El presente trabajo constituye una investigación respecto a las energías renovables en nuestro país, considerando su potencial y la problemática institucional que ha impedido cumplir con las metas establecidas en el Plan Energético Nacional 2014-2025 (cubrir el 5% del consumo energético nacional de electricidad con energías no convencionales). Los objetivos planteados en dicho Plan no han logrado consolidarse por la misma debilidad institucional que impide la viabilidad de las políticas públicas para incentivar el uso de energías renovables, así como la falta de un planteamiento estratégico adecuado. Ante estos desafíos, la presente investigación contribuye al análisis de las vulnerabilidades que nuestro país presenta frente al cambio climático y por su excesiva dependencia en energías contaminantes para la manutención de su matriz energética. Por lo mismo, a través de un estudio de las normas que regulan las energías renovables en nuestro país y un análisis comparativo con otras legislaciones, se busca plantear soluciones que permitan impulsar a las energías renovables no convencionales en nuestro país, no sólo para reducir nuestros niveles de contaminación, sino también para reducir las brechas de desigualdad en nuestro país que surgen a partir de dicha problemática.

El uso de energías renovables en cualquier lugar de nuestro país requiere tener información actualizada sobre las características y operación de las alternativas de equipos que se pueden instalar. También es muy importante el conocer si existe o no recurso disponible en el lugar donde se planea realizar la instalación Actualmente en nuestro país sólo existen datos confiables respecto del recurso solar, tal vez este hecho ha influido en que la energía solar sea la que más aceptación tenga en nuestro medio, sin embargo existe también energía del viento que puede y debe ser aprovechada. En este trabajo se realiza un estudio de las características de salida de energía que tendría un sistema híbrido (solar–eólico) en la localidad de Ilo. Se escoge este lugar debido a que se cuenta con datos precisos de viento (velocidad y dirección) proporcionados por la Municipalidad Provincial de Ilo, asimismo se tienen disponible los datos de radiación solar y con ello es posible realizar un estudio preciso sobre la salida de energía del sistema. Para lograr esto se desarrolla en los primeros capítulos la metodología que permite hacer el tratamiento estadístico de los datos con que se cuenta. Teniendo como base un ejemplo hipotético, pero bastante realista, de consumo de energía en una localidad rural se establecen la demanda de energía que se requiere para satisfacer necesidades básicas de luz y agua. Finalmente y estableciendo a partir de las alternativas que ofrece el mercado, la configuración del sistema solar–eólico, se puede conocer la energía que es capaz de suministrar el sistema y hacer la comparación con la alternativa de grupo electrógeno la cual es una de las más utilizadas en nuestro país para suministrar energía en situaciones de aislamiento.

La eliminación de los residuos urbanos y los tratamientos ineficientes que estos reciben, es la preocupación principal en la sociedad actual. La degradación ambiental y el cambio climático están afectando seriamente el desarrollo ambiental y amenazando todas las perspectivas de futuro de nuestros pueblos. El crecimiento tecnológico y el aumento acelerado de la población ha producido grandes presiones sobre el ecosistema terrestre, lo que ha llevado a buscar soluciones para evitar el agotamiento de los recursos, y a promover el desarrollo sostenible. En la región Lambayeque existen comunidades que se ven afectadas directa e indirectamente por la cercanía a la disposición de los efluentes urbanos, ya que éstos son tratados en lagunas anaeróbicas o eliminados al mar sin ningún tratamiento previo; lo que ha ocasionado la emisión de gases de efecto invernadero y están afectado la vida de las especies. Esto nos ha llevado a buscar soluciones sostenibles al tratamiento de los residuos y mejorar la calidad de vida de las comunidades. Por ello, en el presente trabajo de investigación se plantea tratar las aguas residuales usando reactores UASB que producen biogás y éste será utilizado en la generación de energía eléctrica, lo cual representa una opción viable para mejorar el entorno ambiental, social y las condiciones de salud de las poblaciones cercanas a las zonas de tratamiento, como las lagunas de oxidación de la empresa Epsel cercanas al distrito de San José.

El indicador Overall Equipment Effectiveness (OEE), permitió aumentar la productividad del proceso productivo de cajas porta-medidores de energía monofásicas de la Industria Metálica CERINSA E.I.R.L. en un 27,27%; es decir, este porcentaje indica que ahora se producirán 14 cajas porta-medidores de energía monofásicas en 1 hora, obteniendo la misma cantidad de producción pero reduciendo recursos utilizados (planchas de acero inoxidable y energía empleada), y en 3 días menos de producción. También los indicadores de productividad aumentarían y la eficiencia física aumentará en un 0,46%. Así mismo, el OEE de las máquinas industriales de mayor importancia dentro del proceso productivo aumentará en un 10% por mejora global del OEE (al reducir los tiempos de paros no planificados). Por ello el OEE actual de 82,06% aumentará al 87,74%, es decir existirá un incremento de 5,68%, logrando así que el OEE del proceso productivo de las máquinas industriales llegue a los valores del “World Class”. Para ello, la Industria Metálica CERINSA E.I.R.L. tendrá que invertir un total de S/.4 900,00 nuevos soles, para así obtener un ahorro económico de S/.6 018,61 nuevos soles por cada lote de producción de 2 000 cajas porta-medidores de energía monofásicas. Este ahorro económico, reflejará una utilidad neta de S/.11 623,48 nuevos soles, el cual presentará un incremento del 105,72% en comparación a la utilidad neta actual de S/.5 650,00 nuevos soles. Finalmente, la inversión se recuperará en 16 días y el flujo de caja futuro acumulado tendrá un mayor beneficio económico que el actual, reflejándose en un saldo mayor en el futuro.

En este trabajo se ha desarrollado la implementación de una planta de concentración solar de receptor central (CRS por sus siglas en inglés Central Receiver System), conocida también como campo de helióstatos o central solar de torre, ubicada en el norte grande de nuestro país, región de Antofagasta, ciudad de Calama. La ventaja y atractivo de esta tecnología, en contraste con la experimentada de colectores cilindro parabólicos, en adelante CCP, es la mayor eficiencia que se puede obtener en el ciclo térmico de potencia, gracias a su tecnología de seguimiento en dos ejes que concentra en mayor grado la radiación solar. De esta manera, resulta posible trabajar con vapor saturado de alta temperatura, lo que se traduce en una mayor eficiencia resultante del ciclo de potencia de la central. La primera parte del trabajo se centra en explicar la modelación de la tecnología de concentración solar. En particular, se presentan los siguientes contrastes con la tecnología CCP: forma plana del reflector frente a una parabólica; sistema de seguimiento en dos ejes y no en eje único; disposición de los espejos dentro del terreno; receptor central versus al receptor distribuido de los reflectores parabólicos; distinto fluido térmico de trabajo, explicado por las distintas temperaturas de operación alcanzadas; entre otras. Posteriormente, se analiza el impacto positivo en el desempeño de la planta al incluir un sistema de almacenamiento térmico, para lo cual se procede a programar y exponer en el software Matlab® un grupo de funciones que representan la dinámica de la planta con y sin este sistema. La metodología que permite mostrar la salida eléctrica en función de la disponibilidad solar, es el balance de energía en las componentes principales de la central: campo de helióstatos, receptor, tanque de almacenamiento y generador de vapor. Un punto al cual se le prestó especial énfasis, fue la descripción del mercado eléctrico de nuestro país y los incentivos concretos, traducidos en normas, que apuntan a introducir las ERNC (energías renovables no convencionales) a la matriz energética de nuestro territorio. En particular, el mecanismo de cuotas ERNC, que exige que un porcentaje de la energía despachada por las centrales convencionales provenga de fuentes renovables, se traduce en una fuente adicional de ingresos para la central solar. Finalmente, se ha hecho confluir el aporte del sistema de almacenamiento a las posibles estrategias de despacho de la central, de modo de maximizar los ingresos por venta de energía y por suministro de potencia firme, o de suficiencia, en las horas de demanda punta. El análisis global demostró que el sistema de almacenamiento no sólo permite mejorar la eficiencia de operación de la central, por medio del despacho constante a capacidad nominal, incluso ante la presencia de un frente transitorio de nubes, sino, y de acuerdo a la revisión de los distintos indicadores financieros, que su presencia permite maximizar los ingresos obtenidos, disminuir el periodo de recuperación del capital, aumentar el VAN del proyecto y aún más destacable: hacer rentable el proyecto no convencional.

Ingeniero Civil Mecánico / En la actualidad las energías de fuentes renovables son vistas por muchos como el futuro energético para nuestro país y el mundo. El viento es una de las fuentes más interesantes, pudiendo convertir su energía cinética en energía eléctrica mediante aerogeneradores. Entre los aerogeneradores está la turbina de eje vertical tipo Darrieus, de las cuales no se cuenta con mucha información tridimensionales acerca de la interacción entre sus álabes y el viento, que permitan determinar la magnitud y distribución de las cargas sobre el alabe y el torque aerodinámico que estos tienen cuando la turbina está girando bajo condiciones dadas. Estos parámetros son de vital importancia a la hora del diseño y construcción de una turbina tipo Darrieus, ya que ayudaran a conocer puntos de sujeción de alabes y los tipos de materiales que se deben utilizar para resistir la influencia del viento. El trabajo presentado a continuación tiene por objetivo determinar y cuantificar las cargas y momentos aerodinámico en los álabes simétricos de una turbina eólica tipo Darrieus, esto para posterior uso en la definición de criterios de diseño estructural mediante análisis teóricos y simulaciones computacionales bajo condiciones de operación dadas. Para conseguir el objetivo descrito, se estudia y analiza el funcionamiento de las turbinas Darrieus desde el punto de vista aerodinámico. Luego se lleva a cabo un análisis teórico de las fuerzas sobre el álabe girando, utilizando las ecuaciones gobernantes de un cuerpo sumergido en un fluido, en este caso aire en movimiento en interacción con un álabe. Luego se realizan simulaciones con el programa ANSYS CFX 14.5.0. Con el fin de reducir el uso de recursos computacionales, se simula el perfil alar variando su ángulo de ataque cada 5° en condiciones estacionarias y con velocidades incidentes iguales a las velocidades relativas que se forman como resultante del giro de la turbina y del viento propiamente tal. Finalmente se realiza una comparación entre los datos teóricos y los experimentales. Algunos alcances de las simulaciones son que no se consideraron interferencias entre los álabes, lo cual pudiera afectar al resultado y que el fluido incidente no posee perturbaciones, teniendo un perfil de velocidad uniforme y laminar. Los resultados de las simulaciones en este estudio se condicen mayoritariamente con los resultados teóricos. Se pueden observar como resultados que la distribución de las cargas es de forma parabólica, estando las máximas presiones en el centro del álabe y disminuyendo hacia los extremos de manera simétrica. Por otra parte, los máximos torques aerodinámicos se producen cuando la sustentación del perfil es máximo y viceversa.

Ingeniero Civil Mecánico / En el norte de Chile el problema de agua toma cada vez más importancia siendo la desalinización una posible solución. Sin embargo, el gasto de energía en combustibles fósiles para producir agua por desalinización sólo puede ser costeado por algunas localidades del mundo. A menudo ocurre que áreas geográficas donde se necesita agua tienen alta radiación solar como es el caso del norte de Chile, país con mayor radiación del mundo según la Universidad de Chile. La idea, entonces, es estudiar la factibilidad técnica-económica de desalinizar agua a pequeña o mediana escala, con energía solar térmica, en localidades costeras del norte de Chile. De la gama de métodos térmicos para desalinizar, el que presenta mejores ventajas comparativas es el método multiefectos (MED). Luego, tomando las distintas configuraciones del proceso MED, se tiene que para energía solar térmica, la mejor opción es el método multiefectos por apilamiento (MES en sus siglas en inglés), que corresponde al mismo principio MED pero las etapas se encuentran una sobre la otra, tal como los pisos de un edificio. De las localidades costeras del Norte de Chile se seleccionaron: Mejillones, Caldera y Chañaral, cuyos recursos solares son similares siendo Mejillones el más alto y Caldera el menor. Se creó un modelo del método de desalinización MES y se implementó un código Matlab, el cual requiere una serie de parámetros de entrada tales como: número de etapas, temperatura del primer y último efecto, flujo del fluido caliente que provee el input de calor a la planta, el flujo de agua que alimenta el sistema, su salinidad y su temperatura. Con ello, se puede modelar la planta completa. El modelo se ha ajustado y validado con datos reales de una planta piloto de igual tecnología en la Plataforma Solar de Almería. También se ha visto su sensibilidad al cambiar parámetros como la temperatura del primer efecto y la diferencia de temperatura del agua de enfriamiento en el condensador. En la inversión se estima un costo de US$ 7.265.452 para Planta Mejillones, lo que corresponde a 7.137 US$/m3 de producto. Planta Chañaral tiene un costo de US$ 9.999.120, correspondiente a 6.752 US$/m3. Finalmente, Planta Caldera tiene un valor de US$ 11.535.721, equivalente a 6.826 US$/m3. Costos de Operación y mantenimiento se estiman en US$ 424.6855 para Mejillones, US$ 720.780 para Caldera y US$ 689.1389 para Chañaral. Haciendo un flujo de caja con un horizonte de 20 años, una tasa de descuento del 10% y con los precios de venta de agua actuales, se obtiene un VAN de MUS$ 2.426 para Mejillones, MUS$ 2.148 para Caldera y MUS$ 3.360 para Chañaral. Con ello se concluye que según las estimaciones realizadas, la desalinización por medio de energía solar térmica es económicamente factible y competitiva. Al considerar la planta de Caldera como si fuera convencional a petróleo, se tiene que con los precios actuales de venta de agua, la planta no es económicamente factible hasta que se llega a un precio de venta de 9,63 $US/m3, muy superior a los 4,23 $US/m3 de venta actual en Caldera.

Memoria para optar al título de Diseñador Industrial / Sistema experimental y exhibidor desarrollado para facilitar la investigación de celdas solares biosintetizadas, configuradas en modelo por capas con vidrio FTO. Dicho sistema, representa las siguientes ventajas para el trabajo del investigador: 1)Actúa como complemento en instancias complejas y propensas a error del proceso de investigación. Siendo sus resultados más verídicos, ya que se utiliza un modelo experimental estandarizado. Y por otra parte, una menor cantidad de errores derivados a las herramientas experimentales y al operador. 2)Comunicación de los alcances principales de la investigación, a través de un medio que permite la interacción de los científicos con un público fuera del área académica, apoyados en el acto empírico que sustenta los alcances alcanzados .Complementando la teoría con la demostración in situ. La implementación del sistema experimental en la investigación, significa para el proceso a) Estandarización de las muestras y disminución de errores en su preparación, gracias a la preparación de los elementos para la experimentación, a través de plantillas de demarcación y de ensamblaje. b) Aplicación del electrolito de manera más eficiente (capa homogénea) y como un proceso más cómodo para el científico. c) Estandarización y simplificación del contexto experimental (fuente de luz y circuito eléctrico d) Mejora de los parámetros fotovoltaicos de las celdas e) Extensión de la vida útil de las células solares, de 43 minutos en promedio a 7 días. Lo que representa una gran ventaja en la investigación, ya que le otorga más confiabilidad a los resultados (puesto que descarta bajas significativas en las propiedades eléctricas de la celda v/s tiempo transcurrido). Además permite la repetición de las evaluaciones con la misma muestra. f) Disminución del tiempo promedio total de experimentación (desde la preparación de los elementos hasta la evaluación de todas las muestras.) De 8,5 horas a 3,3 horas (en un 61%). Es importante aclarar, que este tiempo promedio considera repeticiones por errores del investigador y de las evaluaciones en sí. g) Mejor aprovechamiento de los recursos, ya que se requieren menos repeticiones en la construcción de las celdas, se cuida la integridad de los vidrios FTO (extendiendo su vida útil). Además, se requiere de una menor cantidad de electrolito por celda. / 01-01-2021

Ingeniero Civil Eléctrico / En el marco del proyecto OSIRIS (Optimal strategy to innovate and reduce energy consumption in urban rail systems) se desarrolló una herramienta computacional que permite, entre otras cosas, calcular una curva de velocidad óptima para la operación de un tren la cual minimice la energía de tracción, la potencia máxima, el trabajo total o cualquier otro objetivo operacional que sea factible de expresar mediante un modelo matemático, cumpliendo las restricciones operacionales tales como los tiempos de viajes y las velocidades máximas interestación. El cálculo de dicha curva fue realizado de tres maneras distintas. El primer algoritmo fue programado en MATLAB e implementado en el software del proyecto OSIRIS. Este modelo heurístico propone una estrategia de conducción mediante cuatro fases: Tracción, mantención de velocidad, marcha inercial y frenado. El segundo modelo fue escrito en C++, para verificar ciertas simplificaciones del primer algoritmo. En las que se probó, dada cierta cantidad de metros, las decisiones que un conductor debe tomar. Por otro lado, el tercer modelo matemático está basado en la teoría del control óptimo. Para esto fue necesario usar el software de código abierto BOCOP para resolver las ecuaciones diferenciales del problema. En este modelo, las variables de control son el porcentaje del esfuerzo máximo de tracción y de frenado del tren. Los modelos fueron comparados mediante dos casos: Uno y dos límites de velocidad interestación. De las simulaciones se pudieron apreciar los tiempos de computo, la precisión y la aplicabilidad práctica. Para validar el primer modelo heurístico, se estudió la operación de un día del Metro de Valparaíso con la curva óptima y un perfil que minimiza los tiempos de viaje (curva rápida). De este modo se pudo analizar el potencial de ahorro energético de dicho sistema ferroviario comparando su operación con ambos perfiles, el cual se estimó un 25\% de reducción en la energía consumida en tracción. Finalmente se analizó la operación del sistema desde el punto de vista eléctrico, calculando la potencia instantánea requerida en tracción de las subestaciones de rectificación y el perfil de tensiones mínimas en la vía. Se pudo concluir que la curva óptima aliviana las exigencias de la infraestructura eléctrica del sistema. Actualmente modelo heurístico está incorporado a la herramienta OSIRIS, funcionando correctamente y validado por los integrantes del proyecto. Nuevas versiones y mejoras se harán a partir de las experiencias y retroalimentaciones de los usuarios del programa.

Ingeniero Civil en Biotecnología / El trabajo de memoria de título consiste en la evaluación técnica y económica de una planta de producción de biogás producido para autoabastecimiento energético mediante cogeneración. El objetivo principal de este trabajo es evaluar un proyecto de biogás para abastecimiento energético en un contexto determinado. Siendo los objetivos específicos el estudiar el mercado chileno de generadores de residuos orgánicos y su potencial energético, identificar los contextos con potencial de producción de biogás, definir un contexto para la posterior evaluación del proyecto, decidir las especificaciones del producto a comercializar, desarrollar la ingeniería conceptual de la planta de producción de biogás, evaluar el proyecto y recomendar cambios para adaptar el proyecto a otros contextos. Los contextos con potencial de producción de biogás se identifican principalmente como los agroindustriales, en donde existe disponibilidad de residuos. El caso base estudiado considera un flujo de estiércoles de cerdo de 14 toneladas por hora, lo que se traduce en una generación eléctrica de aproximadamente 1 [MW] y una generación térmica de 1,1 [MW]. Los resultados de la evaluación técnica y económica indican que el proyecto es factible en el caso base estudiado. Sin embargo, el análisis de sensibilidad que se lleva a cabo al proyecto de biogás indica que existen distintos factores de operación que afectan la rentabilidad, como lo es la logística de transporte. El análisis preliminar del marco legal chileno indica que el tema de biocombustibles no está bien regulado. Además, el análisis realizado de las formas de financiamiento muestra que actualmente los fondos dispuestos son para proyectos de pre-inversión, más que para proyectos de inversión dura. Además, en este estudio se realizan sugerencias para poder adaptar el proyecto a otros contextos las que tienen relación principalmente con la codigestión, la información de las características principales de la materia prima, la logística de transporte, los flujos de materia prima disponible, la venta de energía, el costo asociado a los equipos y los ingresos posibles por tratamiento de residuos o los costos por la compra de estos Finalmente, la evaluación técnica y económica de una planta de biogás para autoabastecimiento energético realizada, permite conocer preliminarmente la rentabilidad de este tipo de proyectos. La crisis energética mundial ha sido una oportunidad que permite la evaluación de éste y otros tipos de proyectos relacionados en el sector privado, lo que impulsa una cultura hacia el manejo sustentable de la energía en el país.