Thèse doctorat : Energétique et Thermique : Nancy 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre.

El constante desarrollo industrial y tecnológico ha establecido un escenario dónde, la demanda energética, en especial la eléctrica, se incrementa rápidamente. En este sentido la creciente explotación de los combustibles fósiles, ha logrado en las últimas décadas una fuerte reducción de sus yacimientos y el incremento de la contaminación ambiental. Tomando conciencia de estos problemas surgió la necesidad de diversificar las fuentes primarias de energía, introduciendo fuentes alternativas sustentables y no contaminantes. Entre éstas, las de origen renovable presentan algunas características que las hacen atractivas: complementariedad, libre disponibilidad y capacidad de generación inagotable. En este contexto, como una alternativa a los tradicionales vectores energéticos basados en combustibles fósiles, aparece la posibilidad de emplear un nuevo vector: el hidrógeno, un recurso no contaminante y eficiente. Además, empleado conjuntamente con Pilas de Combustible, puede producir electricidad y calor, con agua pura como único residuo. En base a lo expuesto, en esta tesis se aborda el desarrollo de un Sistema Híbrido de Generación de Energía Eléctrica versátil, basado en una Pila de Combustible PEM y Supercapacitores. De las tecnologías desarrolladas, las Pilas de Combustible tipo PEM, han demostrado un excelente desempeño como fuentes de energía en diversas aplicaciones, gracias a su reducido tamaño, robustez y baja temperatura de operación. Los Supercapacitores, presentan una alta densidad de potencia y frente a otras tecnologías tradicionales actuales son mas compactos, robustos y poseen mayor vida útil. De esta manera, esta combinación permite obtener un sistema de generación de alta densidad energética (gracias al funcionamiento continuo de las primeras) y muy buen desempeño dinámico. El sistema desarrollado tiene por objetivo ser utilizado como fuente de alimentación flexible en múltiples aplicaciones o bien, como una potente herramienta para el desarrollo de avanzadas estrategias de gestión de energía, en ámbito de laboratorio.

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Ce travail présente la conception d'une expérience de combustion induite par choc. Ce type de combustion est utilisé pour la propulsion des avions voyageant plus rapidement que Mach 5, qui est le sujet de cet étude, mais survient également, par exemple, dans le lancement de projectile à haute vitesse (accélérateur dynamique). Une configuration conique à deux angles a été utilisée et quatre géométries d'injection ont été considérées: une surface conique, une configuration à double étage avec espacement rectangulaire, une rampe cylindrique et une rampe en forme de double coin. Les conditions du carburant et de l'écoulement libre ont aussi été modifiées. Quatre paramètres ont été étudiés: la hauteur de pénétration du carburant, le rendement de mélange, le contrôle de l'allumage prématuré et l'interaction entre l'onde de choc et la couche limite. Les simulations numériques ont été exécutées avec le code FLUENT®. Les équations Navier-Stokes tridimensionnelles moyennées par Favre ont été résolues en utilisant le modèle de turbulence SST k — u> développé par Menter. L'oxydation de l'hydrogène a été modelée par le mécanisme de réaction Jachimowski, qui inclut 9 espèces et 20 réactions. Une relation a été dérivée afin de prédire la hauteur de pénétration du carburant à la fin de la région de mélange. De l'étude de mélange, la rampe cylindrique a généré le meilleur champ d'écoulement pour accomplir la combustion induite par choc, puisqu'elle a procuré le meilleur rendement de mélange, elle a prévenu l'allumage prématuré et elle a dispersé le carburant loin de la surface. La partie réactive a révélé que la combustion du mélange a pu être initiée par la deuxième onde de choc, et que la zone subsonique dans la région de combustion a réduit la longueur d'induction. / This work presents a design for a shock-induced combustion experiment. This type of combustion occurs in aircraft engines flying faster than Mach 5, which is the topic of this study, but also occurs, for example, in high-speed projectile launching (ram accelerators). A two-angle cone configuration was used and four injector geometries were considered: a conical surface, a dual-stage configuration with rectangular gaps, a cylindrical ramp and a double-wedge ramp. The fuel as well as the freestream conditions were also varied. Four parameters were investigated: the fuel penetration height, the mixing efficiency, the control of premature ignition and the shock wave / boundary layer interaction. The numerical calculations were performed with the FLUENT® code. The three-dimensional Favre-averaged Navier-Stokes equations were solved employing the Menter SST k — u turbulence model. The hydrogen/oxygen combustion was modelled with a 9 species and 20 reactions Jachimowski reaction mechanism. A relation was derived to predict the fuel penetration height at the end of the mixing region. From the mixing study, the cylindrical ramp injector gave the best flowfield for shock-induced combustion since it provided the best mixing efficiency, prevented premature ignition and dispersed the fuel far from the wall. The combustion modelling revealed that combustion can be initiated by the second shock wave, and that the subsonic zone in the combustion region reduced the induction length.

Ingeniero Civil en Biotecnología / Ingeniero Civil en Química / El actual escenario energético del planeta, y la baja diversidad de la matriz energética de Chile, ha terminado por generar la necesidad de encontrar nuevas fuentes de combustibles. Combustibles que resulten menos contaminantes para el medio ambiente, y que permitan un desarrollo sustentable del país. Ante esta necesidad se alzan los biocombustibles. Chile no posee las ventajas competitivas de EE.UU. y Brasil para la producción de biocombustibles de primera generación, por lo que debe concentrar sus esfuerzos en la producción de biocombustibles de segunda generación utilizando diversos residuos lignocelulósicos, la variabilidad de suelos, y los diferentes climas a lo largo de su territorio. Es en esta situación que esta memoria se sitúa, como parte del proyecto FONDECYT de iniciación 11110368 y el programa Domeyko Energía. La memoria consistió en estudiar la fermentación de mezclas de medios de glucosa, derivados a partir de diferentes residuos lignocelulósicos, los cuales fueron pretratados previamente por hongos de pudrición blanca. Preguntas como la posible existencia de sinergias, inhibiciones, y cómo contribuyen estos residuos lignocelulósicos en el producto de bioetanol buscaron ser respondidas en este trabajo. El desarrollo de experiencias se diseñó a partir de hidrólisis y fermentaciones separadas (HFS). Primero se seleccionaron los residuos lignocelulósicos (rastrojos de maíz, rastrojos de trigo, y residuos de eucalipto) pretratados por hongos de pudrición blanca (Ganoderma applanatum, Lentinus edodes, y Stereum hirsutum), los cuales pasaron a continuación por idénticos procesos de sacarificación utilizando hidrólisis enzimática (1 [g] peso seco de residuo lignocelulósico, 40 [CBU] de Novozyme® 188, 2,5 [FPU] de Celluclast® 1,5 L, 75 [µL] de Tween® 20, 29,8 [mL] de tampón Acetato de Sodio 0,05 M y pH:4,8, por 72 [hrs] a 50 [°C] y 200 RPM), siendo posteriormente diluidas las concentraciones obtenidas de glucosa a 2 [g/L] para su posterior fermentación. Dichas fermentaciones se efectuaron usando la levadura Saccharomyces cerevisiae cepa Ethanol Red® (Red Star), los medios fermentados correspondieron a caldos con la cantidad de glucosa total fijada en 2 [g/L], en forma de mezclas o individualmente (10 [mL] de fase líquida sacarificada diluida a 2 [g/L], 9 [mL] de medio nutritivo compuesto de extracto de levadura-Fosfato de Amonio-Sulfato de Magnesio, 1 [mL] de inóculo de levadura, por 72 [hrs] a 40 [°C] y 200 RPM). Las mediciones de bioetanol fueron efectuadas en un cromatógrafo de gases, y mediciones de abundancias naturales de isótopos estables de 13C en un espectrómetro de masas. Para la determinación estadística de diferencias significativas entre resultados, se aplicaron los tests paramétricos: ANOVA, Tukey-Kramer, y los tests no-paramétricos: Kruskal-Wallis, Dunn-Sidak. Los resultados obtenidos mostraron que la mezcla de medios con glucosa de distintos sustratos genera efectos inhibitorios y sinergias. Las sinergias ocurrieron a partir de todas las mezclas fermentadas de rastrojos de maíz y residuos de eucalipto (10,5% en promedio sobre lo esperable), y las inhibiciones se generaron a partir de todas las mezclas fermentadas de rastrojos de maíz y rastrojos de trigo (467,5% en promedio menos de lo esperable). Además, se determinó que la contribución al producto final de bioetanol por parte de rastrojos de trigo y residuos de eucalipto es mayor (65,6% en promedio,) que la efectuada por los rastrojos de maíz (34,4% en promedio). En consecuencia, la glucosa con origen de plantas C3 generalmente tiene una mayor contribución que la glucosa con origen de plantas C4 en el producto de bioetanol. Se concluyó a partir de los resultados obtenidos que el principal factor que posiblemente influyó en los rendimientos de bioetanol fue la concentración de ácidos hidroxicinámicos en el medio de fermentación, la cual estaría determinada mayormente por la estructura lignocelulósica de los residuos y el tipo de hongo de pudrición blanca. En relación a la contribución por parte de las plantas C3 y C4 al producto final de bioetanol, se concluyó que esta situación se debió a una preferencia de la levadura Saccharomyces cerevisiae cepa Ethanol Red® (Red Star) por incorporar a sus productos de fermentación moléculas de glucosa isotópicamente más livianas, las cuales poseen velocidades de difusión y colisión más elevadas, además de tener energías de enlace menores. Este último párrafo, permite asentar las bases para continuar la investigación de fermentaciones de medios de cultivo que contienen glucosa derivada de dos sustratos distintos (e.g. análisis de inhibidores), y como siguiente paso una optimización del proceso en post de encontrar las mejores alternativas de producción de bioetanol de segunda generación.

Ingeniero Civil Mecánico / El Área de Transporte de la Agencia Chilena de Eficiencia Energética (AChEE), en su funcionamiento desde el 2010 en adelante ha llevado a cabo diversos proyectos, en los cuales ha buscado reducir el consumo de combustible a través de la implementación de Medidas de Mejora de Eficiencia Energética (MMEE). En estos proyectos, el proceso de cuantificación de resultados se ha llevado a cabo de diversas maneras sin seguir un lineamiento común, lo cual no ha permitido hacer estos resultados comparables entre estudios. Es por esto, que la AChEE ha elaborado un protocolo estándar, basado en el Protocolo Internacional de Medida y Verificación (IPMVP), para aplicarse en los proyectos que se realicen a partir del 2014. Dentro de esta memoria se ha abordado dicha problemática aplicando el protocolo a los proyectos de la AChEE del periodo 2011-2013, para así compararlos con los resultados obtenidos anteriormente. Luego, se evaluó la costo-efectividad de cada proyecto y de dos nuevas herramientas que permiten estimar el impacto de dispositivos aerodinámicos y de conducción eficiente: el análisis de Fluidodinámica Computacional (CFD), y la metodología Potencia Específica Vehicular (VSP), respectivamente. A partir de la cuantificación estandarizada se obtuvo una diferencia con lo reportado originalmente de 79.225 [lt/anuales] menos, producto que este es más estricto. Además se hacen recomendaciones sobre los medidores más adecuados según el tipo de proyecto. Por otro lado, con respecto al análisis CFD se concluye que es aplicable para determinar el impacto de dispositivos aerodinámicos, recomendándose su utilización en las etapas de diseño y puesta a prueba de estas tecnologías. Finalmente, se determina que la Metodología VSP es un buen estimador del consumo de combustible bajo condiciones de conducción normal, que sin embargo adquiere un mayor margen de error en la aplicación de conducción eficiente, estimando una reducción del consumo levemente menor que la real. Todos estos antecedentes impactan en el diseño y futuro desarrollo de la AChEE.

Cette thèse présente la conception et la microfabrication d’une toute nouvelle configuration de pile à combustible en convection naturelle destinée à l’alimentation des appareils électroniques portables qui ne requiert aucun élément d’emballage externe (Pile à combustible sans emballage ou PLFC). On présente aussi les impacts majeurs de l’intégration d’un système de gestion d’eau complet (SGD) qui draine l’eau en surplus à la cathode pour la redistribuer vers l’anode et vers une surface d’évaporation imitant un réservoir d’hydrogène à base d’hydrures. La PLFC est constituée d’une membrane composite combinant un support mécanique de polymère (polyimide – Kapton®) et des chemins de conduction protonique (Nafion®), de collecteurs de courant métalliques et de couches catalytiques poreuses à base de nanoparticules de Pt/C. Le tout est intégré dans un seul feuillet de 50µm d’épaisseur sur une surface de 1cm[indice supérieur 2]. Des méthodes pour manipuler et graver le Kapton ainsi que pour intégrer le Nafion dans des procédés de microfabrication ont dû être développées. Un modèle analytique décrivant les résistances internes de la PLFC a aussi été réalisé. Ce modèle, combiné aux limites de dimensionnement causées par les méthodes de fabrication, a permis d’établir un processus de conception et de dimensionnement. La PLFC développée a démontré une importante augmentation de puissance volumique d’au moins 97% par rapport aux systèmes existants avec des emballages microfabriqués ou non. L’intégration d’un système de drainage de l’eau par des chemins hydrophiles à la cathode combinée à une redistribution d’eau vers l’anode et une surface d’évaporation a permis de doubler la puissance surfacique de la PLFC tout en stabilisant son fonctionnement. Finalement, on démontre dans cette thèse que dans les piles à combustible fonctionnant en convection naturelle, l’assèchement de l’anode joue un rôle prépondérant et que celle-ci doit être humidifiée, même lorsque la cathode est en surplus d’eau. De plus, en utilisant ce surplus pour alimenter un générateur d’hydrogène à base d’hydrures, on pourrait doubler la densité énergétique du système de pile à combustible.

TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN ADMINISTRACIÓN / El presente plan de negocio está enfocado en la instalación de una Planta de Recepción y Tratamiento de Aceites y Grasas Vegetales y Animales en la Región Metropolita, para satisfacer la demanda interna de Disal Chile, (empresas dedicada a la gestión de servicios ambientales) proveniente de actuales y futuros clientes. Como una segunda derivada de la planta, se comercializará el subproducto resultante del proceso de tratamiento de los aceites y grasas, subproducto que se utiliza fundamentalmente como combustible para otros procesos productivos. En una segunda etapa, si la demanda de la empresa (Disal Chile) estuviera cubierta totalmente, se analizará la posibilidad de extender el servicio a otras empresas del rubro. La planta de tratamiento de Aceites y Grasas cubrirá la necesidad de tratar y disponer Grasas y Aceites provenientes de distintas procesos productivos e industrias. Hay una gran cantidad de actividades que generan aceites y grasas vegetales y animales, principalmente Súper-Mercados, Retail, Industrias de alimentos, Industrias Cerveceras y Vitivinícolas, Hoteles y Casinos, entre otros. En todas estas industrias, se les exige que sus residuos deben ser dispuestos de acuerdo a la normativa vigente y en lugares autorizados, actualmente, si bien existen plantas que realizan este servicio, se estima que la demanda es mayor a la oferta. Actualmente la capacidad de recepción de aceites y grasas en la RM no supera las 190.000Ton/año, siendo fundamentalmente dominado el mercado por tres empresas, Catemito, Armony e IdeaCorp, según los estudios realizados, la necesidad real debería ser mayor a este numero, dado que actualmente muchas empresas disponen este tipo de residuos como un residuo liquido mas (en plantas de tratamiento de aguas) y no hacen la diferencia dado su contenido graso, fundamentalmente por que no hay fiscalizaciones duras que desincentiven esta practica, sin embargo, todas las empresas de un cierto tamaña y ambientalmente responsables, si cumplen con esta normativa. Como se mencionó anteriormente, hoy en día existen alternativas de disposición final para este tipo de residuos, pero la demanda estimada es mayor a la oferta actual, sin embargo, la principal propuesta de valor que entregaremos, es el proceso que realiza la planta, es decir, la forma de tratar el residuo, ya que en este caso, la tecnología que posee nos permite transformar estos residuos grasos en un nuevo insumo o materia prima para otros procesos, es decir, en el fondo, no hay disposición final de residuos, si transformación de estos. Esta característica le permite a cada cliente generar “0” residuos, atributo muy valorado en algunas industrias y compañías internacionales, las cuales están tendiendo a propiciar economías circulares.

La metodología de automatización de un sistema de descarga/carga de combustible buque/tanque mediante control por SCADA presenta la ingeniería conceptual básica para el desarrollo del sistema, incluye lineamientos generales, normas, restricciones y se mencionan algunas recomendaciones aprendidas en el desarrollo de esta aplicación en el puerto de Ilo. Se presentan formas generales de estructurar esta aplicación y en el caso de ser requerido cambiar el tipo de combustible (tener en cuenta las propiedades físico y químicas del material como viscosidad, densidad, entre otras), también se puede cambiar la ubicación geográfica (tener en cuenta la altura de instalación para los motores y accionamientos electrónicos, así como consideraciones de pintura, entre otros); sin embargo, la idea que se presenta es mantener una estructura de lectura de información y escritura de órdenes para gobernar este sistema vía SCADA, sea indistintamente el tipo de combustible a utilizar o locación a instalar, principalmente utilizando los conceptos de control & instrumentación para especificación de instrumentos y respaldo de manuales de fabricantes, así como aplicaciones de comunicaciones industriales e integración de sistemas.

Estudia los catalizadores basados en platino con la finalidad de optimizar el rendimiento de las celdas de combustible. Para este estudio se obtuvo un catalizador de Pt3Cr/C mediante la síntesis de poliol depositados en carbono Vulcan® XC-72, con la finalidad de mejorar la reacción de reducción del oxígeno. La caracterización física del catalizador fue realizado a través de técnicas como difracción de rayos, energía dispersiva de rayos X, absorción de rayos X, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X y microscopía electrónica de transmisión. Para los estudios electroquímicos fueron realizados curvas de polarización en la celda unitaria utilizando membrana de Nafion®115, alimentadas con H2 en el ánodo y O2/aire en el cátodo, a diferentes temperaturas y presiones. Para la determinación del área activa se utilizó el método de stripping CO. El tamaño de partícula para el catalizador fue de 3,0 nm y la relación de átomos del Pt y Cr es de 3 a 1, respectivamente. El área superficial activa para el catalizador sintetizado fue de 483 cm2 mientras para el comercial fue 1029 cm2 por electrodo. A pesar de presentar una mayor superficie, el catalizador comercial ETEK comparado con el catalizador Pt3Cr/C sintetizado presentó un mejor rendimiento debido a la presencia de óxidos de cromo según se observó en el XPS.