la matriz de generación del SING, llegando incluso a darse desprendimiento de carga en el escenario de máxima penetración considerado producto de la disminución de inercia. Además se logró confirmar que las medidas correctivas estudiadas son capaces de mejorar la respuesta inercial del sistema analizado, observándose en todos los casos que las consideran un aumento en la frecuencia mínima post-contingencia. Estas medidas llegaron incluso a evitar el desprendimiento de carga observado al no considerar medidas correctivas en el escenario de máxima penetración eólica estudiado, por lo que su implementación corresponde a un aporte relevante para facilitar la integración masiva de la energía eólica al SING.

Ingeniero Civil Mecánico / Los altos costos económicos y ambientales de la energía generada a partir de combustibles fósiles han generado un panorama donde la aplicación y la investigación sobre las energías renovables se hace cada vez más urgente. En Chile existe un escenario adverso en esta materia, siendo un país altamente carbonizado en la generación de energía y con altos consumos de combustibles fósiles en la industria. La presente memoria tiene por objetivo realizar una evaluación técnico-económica de un campo de colectores solares térmicos para la producción de calor en procesos industriales en Chile, aplicando una herramienta para evaluar la operación de un sistema de energía solar térmica. Para lograr estos objetivos se analizaron las características del recurso solar y los requerimientos energéticos de distintos procesos industriales del país. Cruzando estos datos fue posible establecer los procesos industriales en los cuales sería posible la introducción de la energía solar térmica. De esta manera se seleccionó un proceso sobre el cual se realizaron simulaciones con el objetivo de evaluar el desempeño de un campo de colectores solares que complementara a los sistemas de generación de calor mediante combustibles fósiles. Se realizaron varios casos de simulación que se dividieron en tres escenarios diferentes: un escenario que varía el horario de despacho de agua caliente; un segundo escenario en el cual se varía la cantidad de energía ahorrada por el sistema solar; y un tercer escenario donde se varía la cantidad de energía que necesita el proceso seleccionado. Cada uno de estos escenarios se localizó en dos ciudades, Santiago en la Región metropolitana y Concepción en la Región del Biobío. Dentro de estos escenarios fue posible establecer las prestaciones y rendimientos técnicos y las rentabilidades económicas del sistema solar para un proyecto a 25 años. Los resultados demuestran que estos sistemas solares son capaces de ahorrar capital y energía. La energía ahorrada por el sistema solar puede alcanzar valores sobre el 80% de los requerimientos del proceso, con factibilidad económica y evitando hasta el 80% de las emisiones de gases de efecto invernadero de un sistema tradicional. Los ahorros económicos pueden alcanzar hasta el 46% del capital necesario sin el sistema solar y es posible encontrar proyectos rentables en la zona sur del país, incluso reemplazando sistemas que utilicen gas natural.

Ingeniero Civil Electricista / En el diseño y operación de redes eléctricas donde existen unidades de generación con recursos intermitentes, es necesario evaluar con anterioridad su funcionamiento en distintos escenarios, para lo que resultan bastante útiles los programas de simulación, de manera de realizar una correcta planificación, diseño y evaluación económica. En la actualidad es común encontrar programas enfocados en redes eléctricas de gran envergadura, donde se omiten ciertas consideraciones de pequeña escala, como el desbalance entre fases y la característica predominantemente resistiva de las líneas de distribución, típicas de una microred. Por lo anterior, surge la necesidad de una herramienta capaz de abordar las características particulares de sistemas eléctricos pequeños con generación distribuida. El objetivo de este trabajo de título es disponer de una herramienta que incorpore un algoritmo de flujo de potencia trifásico, que permita simular la operación de una microred desbalanceada. Además la aplicación debe incorporar la modelación de las distintas unidades de generación y almacenamiento, y la incorporación del recursos energético solar, mediante un despacho económico que optimice el uso de los recursos. Se implementa un algoritmo de flujo de potencia trifásico basado en el desacople de las tres mallas de secuencia, mediante compensaciones por inyecciones de corriente, lo que reduce la complejidad del problema matemático. El algoritmo se implementa como una extensión del proyecto MATPOWER que permite calcular flujos de potencia y flujos de potencia óptimos en MATLAB. El algoritmo se valida mediante la comparación con un caso de estudio internacional, obteniéndose un error de 0.0005[p.u.] para los voltajes de fase y 0.811\% para las potencias inyectadas, con un tiempo de ejecución de 0.1[s]. Se incorpora un despacho de unidades que permite dar las consignas de operación a las unidades de generación y almacenamiento de una microred, para un horizonte de simulación determinado. De esta forma, en conjunto con algoritmo de flujo de potencia, es posible simular la operación de la microred en un horizonte de simulación dado. La herramienta es probada con un caso de estudio basado en la microred real de Huatacondo, desarrollada por el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, obteniendo resultados que reflejan su operación real. Obteniéndose una herramienta que constituye un aporte al análisis, estudio y desarrollo de microredes con generación distribuida.

Ingeniero Civil Electricista / La necesidad de incluir energías renovables dentro de la matriz energética mundial es cada vez más apreciable. Chile no es ajeno a esta tendencia, observándose una penetración creciente de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC), en particular a partir de la promulgación de la Ley 20.257 del año 2008. La energía eólica ha liderado en estos primeros años la penetración ERNC en los sistemas eléctricos nacionales. En este contexto, se reconoce la necesidad de disponer de modelos que permitan predecir la generación eléctrica de un parque eólico. En este contexto, el objetivo general del presente documento es la propuesta conceptual y práctica de una metodología para estimar perfiles de generación de un parque eólico, que permita su simulación en el mediano y largo plazo dentro de un sistema eléctrico de potencia. Dentro de un parque eólico hay tres efectos importantes a considerar al momento de analizar su generación: la topografía del terreno, el efecto estela y la turbulencia del viento. Son éstos, los que basándose en metodologías de referencia, permiten un cálculo más realista de la potencia generada en un parque eólico. Dada una medición de la velocidad del viento, el diseño del parque y la curva de potencia teórica de los aerogeneradores, es posible incluir los efectos antes mencionados en forma analítica. La validación del modelo se realiza a través de datos reales de viento y generación pertenecientes al parque Canela I, de la empresa Endesa Chile. Dichos datos corresponden a un período entre septiembre del 2009 y abril del 2010. Dado el modelo, se obtiene un error relativo del 7,81% según la energía total generada en ese período, y de un 11,79% según el error cuadrático medio de la potencia generada. Las simulaciones corresponden al análisis de tres eventos distintos a considerar: la topografía, el efecto estela y la turbulencia. Para cada evento se analizan distintos escenarios, los cuales contemplan el considerar y despreciar dichos efectos. Se obtiene que el efecto más significativo al momento de predecir la operación de un parque es la topografía del terreno. Lo anterior se debe al emplazamiento sobre colinas o valles de los aerogeneradores, en donde la velocidad del viento cambia. El efecto menos significativo es la turbulencia, obteniéndose una diferencia de 0,05% al no considerarla. Es importante destacar que la operación de un parque dista de ser el simple producto de los aportes individuales de una turbina genérica, aumentando su error relativo a un 10,12% con respecto a la energía, si se realiza dicha consideración. Como trabajo futuro se propone mejorar la modelación de la topografía y de la velocidad del viento. Así mismo, se sugiere extender el modelo a una versión estocástica.

Ingeniero Civil Electricista / Durante el último año ha sido posible presenciar un importante aumento en la instalación de energías renovables no convencionales a lo largo de Chile, el cual ha sido liderado por centrales eólicas. Sin embargo la energía solar no se ha quedado atrás y ya se han producido las puestas en marcha de las primeras etapas de proyectos fotovoltaicos en el sistema interconectado del norte grande (SING) de Chile. Una mirada por el servicio de evaluación ambiental (SEA) da cuenta de la gran cantidad de proyectos solares (tanto fotovoltaicos como de concentración solar) que se encuentran en carpeta. Frente a esta situación se hace necesario realizar estudios dinámicos de manera de enfrentar de manera correcta la entrada de este tipo de energías, sobre todo en un sistema con las características del SING. Peculiaridades, tanto del parque generador como de la demanda y control de frecuencia, lo hacen un sistema débil y poco flexible. En base a lo anterior, este trabajo se enfoca en estudiar la estabilidad de frecuencia del SING proyectado al 2020 frente a distintos escenarios de penetración fotovoltaica. Además se incluye un método de incorporación de respuesta inercial mediante control de conversor, el cual permite a los generadores solares participar con respuesta inercial frente a contingencias. El método utilizado consiste en realizar una operación deloaded de la central fotovoltaica y luego un control droop de manera que su generación de potencia activa sea sensible a cambios en la frecuencia del sistema. Se realiza un estudio comparativo para tres niveles de penetración fotovoltaica mediante el software DigSILENT. Para esto se modeló el sistema y cada uno de sus componentes, además de las centrales fotovoltaicas y el control antes mencionado. Los resultados obtenidos muestran una notable mejora del desempeño del sistema al incluir el control desarrollado en todos los escenarios. En particular para el caso de mayor penetración se observa una mejora de un 30% para los indicadores evaluados, en comparación al caso sin respuesta inercial por parte de las centrales fotovoltaicas. La mejora que significa la incorporación del control disminuye conforme la penetración es menor. Se observa como la respuesta de parte de estas centrales es más rápida que las convencionales, lo que adelanta la respuesta del sistema en el tiempo. Las simulaciones muestran, a su vez, que el sistema está bien preparado para recibir una penetración pequeña (8%) de este tipo de energía sin incluir controles ni métodos de incorporación de respuesta inercial.

Ingeniero Civil Eléctrico / En el último tiempo en Chile se ha manifestado un importante crecimiento de proyectos de centrales eólicas, contando a fines del 2012 con más de 3 GW en proyectos aprobados según el Servicio de Evaluación Ambiental. Sin embargo, debido a la naturaleza variable del recurso eólico estas centrales no pueden asegurar energía por un determinado periodo de tiempo, lo cual ha dificultado el concretar contratos en el mercado. Dentro de las medidas que permiten solucionar dicho problema se encuentra la implementación de sistemas de almacenamiento de energía (SAE) en conjunto con los parques eólicos de forma tal de asegurar la inyección de energía durante un cierto periodo de tiempo. El problema de dicha solución son los altos costos de estas tecnologías los cuales no permiten su aplicación en gran envergadura, haciendo del dimensionamiento de estos equipos un problema de suma importancia. En el contexto anterior, el objetivo del presente trabajo es optimizar el tamaño del sistema de almacenamiento asociado a un parque eólico en términos de energía y potencia. La optimización se realiza de forma de maximizar las utilidades del conjunto parque eólico más almacenamiento. La estrategia utilizada consiste en almacenar energía durante periodos de precios bajos en el mercado spot e inyectar dicha energía durante periodos de precios altos. El dimensionamiento óptimo se realiza para un parque eólico hipotético modelado en base a mediciones de viento en la zona de Taltal. La tecnología de almacenamiento seleccionada para las simulaciones es una batería de sodio-azufre (Na-S). La razón para utilizar esta tecnología son sus bajos costos, alta eficiencia, alta capacidad de profundidad de descarga (DoD), elevada vida útil y demostrada aplicación en proyectos de gran capacidad energética enfocados en desplazamiento de carga en parques eólicos. Como resultado se concluye que con los precios actuales de la tecnología Na-S no se logra un proyecto de almacenamiento rentable bajo el esquema de operación propuesto. Debido a este resultado, se calcularon costos (de energía y potencia) tal que un proyecto de almacenamiento Na-S fuese rentable. Los resultados de dicho cálculo muestran que los costos debiesen disminuir en promedio un 50%, e.g. 255 USD/kWh, 500 USD/kW, con respecto a los costos actuales de manera que el proyecto sea rentable. Adicionalmente el análisis de sensibilidad mostró que el parámetro más influyente en el dimensionamiento de baterías es la eficiencia del SAE. Siguiéndole en importancia se encuentran los costos marginales del mercado spot, el límite de DoD del SAE y el costo de inversión por energía.

Ingeniero Civil Mecánico / El escenario energético actual de importación de combustibles fósiles y sus altos precios hacen que el estudio de sistemas alternativos sea un asunto de prioridad para los cuerpos académicos e industriales. Chile es un país con un recurso solar privilegiado. Por lo tanto, la energía solar térmica es interesante dada la limpieza en su operación y versatilidad al momento de implementarla como una fuente de energía térmica en procesos y esto constituye un gran potencial para reemplazar o servir de apoyo a tecnologías tradicionales. Como trabajo de título, se realizó el estudio del rendimiento y las estrategias de control de una planta solar térmica provista por la empresa Renersol y compuesta de 27 m² de paneles solares, una bomba de calor, y un estanque de acumulación. Se elaboró un modelo basado en balances de energía para evaluar su dinámica temporal que fue validado con mediciones en terreno. Este modelo permitió predecir las temperaturas de funcionamiento y el flujo aportado a un proceso, flujo de energía perdida al ambiente, rendimiento instantáneo de colectores, aporte térmico de bomba de calor, consumo eléctrico, y rendimiento acumulado del sistema. Los resultados permiten observar que el modelo predijo de manera aceptable las temperaturas y flujos de energía, y que el rendimiento se ve afectado principalmente por los flujos másicos en los circuitos de calentamiento de agua y consumo. Por otro lado, se analizó la influencia del tamaño del estanque, el criterio de activación, el funcionamiento conjunto con bomba de calor, y el funcionamiento en condiciones de verano e invierno. La bomba de calor se encuentra restringida en su uso debido a las temperaturas máximas a las que puede operar por lo que es necesario divisar una estrategia de uso de los colectores que de condiciones que favorezcan su integración. Se recomienda hacer uso de ambas tecnologías independientemente y sin estrategia de acumulación para un mismo proceso.

Ingeniero Civil Eléctrico / La presente memoria tiene por objetivo el análisis de la planificación de la transmisión para un conjunto de generadores medianos ubicados en una zona particular. Esto se realizará por medio del desarrollo de una herramienta de optimización que entrega como resultado una topología de red económica y práctica, cumpliendo con restricciones técnicas establecidas previamente. Debido a la naturaleza combinatoria del problema de planificación de la transmisión, la resolución mediante un método determinístico en tiempos aceptables es inviable. Por esto la herramienta de optimización se basa en la utilización de heurísticas que buscan disminuir las dimensiones del problema, obteniéndose con éstas resultados cercanos al óptimo, los cuales son suficientes para una etapa de prefactibilidad en la planificación. En particular se utilizan técnicas de agrupamiento difuso o Fuzzy C-Means para agrupar proyectos de generación, de manera de que en vez de resolver el problema total se resuelva para cada uno de los subconjuntos de generadores un subproblema de optimización de dimensiones considerablemente menores. Luego para resolver cada uno de los subproblemas se utilizan algoritmos genéticos, ya que esta técnica de optimización tiene un muy buen desempeño en el problema de planificación de los sistemas eléctricos de potencia. La herramienta desarrollada es implementada en el software de modelación matemática GNU Octave (símil libre de Matlab) en un conjunto de computadores trabajando paralelamente con el fin de aumentar la velocidad de convergencia del algoritmo genético. Para analizar el desempeño de la herramienta, ésta es probada en cinco casos de prueba con distintas características y niveles de complejidad. Con estos casos se demuestra la correcta convergencia del algoritmo genético y el algoritmo de agrupamiento. Además se prueba la metodología propuesta para casos con múltiples puntos de inyección, existencia de zonas prohibidas y posibles subestaciones colectoras. Para optimizar las conexiones se utilizan cuatro tipos de líneas de diferentes características técnicas. Los resultados obtenidos no son óptimos globales del problema, pero sí son soluciones económicas, prácticas y de un menor impacto ambiental, debido al menor número de líneas a construir y el mayor orden de las topologías. Finalmente se demuestra que la metodología propuesta disminuye las dimensiones del problema y disminuye la aleatoriedad de los algoritmos genéticos, ya que la heurística de agrupamiento guía al algoritmo genético hacia soluciones lógicas y prácticas.

Magíster en Gestión y Dirección de Empresas / El presente plan de negocios, ha sido elaborado como la venta de una solución energética para autoconsumo basada en tecnología solar, la cual será un complemento a la demanda eléctrica de clientes industriales, que deseen incorporar en sus procesos productivos conceptos de producción limpia, sustentable y renovable. Hoy día, existen cada vez más restricciones a los productos exportados. La creciente preocupación por consumir productos elaborados en un proceso controlado, sostenible en el tiempo y amigable con el medioambiente, es una de las nuevas exigencias. La incorporación de medios de generación de electricidad renovables como la energía solar se transforman en alternativas energéticas a evaluar e implementar. La posibilidad de producir bienes con un suministro de energía limpia, genera inmediatamente cambios en la imagen de la empresa y mejora la percepción de los clientes, junto con el beneficio económico de producir energía a un precio razonablemente estable en el tiempo. El actual déficit de generación eléctrica, la dependencia de combustibles fósiles y la tendencia al alza de los precios de la energía, están haciendo a la industria menos competitiva, por lo que soluciones fotovoltaicas para auto consumo se transforman en proyectos factibles de ser evaluados y construidos. Este plan de negocios en su estudio de mercado, identificó un segmento de empresas con vocación exportadora, a saber, frutas, alimentos, vinos, pisco, leche y aceite de oliva, entre otras, potencialmente interesadas en este tipo de soluciones. Otras industrias no fueron consideradas como las mineras, productoras de cerdos, aves, celulosa y acuícolas, debido a que empresas proveedoras, locales e internacionales, de soluciones solares de gran escala han iniciado gestiones y negociaciones con este sector. Una vez segmentado el mercado de empresas exportadoras por atributos de ubicación geográfica, volumen de exportaciones y ventas al extranjero, se obtuvo un número de 120 empresas clasificadas como grandes y grandes contribuyentes , compañías integrantes del segmento objetivo de este plan. La oferta de valor propuesta se fundamenta en los conceptos auto consumo de energía renovable y limpia, lo que brinda adicionalmente un cambio en la imagen de la compañía y un cambio en percepción de sus clientes, junto con una razonable estabilidad de precios debido a su baja variabilidad. Esta propuesta traspasa los atributos de sustentabilidad y producción limpia (propios de una planta fotovoltaica) a los procesos productivos, incorporando así un elemento diferenciador y una ventaja competitiva a la compañía que adquiera la solución energética. Este plan de negocios, se desarrolló con la metodología Canvas, poniendo énfasis en el análisis interno y del entorno. Se analizó el plan de operaciones, plan de adquisiciones, plan de financiero, plan de recursos humanos y el plan marketing. Los resultados generaron un programa de ventas para un horizonte de 5 años por la venta de una solución modular de 50 kWp escalable a 100 kWp. Para una participación de mercado del 33% del mercado objetivo, el VAN estimado fue de M$ 24.263 y una TIR de 17%. Finalmente, se concluye que existe factibilidad de incorporar la solución solar fotovoltaica para autoconsumo. El logro de este plan estará en captar la atención de los clientes industriales y seducir con la propuesta de valor concreta. En este sentido, el plan de marketing y el equipo de ventas son un factor crítico éxito de plan.