Ingeniero Civil Eléctrico / La incorporación masiva de grandes cantidades de tecnologías de generación variable (GV), como la generación eólica y solar, implica grandes cambios en la forma tradicional en que son operados los sistemas eléctricos de potencia, principalmente desde el punto de vista de la regulación de frecuencia. A medida que las tecnologías de GV aumentan, la práctica ha mostrado que los requerimientos de rampa del sistema y de reserva operativa también deben aumentar de forma de mantener los niveles de seguridad y calidad de suministro. Si a esto se le suma el hecho que las fuentes de GV van a ir desplazando a la generación convencional en el abastecimiento de la demanda, menores inercias sistémicas son esperables, y por ende, peor va a ser la respuesta del Control Primario y Secundario de Frecuencia (CPF y CSF, respectivamente). En este contexto, las técnicas actuales de cuantificación de reservas no cumplen los requerimientos dinámicos necesarios para asegurar el seguimiento de las rampas de la demanda neta minuto a minuto y la estabilidad de frecuencia, ya que no consideran restricciones técnicas de las unidades de generación. De esta forma, para lograr altos niveles de GV, manteniendo la seguridad, los sistemas eléctricos requieren incluir nuevas técnicas que aumenten la flexibilidad del sistema. El objetivo del presente trabajo es proponer una nueva metodología de cálculo para la determinación de reservas de sistemas con altos niveles de GV que asegure el balance de potencia activa en operación normal (requerimientos de rampa) y la seguridad del sistema frente a desbalances entre carga y generación (requerimientos de inercia). La reserva de rampa se determina en base a un análisis estadístico de rampas de la demanda neta en ventanas de tiempo de 5, 10 y 15 minutos considerando todas las restricciones técnicas de las unidades de generación convencional. La reserva inercial se dimensiona en base a información histórica de fallas del parque generador de forma tal de determinar despachos de unidades generadoras que aseguren un mínimo de frecuencia permisible en el sistema durante contingencias. Para evaluar los efectos técnico/económicos de las reservas mencionadas anteriormente, se realizaron distintos predespachos de forma tal de comparar los costos operacionales del sistema considerando las reservas propuestas y las reservas secundarias dimensionadas de forma tradicional, tal cual como las determina el CDEC-SING. En base a los resultados, las reservas secundarias dimensionadas de forma tradicional solamente permiten compensar en un porcentaje igual o mayor al 97% de los eventos de rampas de subida de la carga neta en ventanas de tiempo de 10 y 15 minutos durante un año. En cambio, la reservas de rampa de 5, 10 y 15 minutos aseguran la compensación del 97% de los eventos de rampas de 5, 10 y 15 minutos de la demanda neta en un año. Implementar las reservas de rampas en los predespachos no implica un aumento de los costos operacionales del sistema en comparación al caso base, pero sí una mayor seguridad en el seguimiento de la demanda. Con respecto a la reserva inercial, no permitir ninguna activación del EDAC en los despachos resulta infactible para el caso de estudio. Permitir solamente dos escalones del EDAC (frecuencia mínima de 48,9 Hz) implica un aumento considerable de los costos operacionales y la presencia de energía no suministrada. Sí en los despachos se permite hasta el sexto escalón del EDAC (criterio operacional del SING en sus despachos) no se observa una mayor diferencia en los costos operacionales con respecto al caso base.

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.

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / Este trabajo analizará la promoción de Energías Renovables No Convencionales (ERNC) como un elemento estratégico en el sector eléctrico, a partir de la política pública y la regulación en el derecho nacional e internacional. La investigación se centra en la generación de electricidad a gran escala en base a centrales de ERNC, y cómo ésta se logra integrar al mercado eléctrico chileno. Con este objeto, el Capítulo I describe las principales ventajas de la generación de electricidad a partir de estas fuentes, para luego señalar cómo aportan a la mitigación de los principales problemas del segmento generación del sector eléctrico que hasta la actualidad la política públicas y regulación no ha podido solucionar; estos son, la seguridad del suministro, la competencia en el mercado, altos precios de mercado, y la sustentabilidad. Por último, se refiere a las nuevas exigencias de la política energética internacional, y el compromiso asumido con la mitigación del Cambio Climático, y por tanto, cómo las ERNC compensan y cumplen un rol explícito con este objetivo. En razón de la importancia de las ERNC para el sistema eléctrico, es menester analizar cómo los sistemas regulatorios comparados han sorteado la forma de integrarlas en sus respectivos mercados. Por ésto, en el Capítulo II se analizarán los mecanismos de promoción más utilizados en el derecho comparado, y aquellos instrumentos de mercado. Asimismo, se hará alusión a experiencias exitosas de promoción en el contexto internacional. Por último, en virtud de la política energética internacional y de las nuevas regulaciones relacionadas con el Cambio Climático, se observan los Precios al Carbono, no como instrumentos aislados con el objeto de mitigar las emisiones de Gases de Efecto Invernadero, sino como instrumentos de tipo indirectos que subsidian la promoción de las ERNC, y que incluso en algunos casos, se ha optado por ellos para cumplir con este objetivo, en vez de los instrumentos propios de promoción de energías renovables. El Capítulo III trata la evolución de los instrumentos de promoción que se han aplicado en nuestro país, explicándose cada uno de ellos, siendo clasificados en dos categorías, subsidios a la producción y subsidios al capital.

Ingeniero Civil Eléctrico / El generador de inducción doblemente alimentado es una tecnología relativamente nueva y se prevé una fuerte inserción en el mercado durante los próximos años debido a su aplicación en la generación eólica. El objetivo de esta memoria es analizar la factibilidad de su utilización en otras fuentes de energía renovables, como la hidráulica y la del mar, y comparar los resultados con las tecnologías tradicionalmente utilizadas en esas centrales, dentro del ámbito de la generación a velocidad variable y frecuencia fija. Para esto se realiza un estudio teórico, luego se simula el desempeño del DFIG y finalmente se desarrolla un anteproyecto para una aplicación en Chile. La comparación teórica arroja ventajas del DFIG en costos de construcción y operación, mientras que se ve mermado en costos y dificultad de mantención. Así, su utilización es recomendada para potencias medias y altas, es decir, en aplicaciones eólicas o de corrientes marinas. En otras fuentes la potencia extraíble no es suficiente para que su uso sea óptimo. De las simulaciones se obtienen factores de planta altos para las corrientes marinas (40,6%) y olas (30,2%). Para aplicaciones eólicas el factor es realista (28,5%) mientras que en lechos de ríos se descarta la aplicación debido a la baja eficiencia (20,9%). Con los resultados de las simulaciones se realizan evaluaciones económicas considerando escenarios con y sin inflación, emisión de bonos de carbono y ventas de cuotas ERNC. Los resultados entregan resultados positivos sólo para la energía eólica y las corrientes marinas, destacándose que para este último recurso los VAN y TIR son los mejores en cada escenario. También se debe destacar que en todos los casos es necesaria la venta de cuotas ERNC para que los proyectos sean económicamente viables, mientras que la emisión de bonos de carbono no es trascendental. Finalmente, se evalúa la construcción de una central de aprovechamiento cinético de las mareas en el Canal de Chacao, compuesta de 40 turbinas de 2,5 MW cada una, obteniendo un factor de planta superior al 41% y resultados económicos muy positivos (VAN cercano a los 40 millones de USD, TIR 16% y PRC de 7 años). Así se confirma la buena proyección de este tipo de aplicación del DFIG y se recomienda en lo inmediato mejorar la calidad de las mediciones que se disponen en Chile, así como las estimaciones de los costos de inversión, operación y mantenimiento, debido a que son las variables más sensibles en el análisis y de las que menos certeza se tiene.

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / En el último tiempo la discución por la energía ha copado el debate público, con lo cual se ha transformado en un tema tanto nacional como internacional de suma relevancia. Ello se ha traducido especialmente en discusiones acerca del desarrollo sustentable y cómo enverdecer las fuentes y procesos productivos de energía. Así, se han propuesto tres vías para lograr dicho objetivo: i) innovación tecnológica; ii) eficiencia energética, y; iii) apoyo estatal a las energías renovables. Esta tesis centrara sus propuestas en la última opción mencionada. En ese sentido es que este trabajo busca, en primer lugar, revelar las tendencias del mercado eléctrico internacional para, en segundo lugar, a la luz de recomendaciones OCDE sugerir modificaciones a nuestra normativa eléctrica nacional. Luego, adentrarse a describir el funcionamiento del mercado eléctrico nacional, particularmente la generación de precios, y con tales antecedentes sumado la experiencia internacional proponer, dada la inexistencia de aspectos fiscales en nuestra legislación salvas contadas excepciones, vías de inclusión de energías renovables. Pues bien, una participación activa del Estado en el incentivo de las energías renovables reviste tal importancia que no puede concretarse sin más, es por tal razón que los últimos capítulos de este trabajo tienen por objetivo 5 ilustrar sobre las ayudas estatales en Europa y su relación con la libre competencia en los mercados, para luego hacer la debida extrapolación a Chile. En conclusión, la incursión del Estado con sus recursos en el mercado energético puede provocar efectos económicos nocivos, por lo mismo es de suma importancia la creación de una normativa específica que regule las ayudas estatales y un nuevo entendimiento de este concepto, tanto a nivel positivo como en la práctica jurídica

Ingeniera Civil Electricista / La presente memoria tiene por objetivo principal optimizar el despacho de una central solar térmica, que tiene como sistema de almacenamiento tanques de sales fundidas, y que además considera el funcionamiento de una caldera auxiliar para recalentar el fluido circulante en el campo solar. Para cumplir con el objetivo se evaluaron los principales factores influyentes, se realizó un análisis del comportamiento de los costos marginales de las dos subestaciones cercanas a la posible ubicación de la planta, estimando el funcionamiento mensual de la planta para diferentes formas de operación. En este contexto, se implementó un mapa de comportamiento de la central, para estudiar el funcionamiento en un rango variado de escenarios, para así obtener una estadística de las horas en las que el almacenamiento estaba activo, y cuando era la caldera auxiliar la que tenía el peso de la generación. Asimismo fue posible discernir las combinaciones de salida de turbina y porcentaje de combustible fósil que lograban una mejor eficiencia del bloque de potencia. El mapa de comportamiento también identificó los escenarios en los que el fluido térmico alcanza su mayor temperatura y se tenía una cantidad más alta de pérdidas térmicas, además de identificar en qué meses se generaba el mayor gasto en combustible fósil. Una vez terminado el mapa de comportamiento, se diseñaron dos conjuntos de estrategias, una plana a lo largo del día, con una salida de turbina al 100% y otra que permite una fluctuación de generación entre un 80% y un 110%. Cada conjunto está definido por diferentes escenarios, en algunos de los cuales se daba preferencia al almacenamiento y en otros a la caldera auxiliar. Los resultados de las estrategias diseñadas se valorizaron, obteniendo los ingresos por generación y los costos por concepto de combustible fósil para la caldera auxiliar. Además se determinaron las alternativas que presentaban una mejor eficiencia a lo largo del año. Se determinó que el escenario que contemplaba una generación diferenciada a lo largo del día, pese a tener durante gran parte del año un margen de ingreso similar a la producción plana, era una mejor opción dado que el gasto en combustible era menor y, por lo tanto, implica una menor contaminación por emisiones de dióxido de carbono. Finalmente se presenta un resumen del comportamiento de la central, con los datos de generación bruta y neta anual, el consumo de agua, las horas de generación y la eficiencia promedio de la planta.

Ingeniera Civil Eléctrica / La introducción de energía renovable (ER) a gran escala es un fenómeno mundial producto del cambio climático y la necesidad de los países de independizar sus matrices energéticas. Específicamente en Chile la política energética proyecta una matriz que se componga de un 60% de ER al año 2035. En particular, la generación de energía solar se caracteriza por su variabilidad e incertidumbre, lo que sumado a la inminente instalación de este tipo de energía de manera concentrada en el Sistema Interconectado del Norte Grande de Chile (SING), podría provocar serios problemas de estabilidad en el sistema. En términos de variabilidad del recurso solar se destaca el efecto nube, que deriva en cambios bruscos de generación fotovoltaica (PV) y, en definitiva, afecta a la estabilidad de frecuencia del sistema. Frente a lo anterior, se han realizado estudios que muestran que mantener reservas fotovoltaicas, operando en deload, es una estrategia eficaz de regulación de frecuencia. Sin embargo, dichos estudios utilizan reservas PV constantes lo que representa una pérdida significativa de generación. El presente trabajo busca aportar a la línea de investigación mencionada e introducir reservas calculadas dinámicamente para hacer un uso eficiente de la generación PV y simultáneamente contribuir a mantener la estabilidad de frecuencia. El método de cuantificación de reservas se basa en un modelo de pronóstico de generación solar. La estrategia busca reservar la potencia necesaria para enfrentar una caída de generación pronosticada considerando un margen de error de pronóstico con un nivel de confianza dado. El error de pronóstico se determina mediante un estudio estadístico del modelo de predicción, considerando conjuntos de datos representativos de una escala anual, estacional y mensual, con el fin de establecer comparaciones entre cada caso. Además, el problema se aborda de manera local, donde cada planta PV determina sus reservas de manera independiente, y a nivel centralizado, donde el operador del sistema cuantifica la reserva total considerando todas las plantas PV existentes y la distribuye entre ellas. La metodología propuesta se aplica en el modelo del SING proyectado al año 2020, al considerar un día con alta variación de irradiación solar según las condiciones locales. La proyección del sistema considera una penetración PV equivalente a un 25% de la capacidad total instalada. Se realizan simulaciones dinámicas en el software PowerFactory DigSILENT para observar el desempeño de las reservas determinadas dinámicamente en comparación con reservas constantes y el caso base sin reservas. Los resultados obtenidos muestran que la metodología propuesta de reservas dinámicas presenta una satisfactoria regulación de frecuencia ya que logra mantenerse dentro de los límites permitidos por la normativa chilena. Al mismo tiempo significa una considerable disminución de pérdidas asociadas a reservas sobredimensionadas respecto a trabajar con reservas constantes de 15%. Además, se obtiene que abordar el problema de manera centralizada significa menores montos de reservas que a nivel local.

Ingeniero Civil Eléctrico / El presente trabajo de memoria aborda el análisis de riesgo de distintas alternativas de contratación de energía para generadores renovables eólicos y solares, considerando una proyección de las condiciones del sistema eléctrico SIC (Sistema Interconectado Central) y del mercado eléctrico futuro (e.g. 2025) mediante el uso de modelos matemáticos de despacho de carga. Lo anterior se logra a través de tres etapas claramente diferenciadas; generación de escenarios de trabajo (precios de combustibles, disponibilidad de recursos renovables y capacidad instalada de generación), simulaciones sistémicas (para obtener proyecciones del precio spot a futuro) y finalmente evaluación de riesgo (para identificar las mejores alternativas de contratación). En la primera etapa se construyen escenarios proyectados de diversas matrices energéticas al año 2025 (considerando varias proyecciones desde una participación importante de centrales eólicas hasta con un intensivo desarrollo en base a combustibles fósiles), combinadas con hidrologías probabilísticas asociadas a afluentes a embalses y centrales de pasada, proyecciones de precios de combustibles y estimaciones de perfiles de disponibilidad de Recursos Energéticos Renovables no Convencionales (ERNC), realizadas mediante representaciones en series de tiempo obtenidas a partir de perfiles reales históricos. En una segunda etapa y con el objetivo de capturar de la mejor forma posible la estocasticidad asociada a la operación futura del sistema eléctrico SIC, se realizan 81.000 simulaciones sistémicas sobre las diversas combinaciones de los escenarios de operación definidos previamente, siendo el enfoque la obtención de despachos de carga y precios spot horarios. Finalmente, se calculan los márgenes mensuales para diversas estructuras contractuales que cubren de diferentes maneras el riesgo asociado a la interacción con el mercado spot por parte de un generador renovable. Para hacer esto se consideran dos esquemas de contratación de energía (mediante bloques horarios diferenciados y bloque único), además de dos niveles de contratación. Finalmente se realiza una evaluación de riesgo utilizando la métrica Conditional Value at Risk (CVaR), aplicada sobre diferentes histogramas que representan márgenes mensuales de un generador en función de su probabilidad de ocurrencia asociada. Este trabajo muestra que los niveles eficientes de contratación ERNC (solar y viento) deben considerar un volumen de energía menor que la energía generable (esperada) para evitar compras en el mercado spot en el caso que el recurso no esté disponible. También se muestra que si bien la contratación de largo plazo puede ser efectiva en disminuir los niveles de riesgo de nuevos proyectos ERNC, también puede elevar significativamente los niveles de exposición al riesgo dependiendo de la estrategia de contratación (cantidad y tipo de contrato), sobre todo en el caso de proyectos solares, donde los niveles de exposición al riesgo pueden variar de manera importante en función del volumen de contratación (lo que también ocurre en menor medida para proyectos eólicos).

El terremoto ocurrido el 27 de Febrero del 2010 en la zona centro-sur de Chile, dejó en evidencia la escasa autonomía eléctrica local de los centros de consumo, vinculados a un frágil sistema de abastecimiento eléctrico. De ahí la necesidad de avanzar hacia una matriz energética diversificada, que impulse la independencia energética de las distintas localidades, e incremente la confiabilidad del suministro eléctrico. En este sentido, las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) apuntan a jugar un rol protagónico en la solución, impulsadas por la tendencia al alza del precio de los combustibles fósiles, y la disminución en el costo de generación de la energía eléctrica proveniente de fuentes renovables. Es así como los sistemas híbridos de generación eléctrica conectados a la red ofrecen una solución directa a la problemática planteada, principalmente en localidades rurales expuestas a frecuentes y prolongados cortes de suministro eléctrico. Como estrategia de trabajo, se desarrolla una metodología que permita el diseño de un sistema híbrido Fotovoltaico (PV) -Eólico-Diesel con almacenamiento conectado a la red, que sea capaz de entregar autonomía energética frente a un prolongado corte en el suministro eléctrico proporcionado por la red, y que tenga la capacidad de inyectar a la red los excedentes energéticos que no se consumen. La metodología generada propone un desarrollo paso a paso, comenzando por la búsqueda de datos estadísticos de las fuentes energéticas primarias solar y eólica, hasta finalizar encontrando la configuración óptima del sistema híbrido bajo el criterio mono-objetivo económico, que cumple las condiciones técnicas especificadas. Como herramienta de resolución, se utiliza el programa de optimización para modelos de micro-energía HOMER, el cual selecciona los equipos y configura el sistema idóneo. La metodología se ejemplifica y valida, con la aplicación de la misma al caso de la Posta de la localidad rural de Boyeruca, estudiando los resultados técnicos y económicos en función de distintos períodos de corte de suministro eléctrico. También se evalúa la dependencia de las configuraciones óptimas en función de parámetros como: radiación solar, precio del diesel, contrato de venta de excedentes eléctricos y precio de los equipos. Este trabajo permite aplicar la metodología de diseño desarrollada, a cualquier otra localidad en la que se desee resolver problemas de autonomía y confiabilidad mediante un sistema híbrido con almacenamiento conectado a la red, basado fundamentalmente en los recursos renovables solar y eólico. También invita a la incorporación futura de especificaciones en la metodología, que permitan obtener resultados más precisos o que incorporen otras fuentes energéticas.

Ingeniero Civil Industrial / En el marco de la nueva política Energía 2050 se propuso como meta que las energías renovables deben representar el 60% de la matriz al año 2030 y al menos un 70% de la generación para el 2050. La región de Antofagasta posee uno de los mayores potenciales de energía solar en el mundo, esto ha permitido paulatinamente la entrada de generación fotovoltaica, y los escenarios prospectivos aquí presentados estiman que su presencia representará entre un 11,3% y un 19,6% del total de la matriz de generación eléctrica regional al 2030. Además, otras tecnologías como eólica, concentración solar y geotermia ingresarán a la región en diferentes magnitudes. Los gases de efecto invernadero han sido el principal foco de los estudios internacionales y nacionales en materia de impacto ambiental, sin embargo sorprende la ausencia de otras categorías de estudio en los planes futuros a nivel país. ¿No se estará acaso incurriendo en otros daños negativos al ecosistema al enfatizar únicamente en combatir el cambio climático? Así, se traza como objetivo plantear una metodología basada en la herramienta de análisis de ciclo de vida para comparar impactos ambientales entre las diversas tecnologías de generación de energía eléctrica en un contexto regional, en particular a la II Región de Antofagasta. Para ello se analizarán impactos unitarios, del escenario actual y se compararán escenarios proyectados. Se obtiene que la mayoría de los impactos provienen de la generación térmica, siendo éstos principalmente locales, originados en su mayoría de la quema de combustibles fósiles para generar energía en la fase de operación. No obstante, el crecimiento de la producción energética fotovoltaica y eólica traerán consigo un aumento en ciertos impactos que previo al estudio no eran esperados. Por ejemplo, para la energía solar se observan impactos considerables en el uso de aguas, incluso mayores que la generación en base a carbón. Según los escenarios estudiados, la generación fotovoltaica representará entre un 28,46 y un 43,73% del impacto total. Por su parte, la toxicidad terrestre aumenta ostensiblemente con el aumento de la participación de generación eólica, y eso debe ser comprendido por los stakeholders involucrados, en particular si hay comunidades cercanas que podrían verse afectadas. También el uso de suelos es una categoría donde las energías renovables aumentan sus impactos progresivamente. La concentración solar y geotermia, también tendrán impactos unitarios importantes en la generación de smog fotoquímico, daño a la capa de ozono, eutrofización y acidificación, entre otros. Se concluye que en la actualidad, el parque de generación eléctrica de Antofagasta está alejado de las metas impuestas por el país según la política Energía 2050. La alta dependencia en combustibles fósiles (95,6% del total) está generando importantes impactos medioambientales. El conocimiento de estos impactos debe estar disponible, y una perspectiva de análisis de ciclo de vida será útil para impedir el desplazamiento de problemas de un proceso a otro, o bien entre áreas geográficas.