Ingeniero Civil Electricista / El objetivo principal de este trabajo es evaluar la factibilidad técnica y económica de una central fotovoltaica conectada a la red. Para ello se realiza una estimación de la radiación solar en el desierto de Atacama, específicamente en las cercanías de Calama. Por otro lado se presenta una caracterización de las celdas solares, además de una visión global de la generación fotovoltaica conectada a la red a nivel internacional y sus proyecciones a futuro. Se diseña de manera básica la configuración de la central fotovoltaica analizando cada uno de sus componentes. Luego, a partir de la ubicación propuesta, se realiza la estimación de la radiación incidente obteniéndose una Radiación Global Horizontal promedio de 7,22 kWh/m2/día. En seguida, considerando las características de los paneles solares, seguidores, inversores y transformadores, se estima la generación anual de la planta en 87,5 GWh. Para el análisis económico se establece un modelo de negocio, en el cual se consideran ingresos por la venta de energía y potencia al mercado Spot del SING e ingresos por venta de bonos de carbono al mercado internacional, además se modela la ley 20.257 como una entrada adicional de dinero, considerando un mercado para la venta de acreditaciones de ERNC. A continuación, se estima el costo de inversión y el costo de operación y mantenimiento, y se procede a realizar el análisis de rentabilidad, con su respectivo análisis de sensibilidad de variables. De este último se deduce que el proyecto es particularmente sensible al costo de inversión de la instalación, a la generación y al precio de venta de la energía. El análisis de rentabilidad concluye que el proyecto es rentable bajo escenarios alternativos con menores costos de inversión y precios de la energía más elevados. Estos escenarios podrían desarrollarse con bastante probabilidad en el mediano o largo plazo, haciendo bastante atractiva esta tecnología para inversiones futuras.

Ingeniero Civil Eléctrico / La tendencia a nivel mundial de explorar nuevos medios de generación no convencionales ha permitido el desarrollo de tecnologías como la eólica o la solar. A nivel nacional la energía solar fotovoltaica (FV) ha comenzado a mostrar los primeros signos de ser una alternativa de gran potencial para el norte del país, en especial para el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING). La energía FV se caracteriza por tener una gran variabilidad, la cual si bien puede ser bastante predecible como en amaneceres y atardeceres, también puede ser de carácter aleatoria producto de los efectos producidos por nubes. Lo anterior, sumado a las características del SING, un sistema aislado, puramente térmico y poco flexible, hace de la generación FV más que una alternativa alentadora en términos de la estabilidad del sistema una solución para la cual el sistema no está preparado. Considerando lo anterior, este trabajo se enfoca en proponer estrategias de control para plantas FV de gran escala que ayuden a disminuir el riesgo asociado a la variabilidad inherente en la generación de este tipo de tecnología. Se analizan dos estrategias, un control para el amanecer y atardecer (control A/A) el cual busca limitar las pendientes de potencia que se producen en amaneceres y atardeceres, y un control para el llamado efecto nube (control EN) que disminuya la variabilidad de la potencia de salida de una planta FV producto de disminuciones intempestivas en la radiación recibida. Ambos controles se basan en la operación deloaded de la planta FV, es decir, dejando un margen de reserva de potencia de forma tal de permitir un control de potencia en la planta. Los modelos son desarrollados en el software DIgSILENT, donde se evalúa el desempeño de los controles propuestos bajo diferentes escenarios de radiación. Los resultados muestran un comportamiento adecuado del control A/A, el cual solo es limitado por los niveles técnicos de operación del conversor y el nivel de reserva. Para el control de EN los resultados son alentadores para ciertos niveles de radiación, donde se ven disminuciones de hasta un 37% en la variabilidad de la potencia de salida en el escenario de radiación moderada con un 10% de deload. Para días con mayor nubosidad, con un aumento en el nivel de deload se logra disminuir la variabilidad de potencia en un 21% y con pérdidas de energía inferiores al 3%. El control de EN logra disminuir la variabilidad de potencia a la salida, disminuyendo así los niveles de reserva que serían necesarios en el sistema para compensar estas variaciones, producidas por fluctuaciones en la radiación. Como trabajo futuro se propone evaluar económicamente estas alternativas, contemplando las pérdidas que se generan por la operación deloaded de centrales FV, los beneficios a nivel sistema al disminuir los niveles de reserva, etc. Por otro lado, proponer un control que adapte el nivel de reserva a partir de pronósticos meteorológicos puede conseguir mejores resultados que un nivel de reserva predefinido.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / A medida que la participación de energías renovables fluctuantes (ERf), como la energía solar fotovoltaica y eólica, de un sistema eléctrico aumenta, la flexibilidad de la red para responder frente a mayores variaciones e incertidumbre en la demanda neta se torna cada vez más importante. En sistemas hidrotérmicos que poseen centrales hidroeléctricas con capacidad de acumulación, son éstas las que pueden proveer dicha flexibilidad. Así, la nueva meta ERNC 20/25 de Chile motiva a investigar las interacciones sistémicas entre centrales hidroeléctricas y proyectos de ERf. Si bien es conveniente proveer flexibilidad con centrales hidroeléctricas, esta capacidad es limitada, por lo que en esta investigación se exploran dos opciones para incrementarla. Una alternativa consiste en aumentar la potencia instalada de centrales hidroeléctricas ( up-powering ) y otra en optimizar el uso de los estanques de regulación que poseen algunas centrales de pasada. Un tercer punto a estudiar en esta investigación es analizar cómo se modifica la operación de centrales hidroeléctricas conforme una mayor penetración ERf. Una eventual operación más fluctuante, induciría grandes variaciones de caudal entre una hora y otra, lo que puede afectar negativamente otros usos aguas abajo, incluyendo efectos nocivos sobre ecosistemas fluviales. Para llevar a cabo esta investigación se diseñan distintos experimentos utilizando un modelo de minimización de costos (MIP-UC). Este programa determinístico entero-mixto replica las prácticas del operador del Sistema Interconectado Central (SIC) y prescribe la potencia a generar de todas las centrales eléctricas del SIC con resolución horaria en un horizonte típicamente semanal. Los resultados son analizados en escenarios definidos por distintos niveles de penetración de ERf y años hidrológicos. En relación al primer objetivo, se identifica una central a la cual aplicar up-powering es conveniente, aumentando así la capacidad de respuesta frente a variaciones en la demanda neta. Además, se genera una serie de sugerencias de fenómenos a modelar en los siguientes experimentos, como por ejemplo la inclusión de tiempos mínimos de encendido y apagado. Para el segundo objetivo, se endogeniza la operación de los estanques de regulación al MIP-UC, lo cual genera un ahorro sistémico cercano al 4% del costo térmico. Finalmente, mediante un análisis de frecuencia de las series de tiempo de caudales turbinados resultantes del MIP-UC para las principales centrales de embalse, se detectan dos centrales, El Toro y Pangue, particularmente susceptibles a mostrar mayores fluctuaciones de caudal para escenarios de elevada penetración ERf. En éstas se propone evaluar restricciones de operación para proteger a los ecosistemas acuáticos.

Ingeniero Civil Mecanico / Actualmente la energía eólica ha tenido un creciente auge debido a los grandes avances tecnológicos presentes estos últimos años y al aumento en el desarrollo de energías limpias y sustentables. A partir de lo anterior es que se genera el concepto de las turbinas eólicas aumentadas por edificios, la cuales aprovechan el potencial eólico que se ve afectado por los ambientes urbanos. El estudio tiene como principal objetivo determinar criterios de emplazamiento de un generador eólico de pequeña escala en una vivienda urbana. Esto se realiza utilizando el método de volúmenes finitos mediante el software comercial ANSYS FLUENT 14.5, el cual simula un flujo de aire sobre una vivienda previamente definida. Se define un coeficiente concentración de la velocidad del aire que muestre las zonas donde existe un aumento del recurso energético por efecto de la presencia de la vivienda. A partir de los resultados obtenidos por la simulación realizada se aprecia que el flujo se separa, provocando zonas donde se aumenta la velocidad del aire debido a la presencia de la vivienda, además se realizan estudios en diferentes planos de la vivienda con el fin de analizar los efectos producidos para cada geometría, se concluye a partir de este análisis que las zonas de aumento de velocidad de flujo son mayores mientras más abrupto es el choque de la superficie con el viento. Además se presentan los resultados de los factores de concentración de velocidad del aire, donde existe un aumento del 5% de la velocidad del viento alrededor de la vivienda, por causa exclusiva de su geometría. Finalmente, este estudio concluye con la generación de los criterios de emplazamiento para turbinas eólicas sobre una vivienda urbana, dándole importancia a las zonas donde existe un mayor aprovechamiento del potencial eólico.

Geólogo / En este trabajo se desarrollan los fundamentos de la energía geotérmica de baja entalpia (EGBE), y su uso en la climatización de espacios, especialmente en el ámbito domiciliario. Se introduce el concepto de bomba de calor geotérmica, con todos los aspectos conceptuales que esto conlleva. Se analizara la demanda energética para una casa dentro de la región del Maule, con el fin de generar un sistema de apoyo en la toma de decisiones, aplicado a la evaluación de proyectos relacionados con este tipo de energía. Esta región es una de las dos zonas estudiadas por el proyecto "Determinación de parámetros termales en el subsuelo de las cuencas de Santiago y Talca: implicancias para el uso directo de la energía geotérmica". Se estudiará la cobertura sedimentaria presente en la cuenca del Maule con el objetivo de describir la sedimentología y las propiedades hidráulicas de los acuíferos que estén contenidos en ella, esto con el fin de analizar en profundidad el intercambio calórico con el subsuelo. A esto se le suman las variables hidrogeológicas, como el flujo subterráneo y abatimiento, ya que estas pueden generar quiebres hidráulicos y térmicos, que pueden afectar a una futura implementación y/o operación. Se generaran dos metodologías de estimación, para dos tipos de bombas de calor, ambas asociadas a pozos verticales, pero con distinta fuente calórica. Las bombas BHP (Borehole Heat Pump), que obtiene el calor de los sedimentos y la bomba GWHP (Ground Water Heat Pump) que obtiene el calor del agua subterránea. La generación de este sistema de apoyo requiere una perspectiva multidisciplinaria, ya que necesita la incorporación de todas las variables hidrogeológicas involucradas, además de una correcta estimación en términos de demanda energética y patrones de consumo. Los resultados muestran que ambas tecnologías son aplicables dentro de la zona, pero existe una gran diferencia de costos de implementación. A través de esta diferencia es posible determinar que las bombas GWHP son más favorables cuando se trata de calefacción domiciliaria.

Ingeniero Civil Eléctrico / La tendencia en todos los países desarrollados y en vías de desarrollo en el mundo es al alza en cuanto al consumo de energía eléctrica. Esto lleva a buscar alternativas de recursos mediante los cuales suplir esta creciente demanda y que a su vez sean amigables con el medio ambiente. En de éste ámbito surgen las ERNC, y dentro de ellas el viento asoma como una fuente de gran potencial. Si bien es cierto que el viento es una fuente limpia y gratuita de energía, no está libre de problemas. El hecho de que sea un recurso con un régimen aleatorio hace que su penetración en sistemas eléctricos presente ciertos desafíos. Dentro de estos desafíos están los asociados a las rampas de viento, aumentos o disminuciones repentinas de la potencia extraíble de este recurso. Estas rampas indudablemente son un problema ya que comprometen la operación óptima del sistema, desde el punto de vista técnico y económico. En este trabajo se desarrolló una herramienta de predicción de rampas desde un punto de vista estadístico/probabilístico mediante redes Bayesianas. En base a datos correspondientes a la central Canela I se entrenó y validó el modelo. La validación se hizo mediante la comparación de los resultados obtenidos del modelo versus los datos reales. Se compararon distintos resultados mediante una función de puntaje asociada a los verdaderos positivos, falsos positivos y falsos negativos obtenidos para cada caso. Ésta función asigna puntaje entre 0 y 1, donde 1 corresponde a la predicción perfecta. Inicialmente se probó el modelo para tiempos de anticipación de una, dos y tres horas. Los tres casos dieron resultados parecidos, con un puntaje que llega a 0,52. Como segundo caso se probó pronosticar rampas en una ventana de dos horas, obteniéndose en este caso un mejor resultado con un puntaje de 0,7. Finalmente éste se comparó con un modelo autorregresivo (AR), resultando mejor el modelo de red Bayesiana, con puntaje de 0,7 frente a 0,41 del modelo AR. Como trabajo futuro se propone probar el método con datos de otras centrales, además de mejorar el modelo para incluir la estacionalidad del recurso.

Ingeniero Civil Eléctrico / La necesidad de abastecer de energía a centros aislados de consumo a precios económicamente factibles ha dado pie al desarrollo de las micro redes, las cuales pueden suplir esta demanda utilizando diversos medios de generación, a través de las energías renovables, convencionales y acumuladores. Para controlarlas inteligentemente, se implementan sistemas de gestión de energía encargados de calcular las consignas óptimas para los distintos componentes de la micro red, los cuales se encuentran en pleno desarrollo y presentan múltiples aristas con opciones de mejora, entre ellas, la optimización de la vida útil de las baterías, componente esencial en ellas tanto por su costo de inversión como por su utilidad. Para medir el envejecimiento del banco de baterías, en esta memoria se utiliza un modelo de pesaje efectivo de consumo. Si suponemos que una batería puede entregar cierta cantidad definida de carga a lo largo de su vida útil, entonces se puede medir su estado de salud a través de un contador acumulativo de esta. El pesaje penaliza la utilización del banco a bajos niveles de estado de carga y premia su utilización a niveles altos, sumando una carga mayor o menor a la real respectivamente al conteo acumulativo, provocando que, sujeto a una optimización, se prefiera utilizar la batería en altos niveles de estado de carga para así alargar su vida útil. Para implementar esta curva de pesaje efectivo y el costo de pérdida de vida útil asociado en el sistema de gestión de energía se utiliza una función escalonada por tramos regulada por restricciones lineales enteras mixtas. Se trabajan tres escenarios de los cuales se tienen datos de generación solar, eólica y demanda del pueblo de Huatacondo durante siete días pertenecientes a distintas estaciones del año. Para ellos se encontraron resultados favorables en cuanto a un balance entre una menor pérdida de vida útil del banco y un aumento del costo de operación y mantenimiento del equipo diésel de la micro red para sustentar esto de un 16% proyectando la operación a 10 años, equivalente a unos 16 millones de pesos. Se encuentra que al implementar el modelo de envejecimiento se deja de utilizar diésel para cargar el banco y se prefiere cargar solo con excedente de energías renovables, esto para no incurrir en un doble costo, el de carga de baterías con diésel y el de envejecimiento del banco por su utilización.

Ingeniero Civil Elctricista / La necesidad de incrementar el aporte de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC) dentro del diseño de la matriz energética nacional es cada vez mayor. Este hecho se refleja, particularmente, en el notable aumento del número de centrales que utilizan el recurso eólico. Sin embargo, para su integración en los sistemas interconectados se requiere conocer de antemano el nivel de generación que se puede alcanzar. En este contexto, surge la necesidad de contar con herramientas que sean capaces de predecir el comportamiento aleatorio de la velocidad del viento con un cierto grado de confiabilidad, con el fin de prever cuanta energía podrá entregar un aerogenerador al sistema en un instante determinado. Para tratar la problemática descrita, este trabajo presenta el diseño e implementación de un método para realizar predicción de velocidad de viento, el cual incluye agrupamiento de datos, análisis estadístico de series de tiempo y la caracterización de éstas a través de modelos paramétricos variantes en el tiempo, para un horizonte de mediano plazo. El modelo se basa en un método auto-regresivo y es desarrollado utilizando el registro histórico de velocidad de viento, durante el año 1990, en la localidad de Punta Lengua de Vaca, región de Coquimbo. Específicamente, el diseño presentado consiste en un modelo vectorial auto-regresivo con variable externa (V-ARX, Vector Auto Regressive with eXternal input), el cual tiene la particularidad de realizar la predicción de un día completo (24 horas) en un solo paso, a diferencia de los algoritmos utilizados normalmente, que realizan predicciones a un paso considerando horizontes de tan sólo una hora; lo que necesariamente implica que si se quiere conseguir horizontes de tiempo más lejanos, las predicciones deben ser realimentadas en el modelo en un proceso iterativo. Por otra parte, la metodología empleada para elaborar el predictor, hace posible identificar componentes periódicas del viento, tanto diarias como estacionales, facilitando la diferenciación de grupos de datos que presenten comportamientos o tendencias similares, permitiendo la creación de un modelo más certero para cada uno de estos bloques. Con el fin de realizar esta agrupación, se plantea una nueva manera de distinguir patrones estacionales en este tipo de series de tiempo, basándose en la similitud de sus distribuciones de probabilidad. Para ello se propone la divergencia de Kullback-Leibler como medida de diferenciación, y el algoritmo K-means como método de agrupamiento. Finalmente, como medio de validación del diseño propuesto, se implementan dos modelos utilizados actualmente en el ámbito de predicción: el modelo de Referencia de Nielsen y un modelo ARMA-GARCH. Al ser éstos comparados con el modelo V-ARX entregan como resultado que, dependiendo de las distintas métricas de error consideradas, dicho modelo vectorial presenta una mejora en la certeza de las predicciones: de un 6% a un 55% en relación al modelo de Referencia de Nielsen, y de un 2% a un 8% respecto al modelo ARMA-GARCH. Los resultados obtenidos permiten concluir que la manera propuesta para realizar predicción, es mejor que algunos de los métodos usados actualmente, pues reduce el error de estimación y en consecuencia, las predicciones son más cercanas a los valores reales.

Ingeniero Civil Electricista / En el actual escenario mundial, donde cada vez es más frecuente que pequeños generadores ERNC suministren energ ía el éctrica residencial, comercial e inclusive industrial, se prevee que los sistemas de el éctricos de potencia tradicionales migren a sistemas que incorporen pequeños generadores ERNC inyectando su energí a excedente directamente a la red de distribución. Frente a este nuevo escenario, el Estado ha tenido que legislar al respecto promulgando una ley que regula el ingreso de estas nuevas tecnologí as y desarrollando el reglamento correspondiente con la finalidad de hacer sustentanble y mantener de forma segura los sistemas eléctricos de potencia, exigíendolos cumplir con normas técnicas. Además la nueva legislación incentiva el ingreso de estos nuevos actores con el pago, de las empresas distribuidoras de la energía excedente inyectada. Para poder incorporar estos pequeños generadores dentro del sistema eléctrico, se propone la construcción de un dispositivo que amplí e la forma de operación de distintos tipos de estos pequeños generadores, y que además permita que estos cumplan con las nuevas normativas para que se incorporen al sistema eléctrico de distribución y sincronizarlos en forma segura. El objetivo del trabajo de título es desarrollar y construir un dispositivo, que cumpla la función de interfaz entre el generador y consumo-red, con una potencia de 10[kW], que sea autónomo y que permita operar con un consumo aislado o sincronizado, que busca obtener un mejor rendimiento uniendo fases para el caso de operación en isla con conexión monofásica, y además, evaluar la rentabilidad del dispositivo. Se contruye un conversor de 7 piernas que se compone principalmente de un DSP que controla su funcionamiento, placas de transductores que miden variables eléctricas necesarias para el control y la placa del conversor, la cual recibe las señales de control y controla los circuitos de potencia. Se acondiciona parte del laboratorio de electrónica de potencia para realizar pruebas controladas y seguras. Se diseñan los algoritmos de modulación y control del sistema, que corresponden a modulación de espacio vectorial en 3 dimensiones que permite tener una salida del inversor trifásica con neutro, lo que permite conectar carga directamente, y control resonante que tiene la característica de controlar en torno a una frecuencia específica de 50[Hz]. Se realizan las pruebas de algoritmos y se registran las salidas que verifica que el inversor mantiene una tensión de salida a 50[Hz], en vacío, con variación de carga e igualando fases. Se calcula una breve evaluación económica para estimar la rentabilidad del equipo. Finalmente se obtiene un dispositivo experimental que puede servir como referencia de diseño y construcción de un conversor, desarrollo de algoritmos de modulación y control. Además de una base de aprendizaje en uso software para programar DSP y hardware de electr onica de potencia.

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente gas, carbón y petróleo abastecen tres cuartos de la demanda energética mundial, lo cual muestra la gran dependencia de los combustibles fósiles que tiene la humanidad; esto sumado a la sobreexplotación de los recursos naturales provoca distintos tipos de contaminación, tanto local (material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono) como global (efecto invernadero, lluvia ácida, contaminación de suelo y agua). Lo anterior, junto al agotamiento del petróleo, motiva la búsqueda de nuevas formas de energía como lo son las renovables no convencionales. El presente estudio trata sobre un tipo de energía renovable en particular: la energía geotérmica. El objetivo es desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de 16 recursos geotérmicos nacionales de alta entalpía (datos brindados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes) junto a la potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de evaluar cada yacimiento en 6 o 7 ciclos termodinámicos distintos dependiendo de cada caso. Para comenzar, se exponen conceptos básicos sobre geotermia y se contextualiza sobre la situación actual a nivel país. Luego se entrega una breve descripción de los 16 yacimientos geotérmicos considerados en este estudio continuando con la interiorización sobre distintos métodos para el aprovechamiento de la energía geotérmica, los que pueden ser por conversión directa, por expansión súbita de una etapa, expansión súbita de dos etapas, sistemas binarios o por medio de ciclos combinados. La utilización de cada uno de ellos depende netamente del tipo de recurso (alta o media entalpía). A continuación se describen los ciclos termodinámicos seleccionados que se utilizan para la evaluación de los distintos recursos. Estos son programados en EES, software especializado en ciclos termodinámicos que permite, a través de variables independientes, maximizar una variable dependiente. En este caso se maximiza la potencia neta y/o el trabajo específico neto dependiendo de los datos de cada yacimiento. Después se muestra la validación de los ciclos termodinámicos y de la torre de enfriamiento seguido por la metodología donde se explican los criterios utilizados en la evaluación termodinámica y en la económica. La siguiente sección da cuenta de los resultados obtenidos donde se detalla el comportamiento de los distintos ciclos programados para cada yacimiento y se muestra la evaluación económica para cada recurso. De esta última se desprende que hay cuatro proyectos atractivos económicamente para entregar energía a los sistemas interconectados: Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y Tolhuaca. Por otro lado Surire e Irruputuncu pueden ser atractivos para la industria minera. Por último se encuentra el mapa geográfico que indica la ubicación de cada yacimiento junto a la potencia y/o trabajo específico máximo obtenible.