En esta tesis se estudia el acondicionamiento de la tensión de salida de un sistema de micro cogeneración basado en celdas de combustible. Se emplea un convertidor de tensión cc-cc, que permite acondicionar la tensión de salida del sistema de batería de celdas de combustible modelo Nexa 1200 que posee la Facultad Regional Bahía Blanca de la UTN. El convertidor es de tipo elevador, pero a la entrada, el clásico filtro L, ha sido reemplazado por un filtro LCL, de este modo se espera que la topología presente un valor de rizado prefijado, con componentes de menor volumen. La estrategia de control elegida se basa en la técnica de control por modo deslizante. Además, se utilizan observadores de estados para evitar medir todas las variables involucradas y para estimar la carga variable. Mediante simulaciones y procedimientos experimentales se verifica el correcto desempeño del convertidor. / In this thesis, the conditioning of the output voltage of a micro cogeneration system based on fuel cells is studied. A dc-dc voltage converter is used, which allows conditioning the output voltage of the Nexa 1200 model fuel cell battery system owned by the UTN - Facultad Regional Bahía Blanca. The converter is a step-up converter, but at the input, the classic L filter has been replaced by an LCL filter, in this way it is expected that the topology will present a predetermined ripple value, with components of lower volume. The chosen controlstrategy is based on the sliding mode control technique. In addition, virtual sensors are used to avoid measuring all the variables involved and to estimate the variable load. Through simulations and experimental procedures, the correct performance of the converter is verified.

Esta tesis se enfocó en el estudio del comportamiento de catalizadores soportados de base-Pt en la electrooxidación de metanol y etanol en medio ácido. Inicialmente se estudiaron partículas trimetálicas con nanoestructura tipo core-shell; para la síntesis se empleó un método de dos etapas: (i) obtención de partículas de cobre mediante reducción química, y (ii) posterior remplazo parcial de átomos de cobre por átomos de platino y rutenio. Mediante técnicas de caracterización fisicoquímica se comprobó que los catalizadores presentaron tamaño de partícula nanométrico y se dedujo que dichas partículas tenían un núcleo rico en cobre, rodeado por una corteza bimetálica PtRu rica en platino. Técnicas convencionales electroquímicas (VC y CA) mostraron que estos catalizadores presentan un comportamiento mejorado en comparación con un catalizador comercial PtRu/C. Las mejoras fueron atribuidas tanto al mecanismo bifuncional como a efectos electrónicos causados por la distorsión presente en la red cristalina del Pt. Además, se evaluó el efecto del sustrato carbonoso en el comportamiento de partículas trimetálicas con estructura pseudo core-shell. En este estudio, se emplearon negro de carbón, nanotubos de carbono y estos mismos materiales activados por tratamiento oxidativo. Por otro lado, se evaluó la posibilidad de utilizar biocarbones como soporte de las nanopartículas. Los resultados obtenidos son prometedores. Las técnicas de caracterización indicaron que la condición de los sustratos en ciertos casos favoreció la cantidad de sitios de anclaje, esto mejoró el proceso de nucleación lográndose partículas de menor tamaño, una distribución más homogénea y mejor dispersión. Por último, se sintetizaron nanopartículas de Pt y PtRu sobre una mezcla de material carbonoso y óxido metálico mediante un proceso novedoso: síntesis de polioles asistido por microondas; la radiación de microondas tiene el rol de conseguir un calentamiento rápido y homogéneo. Los óxidos estudiados fueron NiO y Mn3O4. Se comprobó que la radiación de microondas mejora notablemente la distribución de las nanopartículas sobre el material soporte y que además reduce el grado de aglomeración de las partículas sintetizadas, llevando a un mejor comportamiento electrocatalítico. Además, los ensayos electroquímicos mostraron que la incorporación de óxidos redujo el envenenamiento del catalizador por especies intermediarias posiblemente debido al aporte de grupos hidroxilados. Sin embargo, la cantidad de óxido debe ser la óptima, ya que un exceso de óxido metálico puede empeorar la conductividad eléctrica del soporte. / The performance of supported Pt–based catalysts in the electrooxidation of methanol and ethanol in acid media was investigated in this work. Firstly, trimetallic particles with core-shell type nanostructure were studied; the synthesis consisted of a two-stage process: (i) obtaining copper particles by chemical reduction, and (ii) subsequent partial replacement of copper atoms by platinum and ruthenium atoms. Physicochemical techniques revealed nanosize particle and it was deduced that such nanoparticles were composed by a Cu-rich core surrounded by a Pt-rich Pt-Ru shell. Cyclic voltammetry and chronoamperometric measurements showed that as-synthesized core-shell materials exhibit superior catalytic activity compared to a commercial PtRu/C catalyst. This behavior can be associated both the bifunctional mechanism and the electronic effects caused by the distorted Pt crystal lattice. Secondly, the influence of carbon support on the behavior of trimetallic particles with pseudo core-shell structure was analyzed. In this study, carbon black, carbon nanotubes and these materials activated by oxidative treatment were used. On the other hand, the possibility of using biochar as a support for nanoparticles was evaluated. The results obtained are promising. Characterization techniques indicated that in certain cases the amount of anchorage sites was stimulated by the substrates condition, because of that the nucleation process was improved and particles with smaller size, more homogenous distribution and better dispersion were achieved. Finally, Pt and PtRu nanoparticles were synthetized on a mix of carbonaceous material and metal oxide by an attractive process: microwave-assisted polyol process; fast and homogeneous warming of the reaction medium is achieved by the microwave radiation. The metal oxides studied were NiO and Mn3O4. It was found that the microwave radiation significantly improves nanoparticles distribution on the support material and also reduces the agglomeration degree of the synthetized nanoparticles. The latter results lead to better electrocatalytic performance. Besides, the electrochemical experiments showed that the addition of oxide reduced catalyst poisoning by intermediary species probably due to the contribution of hydroxylated groups. However, the oxide content must be the optimal, since an excess of metal oxide can deteriorate the electrical conductivity of the support.

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Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 10/3/2020. / Ingeniero Civil Mecánico / Las baterías Ión-Litio resultan ser una alternativa muy eficiente para aplicaciones móviles. Sin embargo muchos aspectos de su desempeño y seguridad son fuertemente afectados por la temperatura de operación de las celdas al interior de la batería, entre estos aspectos destacan la vida útil y la eficiencia. Teniendo en cuenta lo anterior, el Centro de Energía (C.E.) de FCFM decidió investigar el comportamiento térmico de los arreglos de celdas Ión-Litio, con miras a la implementación de un software de optimización para el diseño de baterías, para lo cual generó diversos modelos de predicción de temperatura. Como objetivos de este trabajo se tiene la caracterización del comportamiento térmico de una batería, con ventilación forzada, en función de distintas condiciones de operación y de configuración. Asimismo se pretende contrastar los resultados experimentales con las simulaciones en fluidodinámica computacional (CFD) y el modelo paramétrico, ambos generados por el C.E. Junto con lo anterior, también se espera identificar y comparar en importancia los distintos factores que influyen en el aumento de la temperatura de las baterías. Lo anterior se logra por medio del diseño, construcción e implementación de un equipo capaz de medir la temperatura de las celdas para distintas disposiciones de estas, pudiendo variar el caudal de aire que fluye a través de la batería y midiendo la caída de presión. Para la experimentación se cuenta con 2 disposiciones de celdas distintas y se experimenta con 3 caudales distintos por disposición. Asimismo se generan repeticiones de experimentos para asegurar la existencia de resultados similares para condiciones similares. Posterior a la etapa de experimentación se analizan los datos obtenidos y validan o rechazan los modelos propuestos. Como resultados se tiene que el comportamiento térmico que rige el enfriamiento de las celdas no es el predicho por los modelos contrastados, comportamiento tipo decaimiento exponencial, existiendo una diferencia entre el modelo y el experimento de hasta 4 °C. Este enfriamiento sucede de manera más rápida de lo predicho y es regido por una función levemente distinta a la utilizada por los modelos. Asimismo también se tiene que la configuración de las celdas tuvo poca influencia en la velocidad promedio de enfriamiento, sin embargo esta si tuvo gran influencia en la homogeneidad de la temperatura dentro de la batería. En cuanto a los modelos contrastados, el modelo paramétrico mostró una tendencia distinta a la de los resultados obtenidos, lo cual significó su invalidez en la predicción. Por el otro lado, los resultados en las simulaciones de CFD tuvieron un error relativo de hasta un 138% invalidándolos también. Como principal trabajo futuro queda propuesta la creación de un modelo de enfriamiento que prediga con mayor certeza el decaimiento de temperatura de las celdas, para lo cual se propone el modelo fractal. Asimismo se hace necesaria la investigación de la velocidad óptima de ventilación del arreglo.

Ingeniero Civil Mecánico / El aumento exponencial de los requerimientos energéticos a nivel mundial en las últimas décadas, junto a un aumento paulatino de la población exige un cambio hacia formas de energía más limpias. Dado lo anterior, las celdas de óxido reversible (RSOFCs), han sido materia de estudio durante las últimas décadas, exhibiendo gran potencial como una alternativa limpia de generación energética. Sin embargo, requerimientos como una buena conductividad iónica y eléctrica y resistencia a altas temperaturas, ha significado costos excesivos en materiales, tanto para su formación como por el deterioro durante su uso. En este sentido, el principal motor de desarrollo para esta tecnología consiste en encontrar nuevos materiales para su uso a temperaturas menores y que, al mismo tiempo, tengan las características requeridas para el funcionamiento físico y químico de las mismas. Este último desafío considera la principal motivación de esta memoria. Uno de estos materiales consiste en el La2NiO4+delta (LNO), el cual ha presentado reportes de mejoras notable en las propiedades electroquímicas del mismo al ser dopado con otras especies. En este sentido, el objetivo general de esta memoria consiste en la fabricación y caracterización de las propiedades mecánicas de LNO dopado con estroncio y bario. Para lograr el objetivo principal, se desprenden una serie de objetivos específicos que consideran la preparación de material LNO con respectivo dopaje de Sr 2+y Ba 2+, el estudio de las propiedades del material mediante diversos procesos y variaciones de los mismos y el análisis y discusión sobre la posibilidad del uso del material sintetizado como electrodo de oxígeno en celdas de óxido sólido reversibles. Para esto, se desarrolla una metodología que consiste en la fabricación de muestras de La1.8M0.2NiO4+delta (M: Sr 2+y Ba 2+) mediante el método sonoquímico. Luego, se realizan una serie de pruebas para caracterizar el material en diversas propiedades, las cuales incluyen TG, BET, XRD y HRTEM para caracterización estructural, ensayos de ICT e indentación para la obtención de módulo de elasticidad, dureza y tenacidad a la fractura, en término de sus propiedades mecánicas. Finalmente, se logran obtener variados valores de microdureza y tenacidad la fractura para distintas configuraciones de dopantes y temperaturas de sinterizado. Se concluye que en general las propiedades del material con dopantes son mejoradas debido a un cambio en la microestrctura del material que lo hace más resistente y con un módulo mayor, sin embargo, menos tenaz, ligado al aumento de las propiedades electroquímicas ya reportadas. En particular, para el dopaje con bario, se obtiene una microdureza de 8.93 [GPa], tenacidad a la fractura de 1.96 [MPa m^{1/2}] y módulo de Young consistente en 147.8 [GPa]. Los objetivos son cumplidos a cabalidad. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el proyecto FONDECYT N° 11160202

Ingeniero Civil Mecánico / Una batería ion-Litio es un dispositivo de almacenamiento energético compuesto de celdas eléctricas con sales de Litio, que se agrupan en módulos para conformar una estructura mayor llamada empaquetamiento. Son la mejor alternativa de almacenamiento en autos eléctricos o sistemas de energías renovables, sin embargo su rendimiento y vida útil se ven altamente afectados por las temperaturas de operación. Esto motiva la realización del presente trabajo de título apoyado por el Centro de Energía de la FCFM, en el marco del proyecto EOBLI que busca optimizar el desempeño de baterías ion-Litio a través del diseño óptimo de empaquetamientos. El objetivo de este trabajo es implementar un modelo fluidodinámico computacional (CFD), para determinar los efectos térmicos de la carcasa de un empaquetamiento, sobre el enfriamiento de celdas cilíndricas ion-Litio sometidas a refrigeración forzada con aire. El modelo es la representación 3D de un montaje experimental, del cual se conoce la medición de temperatura de enfriamiento de las celda en el tiempo y que consta de un módulo con carcasa de madera y 5 celdas cilíndricas enfriadas con aire desde 302 [K] hasta 292 [K] luego de 2500[s]. Se utiliza el software ANSYS basado en el cálculo de volúmenes finitos con mallado de geometrías, seleccionando un mallado de 1600000 elementos y un modelo de turbulencia k-e RNG, con un tratamiento de pared Enhanced Wall Treatment para resolución de capa límite. La validación y calibración del modelo se logra satisfactoriamente ajustando la temperatura de enfriamiento de las celdas entregada por el modelo con la curva de temperatura conocida del montaje experimental. La pérdida de carga resultante es de 12 [Pa], la velocidad máxima entre celdas es de 6 [m/s] y el coeficiente convectivo por celda es cercano a los 60 [W/m2K], lo que se verifica con bibliografía para intercambiadores de calor de tubo con flujo cruzado. Para el análisis térmico se varía la materialidad, longitud y temperatura de la carcasa. Se analizan 5 materiales, comparando resultados para el campo de temperaturas, coeficientes convectivos y el flujo de calor en las interfaces batería-aire y carcasa-aire. Se concluye que la materialidad de la carcasa a temperatura, T=292[K], no afecta el enfriamiento de las celdas, pero una carcasa refrigerada a T=275 [K] permite reducir el tiempo de enfriamiento de las celdas hasta en un 40% respecto al caso inicial, aunque esto es un resultado independiente del material de carcasa utilizado, ya que entre usar un conductor térmico o un aislante, la diferencia es solo de 1[min] y un ΔT=1[K], valor que de todos modos podría mitigar envejecimiento después de varios ciclos de carga y descarga. Por último, aumentar la superficie de intercambio carcasa-aire, favorece la disipación térmica y el enfriamiento de las celdas. Basado en los resultados obtenidos, se propone un estudio futuro de carcasas con el uso de materiales conductores y aislantes en forma estratégica para direccionar el flujo de calor. Se recomienda validar lo anterior con el diseño de geometrías orientadas a la refrigeración.

Ingeniero Civil Eléctrico / Los sistemas de almacenamiento de energía son un conjunto de tecnologías que presentan diversas características técnicas, las cuales generan una variedad de aplicaciones que permiten mejorar la operación técnica y económica de los sistemas eléctricos. El potente desarrollo de la electro movilidad e industria tecnológica han impulsado el desarrollo de la tecnología ion-litio. El aumento explosivo de su manufactura, la cual ha disminuido drásticamente sus costos, sumado a las múltiples químicas disponibles y su alta eficiencia la hacen sobresalir con respecto a otras tecnologías electroquímicas. [1] El objetivo general del presente estudio es evaluar la factibilidad técnica y económica de la instalación de un banco de baterías ion-litio asociado a una central fotovoltaica y central eólica que operan actualmente en el Sistema Eléctrico Nacional. En Chile se está trabajando en el reglamento de coordinación y operación de sistemas de almacenamiento (SAE). Es por esto que la operación del SAE se basa en el reglamento preliminar que regirá la coordinación y operación publicado en octubre de 2017. Las simulaciones de la operación del sistema para un horizonte de cinco años se realizarán en la plataforma computacional Chebyshev, desarrollada por el centro de energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas. Esta plataforma presenta la ventaja de modelar la operación del sistema en tiempo continuo por lo que es posible rescatar las sensibilidades y variaciones que se puedan dar principalmente por las tecnologías de generación con recurso variable como solares y eólicas. Se simuló la operación del sistema eléctrico para tres casos de estudio, el primer caso no considera uso de sistemas de almacenamiento, el segundo caso considera un BESS en modo de arbitraje de energía operado en la misma barra de conexión que la central generadora de interés y el tercer caso simula la operación de la central generadora con capacidad de almacenamiento. Los resultados obtenidos verifican una correcta operación técnica del sistema de almacenamiento pero dan cuenta de la infactibilidad económica del proyecto según los supuestos tomados. Los altos costos de capital de las baterías son los principales factores para que el proyecto no tenga rentabilidad positiva. Es importante tener en cuenta que el explosivo desarrollo de la manufactura de baterías gracias a la industria de vehículos eléctricos proyecta una agresiva disminución de costos para un horizonte cercano. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Acciona Energía Chile

Ingeniero Civil Mecánico / Dado que los combustibles son hoy los recursos energéticos más contaminantes y utilizados a nivel global, surge la necesidad de buscar nuevas fuentes renovables que sean limpias y amigables con el medioambiente. Al moverse hacia un sistema energético basado en energías renovables, aumentará la participación de la generación eléctrica intermitente y se promoverá el crecimiento de las infraestructuras de almacenamiento y generación de energía no contaminantes. Una de estas infraestructuras son las celdas de óxido sólido reversibles, dispositivos capaces de generar energía eléctrica y térmica mediante un proceso electroquímico, y además almacenar energía química mediante electrólisis. A pesar ser una alternativa viable de generación, existen algunas desventajas que les impiden sobresalir y competir contra el resto. Estas desventajas se deben a sus altas temperaturas de operación y a la relación entre los materiales a utilizar en cada uno de sus componentes. El objetivo general del tema de memoria es fabricar y caracterizar muestras de La2NiO4+δ (LNO) en base a polvos sintetizados mediante el método sonoquímico. Específicamente, se desarrollará una metodología teórico-experimental la cual se inicia con el proceso de síntesis y caracterización estructural de los nanopolvos para luego pasar a la fabricación de muestras para caracterización mecánica y eléctrica. Los alcances del trabajo contemplan el sintetizar nanopolvos de La2NiO4+δ variando las cantidades de reactivos y combinaciones de tiempo-temperatura, y el estudio de ciertas propiedades estructurales, mecánicas y eléctricas mediante análisis y ensayos a nanopolvos y muestras sinterizadas. Dentro de los resultados destacables se encuentra el módulo elástico E= 137,9 [GPa],el tamaño promedio de partícula de los polvos calcinados es 103[nm], el tamaño de grano promedio es de 4,2 [μm], la microdureza HV= 8,83 [GPa]y la tenacidad a la fractura KIC= 1,83 [MPam^0,5]. Finalmente, se logra obtener los parámetros de síntesis, obteniéndose un material nanocristalino y muestras fabricadas en base a los nanopolvos puramente de LNO con propiedades mecánicas y eléctricas comparables con la literatura.

Magíster en Gestión para la Globalización / El objetivo de la presente tesis es presentar un plan de negocios para la implementación de una fábrica de baterías de litio en Chile enfocada en la venta de baterías de litio al mercado latinoamericano y norteamericano. Esto implica definir las especificaciones de la batería que se va a vender en función de futuras necesidades de los clientes, como definir las especificaciones de la fábrica necesaria para realizar la manufactura de la batería. La oportunidad de negocio se presenta ante diversos factores. Por una parte se espera una demanda de baterías de litio de 183 GWh para el 2023 y de 336 GWh para el 2026 a nivel mundial lo que representa más de 5 veces la capacidad actual en menos de 10 años. Esta se ve empujada por la fuerte penetración de vehículos eléctricos. A su vez se estima que en Latinoamérica la demanda generada solo por Vehículos eléctricos será 5GWh el 2023 y crecerá a 12GWh al 2026 y continuará su expansión. Por otra parte, no existen fábricas importantes de baterías de litio en Sudamérica que suplan la demanda futura. Esto abre la oportunidad para que desde Chile se supla la demanda considerando su emplazamiento conectado a pocos días de grandes centros de consumo, su estabilidad económica y política, sus tratados de libre comercio con múltiples economías y su conexión a Asia desde el Pacífico. A su vez posee producción de litio que permite realizar contratos a largo plazo y asegurar el suministro. El mercado objetivo para este proyecto se estima en 16GWh anual al 2026 equivalente a 2.4 billones de dólares. El proyecto considera una inversión de 879.5 millones de dólares que serán invertidos en un periodo de 5 años, partiendo el año 2021 e iniciando su operación el año 2023. Posteriormente continúa la expansión de la fábrica hasta fines del año 2025. La operación del proyecto se considera en un periodo de 23 años. Esta construcción por fase le dará flexibilidad para adecuarse a cambios bruscos de demanda proyectada. El proyecto posee un VAN de $2,2 billones de USD y una TIR del 31%, probando en un primer esfuerzo la viabilidad financiera del proyecto. El análisis de sensibilidad muestra que el proyecto es muy sensible tanto al costo de las materias primas como a la proyección del precio futuro, siendo necesario usar la tecnología más moderna y flexible para adoptar nuevos cambios tecnológicos, como también siendo necesario generar contratos a suministro a largo plazo para eliminar el riesgo del costo de la materia prima. El componente internacional está enfocado por una parte en traer empresas fabricantes de baterías de litio del extranjero a Chile y posteriormente vender baterías en Latinoamérica y Norteamérica. Las principales recomendaciones consideran centrar esfuerzos en generar una agenda política para el fomento a la inversión y al desarrollo del mercado interno considerando metas de penetración de vehículos eléctricos. Logrado esto entonces se puede presentar una oferta atractiva a potenciales inversionistas. A posteriori será necesario entablar relaciones con potenciales proveedores para disminuir los riesgos de suministro. En una siguiente iteración será necesario evaluar la forma óptima de insertarse en la cadena de valor con el fin de minimizar el riesgo de inversionistas y generar dinámicamente la industria.

La flotación es una técnica de concentración que aprovecha la diferencia entre las propiedades interfaciales del mineral valorable y la escoria. Se basa en la adhesión de algunos sólidos a burbujas de gas generadas en la pulpa por algún medio externo. Este proceso es, en la actualidad, uno de los métodos más usados en la separación de material en la industria minera. En los años recientes, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una herramienta útil para la modelación del proceso de flotación, sin embargo no ha sido posible obtener un modelo matemático con capacidad predictiva. Lo anterior se debe a que la modelación de un proceso de flotación debería considerar las complejas características de este proceso de separación de mineral, tales como dispersión de partículas, control de la interface líquido-sólido en la adición de colectores, y de la interfaz líquido-gas al usar espumantes, mecanismos de creación y destrucción de interfaces burbuja-partícula y, formación y separación de una espuma trifásica en la superficie de la celda de flotación. En el presente trabajo de título se estudió la recuperación de concentrado de cobre en una celda de flotación de agitación mecánica, utilizando un modelo matemático, propuesto por Koh y Schwarz, basado en las condiciones dinámicas del fluido. En particular se estudió cómo el tamaño de las partículas sólidas que componen la pulpa, y la cual es una condición de operación que depende del usuario (en este caso las mineras), afecta el proceso de flotación. Los resultados obtenidos muestran la dependencia del tamaño de las partículas sólidas sobre la curva de recuperación, en donde se encontró que existe un tamaño óptimo de partícula que maximiza la recuperación. Este comportamiento coincide con lo que se ha visto en análisis experimentales, lo que le da a la modelación del proceso de flotación mediante CFD un futuro prometedor en el aporte a optimizar el diseño y/o condiciones de operación de una celda de agitación mecánica.