En el siglo XX la política del agua en España se han caracterizado por el aumento de la oferta hídrica y por la construcción de nuevas infraestructuras tanto de regulación (presas) como de distribución (redes de tuberías). Sin embargo, en el siglo XXI, el paulatino aumento de la demanda ha originado que satisfacer estas necesidades sea cada vez más y más difícil. El agua es un recurso abundante pero no inagotable. Debido al cambio climático, las sequías son más frecuentes y la utilización del recurso exige mayores niveles de eficiencia. Todo esto ha motivado que, en la actualidad, las políticas del agua se centren en la minimización de los consumos y en la renovación de las infraestructuras existentes. Numerosos estudios han abordado el problema de la renovación de las tuberías de una red de distribución urbana. Éstos se centran en la utilización de nuevos materiales, la determinación precisa del orden de sustitución de las tuberías, la obtención del periodo óptimo de renovación y la minimización de los costes. Esta tesis comienza con una revisión bibliográfica de las necesidades de inversión económica en la renovación de las tuberías, facilita las principales características de los materiales más comúnmente empleados en las redes de distribución y muestra las principales ventajas e inconvenientes, así como el coste, de las nuevas técnicas de rehabilitación y renovación sin zanja. Asimismo, también presenta los últimos trabajos en la obtención de sistemas soporte a la decisión para elegir el orden de renovación de las tuberías. A continuación, se analiza la influencia de los costes del agua y de la energía en la obtención del periodo óptimo de renovación. Para ello, se propone una revisión de la metodología tradicional que incluye por primera vez, además de los costes anteriores, los sociales originados por la ejecución de una renovación y los posibles ahorros que se pueden obtener si la obra se realiza entre varias empresas. / Pardo Picazo, MÁ. (2010). Influencia de los costes del Agua y la Energía en la renovación de tuberías [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8426

El número de aerogeneradores instalados en los sistemas eléctricos de muchas zonas del mundo ha credido de manera importante en los últimos años. Esto ha supuesto sustituir generadores convencionales por otros que, por el tipo de energía primaria, tienen una capacidad limitada para variar su potencia activa generada. Además, una gran parte de ellos son de velocidad variable y no suman su inercia a la del sistema eléctrico. Ambas circunstancias tienen un claro efecto negativo sobre las variaciones de frecuencia que se producen tras una pérdida de generación o de carga. Los operadores de varios sistemas eléctricos han tendio que elaborar procedimientos de operación que obligan a los aerogeneradores a variar la potencia activa generada en función de la frecuencia del sistema. En la mayoria de casos, la exigencia se ha limigado a la obligación de reducir la potencia en caso de sobrefrecuencia. Sin embargo, en la literatura se han propuesto otras alternativas que aprovechan la flexibilidad y rápidez de respuesta de los aerogeneradores de velocidad variable para regular la potencia generada y conseguir una mayor reducción en la magnitud y velocidad de las variaciones de frecuencia. Es esta tesis doctoral se ha realizado un completo estudio sobre la contribución de los aerogeneradores de velocidad variable al control de frecuencia. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo detallado de aerogenerador con generador asíncrono doblemente alimentado que es específico para estudios de frecuencia-potencia y que ha sido utilizado como modelo agregado de la generación eólica presente en el sistema eléctrico. Además, también se han incluido en el sistema eléctrico: i) tres tipos de generación convencional según la clase de turbina que la acciona: de vapor, hidráulica y de gas en ciclo combinado; ii) un sistemas automático de deslastre de cargas; iii) un sistema automático de desconexión de generadores no gestionables. Con el modelo completo, se han simulado diferentes escenario / Aparicio Marín, N. (2011). Nuevas estrategias para la contribución de los parques eólicos al control de frecuencia de los sistemas eléctricos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/11240

En este trabajo se realizó el diseño e implementación de un sistema de conversión de energía, basado en un inversor monofásico para una aplicación dentro del contexto de microrredes. Dichos sistemas presentan actualmente un alto impacto dentro de las nuevas estrategias de generación de energía eléctrica cuya base se centra en los sistemas de generación distribuida (DG). Donde básicamente se considera un conjunto de unidades de generación y de cargas como un ente autónomo capaz de funcionar en modo isla o conectado a una red de distribución. Con esta nueva estrategia de generación y distribución de energía eléctrica a partir de fuentes renovables, se crea la necesidad de implementar interfaces que permitan su conexión a la red eléctrica, así como alimentar cargas directamente en ausencia de la misma. A tales interfaces, se les conoce con el nombre de microrredes y los sistemas de conversión de energía juegan un papel muy importante. Bajo este contexto se realizó un estudio, análisis, diseño e implementación por medio de simulaciones y pruebas experimentales de distintas técnicas de control basadas en: controlador proporcional, integral (PI), controlador proporcional más controlador resonante (P+CRes), controlador proporcional Integral más controlador resonante (PI+CRes), controlador proporcional integral más controlador repetitivo (PI+CR). Particularmente, la técnica de control P+CRes se empleó en el lazo de corriente y el resto de las técnicas se emplearon en el lazo de tensión. Destacando la aplicación de dos configuraciones de control novedosas basadas en un esquema de control de dos grados de libertad (Two Degree of Freedom) más controlador repetitivo (Repetitive Control) (2DOF+CR), así como en un esquema PI-P más controlador resonante (PI-P+CRes) que en operación en modo isla del inversor permitieron mantener las características de la señal de tensión que habrá de suministrarse a la carga en forma eficaz. Es decir, con estas configuraciones de control se mantuvo / Ortega González, R. (2012). Aplicación de Técnicas de Control para Reducción del THDv en Inversores Monofásicos de Generación de Energía que Operan en Modo Isla en el Contexto de Microrredes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17740

La masiva implementación de recursos energéticos distribuidos y renovables es la tendencia actual para incrementar la eficiencia, sostenibilidad y fiabilidad del suministro energético y la independencia de fuentes externas. La biomasa es un recurso renovable, distribuido y abundante en España, aunque en la actualidad su uso con fines energéticos es muy limitado y poco competitivo frente a otras fuentes de energía renovable. La implementación masiva de aplicaciones de biomasa para generación de calor, electricidad y/o cogeneración requiere optimizar técnica, económica y ambientalmente su proceso de aprovechamiento. El objetivo principal de la tesis es definir una metodología de optimización del aprovechamiento energético de la biomasa en un ámbito geográfico determinado y aplicarla a la Comunidad Valenciana. Para ello, en primer lugar, se ha revisado el estado del arte de la biomasa como recurso energético y de metodologías anteriores que resolvían aspectos parciales del estudio de viabilidad de aprovechamiento energético de la biomasa. En segundo lugar se ha desarrollado una metodología, estructurada en distintos módulos, que evalúa los recursos de biomasa, cuantifica y optimiza las distancias y costes de transporte, los potenciales consumidores y caracteriza las tecnologías de aprovechamiento. Todos los módulos confluyen en un módulo de optimización y evaluación de escenarios que permite comparar distintas alternativas energéticas desde un punto de vista económico y ambiental. La metodología se ha aplicado a la Comunidad Valenciana y se ha estudiado la viabilidad de distintas aplicaciones bioenergéticas para cada comarca de la misma. El potencial energético de la biomasa residual, principalmente, agrícola y forestal asciende a casi un millón de toneladas y equivale a 260.000 toneladas equivalentes de petróleo. En la mayoría de los casos el contenido en ceniza es bajo y permite tanto aplicaciones de generación de electricidad ó cogeneración, como producción de pellets para calderas. En función de la tecnología, la potencia eléctrica instalable sería entre 85 y 145 MW, lo que equivale al 1 - 1,5% de la potencia eléctrica total instalada en la Comunidad Valenciana, y es 15 veces más que la potencia con biomasa que había instalada en 2011 (8,9 MW según datos de AVEN, Agencia Valenciana de la Energía}. La viabilidad económica de las planta de biomasa fue aceptable en la mayoría de los casos, con periodos de retorno del capital inferiores a los 10 años, especialmente en plantas de cogeneración y plantas de producción de pellets. Dicha viabilidad económica es debida, en gran medida, a la estructura logística con transporte subcontratado y previa compactación (que se mostró como la mejor alternativa en cualquier caso}, y al hecho de que las plantas tenían un tamaño razonable con cantidades de biomasa gestionada en el rango 10.000 - 80.000 t/año. El balance de emisiones de C02 fue favorable en todos los casos siendo, de nuevo, la producción de pellets y la cogeneración las aplicaciones con mejor balance, ya que el ahorro de emisiones fue entre 3 y 5 veces mayor que el correspondiente a plantas de generación de electricidad. La estructura logística óptima a nivel económico fue también la que proporcionó menores emisiones asociadas al transporte. / Alfonso Solar, D. (2013). Metodología para la Optimización del Aprovechamiento Energético de los Recursos de Biomasa. Aplicación a la Comunidad Valenciana [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31636

En el presente trabajo se elaboró un sistema de cosecha de energía, utilizando un generador eléctrico como el elemento que convierte el esfuerzo biomecánico en energía eléctrica y una batería litio – ión como dispositivo de acopio energético. El prototipo diseñado, se basa en modelos aplicados en sistemas de cosecha que utilizan fuentes variadas de energía, descritas en la literatura. [10] El sistema se divide en cuatro bloques funcionales: Generador, Rectificador, Conversor elevador y batería. Solo los bloques rectificador y conversor son descritos y diseñados de manera independiente, para reunirse con los otros bloques y dar como resultado el prototipo propuesto. El trabajo se llevó a cabo mediante dos versiones físicas del sistema (A y B). Ambas implementadas usando elementos discretos. La versión A del sistema permite la verificación de la teoría revisada y observar los parámetros adecuados para la versión B, sistema diseñado considerando la portabilidad y efectividad del equipo final a presentar, eso incluye considerar elementos de bajo consumo. El circuito impreso requerido, se diseña utilizando el software Cadsoft Eagle en su versión 6.3. Se usa un mecanismo comercial de una linterna de manivela para llevar esfuerzo humano hacia el generador. Entre los resultados obtenidos que cabe resaltar, se tiene un circuito físico que reúne los convertidores cuyas dimensiones son de 2.6 por 2.1 cm de área y el generador acoplado al mecanismo comercial puede inyectar valores de corriente alrededor de 200mA en la batería. Se muestra experiencias de recarga de la misma usando el sistema propuesto.

Chilectra es la principal empresa distribuidora de energía eléctrica de Chile. Provee electricidad a 33 comunas de la Región Metropolitana superando el 1,5 millones de clientes, siendo la más grande en términos de venta de energía eléctrica. Al 31 de Diciembre del 2007 registra un 5,9% en el indicador de pérdidas de energía, lo que implica un incremento de 0,5 puntos porcentuales respecto al 2006. Sin perjuicio de lo anterior, el nivel de pérdidas de la compañía continúa siendo uno de los más bajos a nivel latinoamericano. Estas pérdidas se clasifican en las pérdidas técnicas y las no técnicas. Las pérdidas técnicas, son mermas propias del negocio y no serán tratadas en este trabajo, ya que están relacionadas con las tecnologías usadas en las redes de alta tensión para el transporte de la energía, desde las generadoras hasta las empresas distribuidoras. Las pérdidas no técnicas se refieren al mal uso del servicio, así como también a errores administrativos propios del negocio, las cuales corresponden al 1,9% del total de la compra de energía a las generadoras, que suma alrededor de $15.200 millones al año. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar e implementar un plan sistemático que permita identificar con el mayor detalle posible a los clientes hurtadores con el fin de disminuir las pérdidas no técnicas de energía asociadas a un Transformador de Distribución, en adelante TD, a un 1% en el largo plazo, ocupando a este último como ente gestionador de dichas pérdidas. Se trabajó con la metodología de mejora de procesos “Seis Sigma” porque ofrece la posibilidad de generar una mejora continua en los procesos y por su enfoque en la satisfacción de los clientes, todo lo cual se encuentra alineado con los objetivos de Chilectra. Como resultados destacamos la obtención de estimaciones específicas en la cantidad de energía eléctrica perdida sectorizada por la posición geográfica de cada TD, logrando así un mayor nivel de gestión de dichas pérdidas, diseño de redes eléctricas más eficientes, mayor control sobre el grupo de clientes asociados al TD, entre otros. Como consecuencia se obtuvo una fidelización de los clientes de Chilectra. Finalmente, se tiene que el proyecto permitió detectar las pérdidas no técnicas de energía para la muestra del 0,02% de TD´s, demostrando que es posible reducir considerablemente las pérdidas de energía dentro del largo plazo, ya que en el estudio se detectaron pérdidas por $736.599.000, con un costo de $352.299.500 para el período Noviembre 2008 – Febrero 2009. Se recomienda continuar gestionando y controlando los procesos de la Compañía, abarcando nuevas áreas no cubiertas en este proyecto con la metodología Seis Sigma, de manera de fortalecer la orientación al cliente y la mejora continua de procesos críticos de negocio, buscando elevar la satisfacción de los clientes. Además, dada la complejidad del proceso de Reducción de Pérdidas la metodología entregará herramientas y técnicas necesarias para medir, analizar e implementar mejoras en el proceso, como por ejemplo, el diseño de un Data Mart y aplicación de un Datamining en la detección de pérdidas de energía.

Ingeniero Civil Elctricista / Esta memoria está enfocada en el estudio de conexión de una central eólica al sistema de distribución y la compensación de los reactivos necesaria para que no se produzcan impactos negativos en la operación de una red de distribución. Las restricciones técnicas presentes en las redes de distribución limitan los puntos de conexión para medios de generación distribuido, por eso la necesidad del desarrollo de estudios avanzados del cumplimiento de las normas vigentes al momento de conectarse a una red eléctrica de distribución. En este trabajo se estructura los pasos a seguir para los análisis de las diferentes variables a considerar al momento de conectar un Pequeño Medio de Generación (PMG) a una red de distribución, en este caso específico un parque eólico con compensación de reactivos. Para esto, el trabajo se divide en 3 etapas; primeramente se realiza la investigación de las diferentes tecnologías disponibles para un parque eólico junto con la planificación futura esperada en Chile para este tipo de Energía Renovable No Convencional (ERNC). En la segunda etapa se efectúan los estudios estáticos del alimentador, el cual se proyecta sin el parque eólico por un periodo de 15 años utilizando la tasa de crecimiento enviada por la distribuidora; con esto se busca establecer si existe la necesidad de realizar mejoras o ampliaciones en éste. Por último se realizan los estudios de impacto en el año de conexión del parque y su influencia sobre la red de distribución, para ver las implicancias de la conexión e inyección de potencia y energía, bajo diversos escenarios de estudios que considera casos extremos del alimentador. Se analizó el impacto en los niveles de tensión, en la carga de la línea, los reactivos, factor de potencia y reemplazo de equipos. En conclusión, el análisis permitió corroborar que sí existen impactos en la red de carácter negativo, y por medio de la instalación de un banco de condensadores de 100 kVAr, en el mismo punto de conexión, se logra mantener el factor de potencia en el rango establecido en la NTSyCS. Se proponen como estudios futuros los análisis de Coordinación de protecciones, Estudios de cortocircuito y Estabilidad transitoria.

Ingeniero Civil Electricista / Reducir costos asociados a un proceso es un tema transversal en la industria. Si bien las razones pueden ser de tipo económica o ambiental, la preocupación por esta materia ha transformado este tema en una directriz a nivel industrial, y gubernamental. En este contexto el concepto de eficiencia energética no es ajeno para nadie y el conocimiento de alternativas para lograr que un proceso sea eficiente energéticamente es cada vez más abundante. Un enfoque global de eficiencia energética involucra, además de los parámetros de análisis de costos, inversiones y utilidades, una mirada exhaustiva al proceso involucrado, a su entorno, a su puesta en marcha, desarrollo y término, pasando por la gestión de compra, transporte, mantención, etc. Es en este último concepto que este trabajo tiene sus fundamentos. Partiendo de la base de que en una planta industrial alrededor del 70% del consumo de energía está asociada a motores, de los cuales el 90% corresponde a un tipo específico de ellos que son los motores de inducción. Se aborda el tema de la mantención de estos equipos desde el punto de vista predictivo y se explica y fundamenta por qué el mantenimiento predictivo es ventajoso con respecto al mantenimiento correctivo. Con estos lineamientos se expone una metodología que utiliza el análisis de respuesta en frecuencia de un registro de corriente de estator de los motores para determinar fallas incipientes o ya avanzadas. Esta metodología es conocida por utilizar la transformada de Fourier para obtener el espectro de frecuencias de la señal de corriente. Paralelamente, se expone una metodología que, también a través del análisis del espectro de frecuencias, esta vez de la envolvente de la señal, mediante la utilización de la transformada de Hilbert, permite una identificación más fácil de las eventuales fallas. Para mostrar ambas metodologías se tomaron muestras mediante un equipo registrador de señales en la planta papelera de la empresa CMPC, Papeles Cordillera S.A. ubicada en Puente Alto, Chile. Luego de seleccionar adecuadamente las muestras y tabular los resultados, se obtiene el espectro de frecuencias de las señales de corriente mediante las metodologías mostradas y se analizan los resultados. Se concluye que la metodología de predicción y monitoreo de falla mediante el análisis del espectro de frecuencias de una señal de corriente es efectiva, y que el esquema de aplicación de la transformada de Hilbert proporciona una herramienta que facilita el trabajo haciéndolo simple y preciso.

Ingeniero Civil Electricista / El presente trabajo pretende dimensionar el efecto de la intermitencia de la generación eólica en el SING sobre los requerimientos de regulación de frecuencia en el año 2020. Para ello se proponen dos objetivos. El primero es cuantificar la modificación de las reservas energéticas primaria y secundaria, producto de la inyección de los aerogeneradores. El segundo corresponde a evaluar la respuesta del control primario de frecuencia ante variaciones intempestivas de viento. Debido a la incertidumbre sobre la composición renovable de la matriz energética al año 2020, se desarrolló e implementó una metodología en base a la información disponible en el Servicio de Evaluación de Impacto Ambiental, para la generación de escenarios plausibles. Esto permitió incorporar una sensibilidad respecto de la potencia instalada total, expresada en el desarrollo de tres escenarios: integración baja, media y alta. Al 2020, las estimaciones de potencia eólica son las siguientes: 567[MW] (caso bajo); 983[MW] (caso medio); y 1.344[MW] (caso alto). A partir de estos valores, y para cada escenario de integración, el estudio realiza una caracterización de la evolución temporal y espacial del viento al interior de los parques eólicos. La evaluación de los escenarios generados permite concluir, con un 97% de certeza, que los requerimientos de reserva primaria se mantienen constantes respecto de sus valores actuales (70[MW]). Sin embargo, la reserva secundaria asciende a 135[MW] para el caso de integración bajo; 158[MW] para el caso medio; y 189[MW] para el caso alto (actualmente su valor es de 60[MW]). Por otra parte, la respuesta del control primario de frecuencia ante grandes variaciones de viento es favorable. La excursión de frecuencia eléctrica se mantiene en rangos aceptables en torno al valor nominal en todas las simulaciones realizadas. Se concluye que la regulación de frecuencia primaria no se deteriora respecto de la situación actual. Sin embargo, se proyecta un crecimiento de los requerimientos de reserva secundaria. Por ello, se recomienda buscar alternativas de almacenamiento energético para apoyar la operación del control secundario de frecuencia.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente / Ingeniero Civil / Se proyecta que impulsado por la denominada ley 20/25 aprobada por el Senado en 2013, al año 2025 el parque generador de energías renovables no convencionales genere un 20% de la energía comercializada en el Sistema Interconectado Central (SIC). Si bien la introducción de este tipo de tecnologías implica contar con energía más limpia desde el punto de vista medioambiental, también involucra desafíos operacionales sobre el sistema eléctrico. Particularmente, la energía eólica tiene una alta variabilidad a nivel intradiario, lo cual implica que el sistema constantemente tiene que compensar las altas fluctuaciones de entrega de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía son una alternativa para mitigar el efecto de estas fluctuaciones. El objetivo general de este trabajo es modificar el modelo hidrotérmico de predespacho MIP-UC del Centro de Energía de la FCFM de la universidad de Chile, para poder estudiar los efectos del uso de sistemas de almacenamiento en el sistema interconectado central. Uno de los objetivos específicos más importantes de esta tesis, es contribuir a la identificación de los puntos del SIC donde sería atractiva la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía. Usando el modelo MIP-UC modificado, se cuantifican los beneficios de la operación de sistemas de almacenamiento en el SIC en un año se simulación, se realizaron 3 etapas de selección en las que se va acotando la lista los puntos del SIC atractivos. Se establecen 4 puntos del SIC de mayor interés para la instalación de sistemas de almacenamiento: las barras Maitencillo 110, barra Degañ 110 y Ovalle 66 además de un sistema acoplado al parque éolico Sarco II. Posteriormente, se modeló un caso de estudio con 100 [MWh] de almacenamiento en cada uno de esos 4 puntos. Si bien los costos totales del sistema no disminuyeron con el uso de SAE s para el rango de capacidad estudiado, sí se produjo un beneficio en cuanto a la reducción en la operación de centrales térmicas y disminuciones considerables en los costos marginales de las barras con sistemas de almacenamiento, disminuciones del orden del 4%, 8% y 30% respectivamente para las barras estudiadas. Esa reducción en los costos marginales se traduce en una disminución del monto que se cancela por suministro de energía del orden de entre [5,1 MM USD] hasta 94,4 [MM USD] al año dependiendo del tipo de hidrología. Desde el punto de vista de los operadores de los sistemas de almacenamiento modelados, se logran beneficios anuales del orden de 1,3 [MM USD] en Maitencillo 110, 0,7 [MM USD] en Degañ y 1,8 [MM USD] en Ovalle 66, sin grandes fluctuaciones al sensibilizar los resultados con hidrologías y eficiencias de almacenamiento distintas. Con los niveles de almacenamiento estudiados y respecto del caso sin almacenamiento, no se aprecian diferencias significativas en la operación de embalses, que pudiesen afectar las condiciones hidroambientales aguas abajo de los embalses,. Se recomienda finalmente realizar estudios más profundos de instalación de sistemas de almacenamiento en los cuatro puntos del SIC señalados como más atractivos.