El objetivo general del presente trabajo de título, fue la creación de un software de trazado de rayos para realizar un análisis del flujo energético captado por colectores concentradores catóptricos, de geometrías definidas, desde el punto de vista óptico - geométrico. Se utilizó una técnica computacional de trazado de rayos aleatorios, tipo Monte Carlo, para analizar la distribución del flujo energético generado por los colectores concentradores. Este flujo energético se analizó en torno a la variable más relevante de los sistemas concentradores: el factor de concentración de flujo. Se abarcaron geometrías estándar y otras más innovadoras, a través de un programa modular y flexible diseñado en Matlab, el cual permite una utilización sencilla para el usuario, y cuenta con la funcionalidad de guardar los resultados de las simulaciones llevadas a cabo en planillas de datos Excel y en tres formatos de imagen, lo cual facilita un post análisis. Los resultados obtenidos fueron validados analíticamente para cada uno de los colectores concentradores considerados, obteniéndose resultados satisfactorios, de acuerdo a las hipótesis planteadas y a los resultados entregados por la literatura. Además se verificó la integridad del software diseñado sometiéndolo a diferentes pruebas de funcionamiento. Se concluye que el software creado constituye una poderosa herramienta de evaluación para los sistemas concentradores estudiados, el cual permite calcular a piori, diversas aberraciones ópticas que pudiesen afectar el desempeño final de los mismos. Se recomienda finalmente la extensión de las funcionalidades del software, con el fin de poder analizar más geometrías, y agregarle modelos termodinámicos, para realizar en conjunto análisis de tipo ópticos y térmicos.

No autorizada por el autor a ser publicada a texto completo / El objetivo del presente trabajo es realizar un análisis técnico y económico de la instalación de centrales termo solares de tipo concentrador con torre central con el fin de conocer la factibilidad de introducir este tipo de tecnología en Chile. El Norte de Chile, en particular el desierto de Atacama, tiene el potencial de iniciar un desarrollo en la energía solar. Su condición de extrema radiación, precios elevados y volátiles de la energía y su crecimiento industrial hacen de esta región un objetivo estratégico para el desarrollo de la tecnología de concentración solar. La generación eléctrica de la zona, perteneciente al Sistema Interconectado del Norte Grande, es en su casi totalidad producida por centrales termo-eléctricas que requieren importar combustibles fósiles. En este trabajo se revisa el estado del arte del desarrollo de la tecnología de centrales concentradoras con torre, a partir del cual se identifica los sistemas más adecuados para su instalación en el desierto de Atacama y se muestran las ventajas y desventajas de cada tecnología existente hoy en día. Con el objeto de simular la operación, se construye una base de datos meteorológica del sitio de la subestación Crucero. A través del programa System Advisor Model, se simulan centrales de 9 y 50 MW con despachos uniformes, desplazados y de horas punta. Mediante los resultados de las simulaciones se generan los flujos de caja correspondientes para conocer la rentabilidad de cada central. Los resultados demuestran que para asegurar la rentabilidad de este tipo de proyecto, la mejor opción es una central de gran tamaño (50 MW en este caso) donde se prioriza el factor de planta, es decir lograr una generación uniforme durante las 24 horas del día. En el mejor de los escenarios, se obtiene un nivel de costo de energía (Levelized Cost of Energy) que rentabiliza el proyecto de 98 USD/MWh. Se concluye que esta tecnología tiene el potencial de instalarse en Chile, logrando una rentabilidad positiva, gracias a las condiciones económicas y geográficas de la región. Se propone a futuro realizar un estudio de operación más detallado y con más libertad de control de los parámetros.

Ingeniero Civil Mecánico / Los altos costos económicos y ambientales de la energía generada a partir de combustibles fósiles han generado un panorama donde la aplicación y la investigación sobre las energías renovables se hace cada vez más urgente. En Chile existe un escenario adverso en esta materia, siendo un país altamente carbonizado en la generación de energía y con altos consumos de combustibles fósiles en la industria. La presente memoria tiene por objetivo realizar una evaluación técnico-económica de un campo de colectores solares térmicos para la producción de calor en procesos industriales en Chile, aplicando una herramienta para evaluar la operación de un sistema de energía solar térmica. Para lograr estos objetivos se analizaron las características del recurso solar y los requerimientos energéticos de distintos procesos industriales del país. Cruzando estos datos fue posible establecer los procesos industriales en los cuales sería posible la introducción de la energía solar térmica. De esta manera se seleccionó un proceso sobre el cual se realizaron simulaciones con el objetivo de evaluar el desempeño de un campo de colectores solares que complementara a los sistemas de generación de calor mediante combustibles fósiles. Se realizaron varios casos de simulación que se dividieron en tres escenarios diferentes: un escenario que varía el horario de despacho de agua caliente; un segundo escenario en el cual se varía la cantidad de energía ahorrada por el sistema solar; y un tercer escenario donde se varía la cantidad de energía que necesita el proceso seleccionado. Cada uno de estos escenarios se localizó en dos ciudades, Santiago en la Región metropolitana y Concepción en la Región del Biobío. Dentro de estos escenarios fue posible establecer las prestaciones y rendimientos técnicos y las rentabilidades económicas del sistema solar para un proyecto a 25 años. Los resultados demuestran que estos sistemas solares son capaces de ahorrar capital y energía. La energía ahorrada por el sistema solar puede alcanzar valores sobre el 80% de los requerimientos del proceso, con factibilidad económica y evitando hasta el 80% de las emisiones de gases de efecto invernadero de un sistema tradicional. Los ahorros económicos pueden alcanzar hasta el 46% del capital necesario sin el sistema solar y es posible encontrar proyectos rentables en la zona sur del país, incluso reemplazando sistemas que utilicen gas natural.

Ingeniero Civil Mecánico / En el norte grande de Chile existe el potencial de energía solar más grande del mundo y también en esta área la demanda de energía eléctrica viene en su mayoría la minería del cobre que representa un 80% del consumo. La matriz energética de este sector viene dominada por termoeléctricas en base a combustibles fósiles, principalmente carbón por lo que tiene altas emisiones de CO2. Existen 2 tipos de tecnologías para generar energía eléctrica a partir de la energía solar, los paneles fotovoltaicos y la tecnología termosolar. Esta última se divide en tres tipos; cilindro parabólico, Fresnel y torre central, las cuales generan electricidad mediante una turbina a vapor (ciclo Rankine). Este vapor se genera por medio de colectores y receptores que concentran la radiación solar para alcanzar grandes temperaturas de entre 250ºC y 600ºC dependiendo de la tecnología. La ventaja de estas tecnologías es que poseen altos factores de planta. Después de un análisis de optó por la tecnología de torre central con almacenamiento de sales fundidas. El gran inconveniente en la utilización de estas tecnologías termosolares es el tema de refrigeración debido a que los lugares donde generalmente se instalan son áridos y carecen de agua para refrigeración. La refrigeración por aire merma la generación en un 7,14% como se calculó y hace el proyecto mucho menos rentable. Dentro de los procesos mineros para la obtención de cobre está la lixiviación y la biolixiviación, procesos que se desarrollan a temperatura ambiente pero que reaccionan favorablemente a aumentos de temperatura como se analizó en dos estudios. Los flujos de soluciones ácidas varían desde los 0,1-10 m3/hora por metro cuadrado de pila de lixiviación lo que genera caudales de varios miles metros cúbicos por hora. Es por esto que se propone la cogeneración, usando las soluciones ácidas de las pilas de lixiviación para para el bloque de condensación de la central termosolar. Esto es muy viable debido a los grandes caudales que presentan las pilas de lixiviación. Además se obtiene una mayor obtención de cobre como demuestran los estudios y un mayor rendimiento de los procesos de lixiviación y biolixiviación lo que significa mayores ingresos económicos para la empresa minera. La evaluación económica demostró que la cogeneración daba tasas de retorno de un 31,7% contra un 12,8% de la misma planta con refrigeración por aire. Las centrales con cogeneración demostraron ser rentables para precios de energía eléctrica de 100 USD/MWh mientras que la central con refrigeración por aire ya no es rentable bajo un precio de 125 USD/MWh. También se comprobó que la rentabilidad de los proyectos es mayor con un almacenamiento térmico de 13 horas versus uno de 10 horas.

Ingeniero Civil Mecánico / El escenario energético actual de importación de combustibles fósiles y sus altos precios hacen que el estudio de sistemas alternativos sea un asunto de prioridad para los cuerpos académicos e industriales. Chile es un país con un recurso solar privilegiado. Por lo tanto, la energía solar térmica es interesante dada la limpieza en su operación y versatilidad al momento de implementarla como una fuente de energía térmica en procesos y esto constituye un gran potencial para reemplazar o servir de apoyo a tecnologías tradicionales. Como trabajo de título, se realizó el estudio del rendimiento y las estrategias de control de una planta solar térmica provista por la empresa Renersol y compuesta de 27 m² de paneles solares, una bomba de calor, y un estanque de acumulación. Se elaboró un modelo basado en balances de energía para evaluar su dinámica temporal que fue validado con mediciones en terreno. Este modelo permitió predecir las temperaturas de funcionamiento y el flujo aportado a un proceso, flujo de energía perdida al ambiente, rendimiento instantáneo de colectores, aporte térmico de bomba de calor, consumo eléctrico, y rendimiento acumulado del sistema. Los resultados permiten observar que el modelo predijo de manera aceptable las temperaturas y flujos de energía, y que el rendimiento se ve afectado principalmente por los flujos másicos en los circuitos de calentamiento de agua y consumo. Por otro lado, se analizó la influencia del tamaño del estanque, el criterio de activación, el funcionamiento conjunto con bomba de calor, y el funcionamiento en condiciones de verano e invierno. La bomba de calor se encuentra restringida en su uso debido a las temperaturas máximas a las que puede operar por lo que es necesario divisar una estrategia de uso de los colectores que de condiciones que favorezcan su integración. Se recomienda hacer uso de ambas tecnologías independientemente y sin estrategia de acumulación para un mismo proceso.

Ingeniero Civil Eléctrico / El presente estudio tiene por objetivo cuantificar los efectos asociados a la operación en ciclaje de las unidades convencionales de generación dada la inminente inyección de energías renovables no convencionales (ERNC), en particular energía solar fotovoltaica (FV), en el sistema eléctrico chileno. Las herramientas de simulación de predespacho con representación detallada de los aportes de energía variable y restricciones técnicas de fuentes convencionales permiten estudiar el efecto en costos asociados a mantenimientos de la penetración de energía solar FV. Para esto se realizan simulaciones de operación a mínimo costo de corto plazo, unit commitment, del sistema eléctrico chileno, en representación uninodal, para diez escenarios distintos. Estos cubren situaciones previas a la interconexión (2015, 2018 y 2019), escenarios posteriores a la interconexión (2025 para dos planes de obra diferentes y cuatro escenarios de penetración solar) y un escenario 2025 sin interconexión. Para cada escenario propuesto se realizan cálculos asociados a la operación de las unidades térmicas de generación, en base a grupos de estudio, tales como: número de partidas, número de horas de operación, razón de ciclaje y seguimiento de carga. Luego se realiza un análisis de sensibilidad de la función de costo de manteniemiento, con el fin de entender la variabilidad en el número de horas de operación equivalente, los costos variables no combustibles (CVNC) y los costos asociados a mantenimiento. A lo largo del presente estudio se demuestra que la operación de las unidades de ciclo combinado y gas natural licuado (GNL) se hace cada vez más variable a medida que se inyecta energía solar FV en la matriz. Lo anterior se ve reflejado en el número de ciclos de encendido/apagado y seguimientos de carga realizado por las unidades, así como también en la disminución en su colocación de energía y número de horas de operación. Sin embargo, debido a la disminución en las horas de operación y energía generada de las unidades de ciclo combinado y GNL es que la cuantificación de este efecto no es directa. Se obtiene que los CVNC del grupo de estudio de unidades de ciclo combinado y GNL, constituido por 27 unidades que en conjunto alcanzan los 4.511 [MW] de potencia instalada, sufren un aumento de hasta 9 [USD/MWh] dependiendo del nivel de penetración FV y la función de costo de manteniemiento utilizada. Por otra parte, el análisis permite determinar que el aumento de los CVNC fluctúa entre los 0,05 y los 0,11 [USD/MWh] por cada 100 [MW] de energía solar FV agregados al parque generador. Asimismo, se demuestra que los costos asociados a mantenimiento del mismo grupo de estudio sufren un aumento superior a los 2.000.000 [USD] anuales dado el aumento en la frecuencia de los mantenimientos realizados por las unidades. Por último, se exponen recomendaciones estudiadas para mitigar los efectos asociados a la operación en ciclaje tales como la interconexión de sistemas, la presencia de energía hidroeléctrica en la matriz o la tecnología de concentración solar de potencia (CSP). De igual manera, como trabajo futuro se plantea el desafío de endogenizar la relación entre los costos de mantenimiento y la operación en ciclaje de las unidades térmicas de generación en el modelo de simulación.

Magíster en Gestión y Dirección de Empresas / El objetivo de éste proyecto de Tesis fue desarrollar un plan de negocios, destinado a la creación de una empresa que ofrezca sistemas de energía solar llave en mano , para generar agua caliente sanitaria (ACS) para residencias. El sistema ACS obtiene la energía, para calentamiento de agua, desde la radiación emitida por el sol. La energía captada es utilizada para calentar el agua de un estanque acumulador, el cual está conectado a la red de agua caliente de la residencia. Cabe resaltar que, utilizar este tipo de sistemas, otorgará al usuario importantes ahorros monetarios respecto a los sistemas convencionales, siendo además autónomo, inagotable y amigable con el medio ambiente, pues ayuda a disminuir la huella de carbono y, por ende, los gases de efecto invernadero producidos. La oportunidad del negocio se ve motivada por las dificultades en materia de suministro energético surgidas en el país, las cuales han provocado un aumento en los costos de cualquier actividad que demande el uso de energías convencionales. El proyecto se desarrolló sobre la base de una metodología para un plan de negocios convencional, incluyendo análisis de mercado en base a información secundaria que, acompañado de un análisis externo e interno, proveyeron información sobre las dificultades y ventajas con las que puede contar el negocio. Bajo este marco, se elaboró también un Plan de Marketing, orientado a la venta del producto y llegada a Clientes potenciales; un Plan de Operaciones, destinado a abarcar las funciones y tareas requeridas para las instalaciones del producto; un Plan de Recursos Humanos para sentar las bases de requerimientos de personal; un Plan de Control para dar seguimiento a las metas esperadas; y la realización de un Plan Financiero, junto a una evaluación económico-financiera, que contendrá un análisis de sensibilidad, para obtener costos, grados de riesgo, rentabilidad e inversiones necesarias para la decisión del inicio de actividades y operación de la empresa. Respecto a la evaluación económica, se contempló escenarios sin financiamiento y con obtención de crédito, en un horizonte a evaluar de 5 años y con tasa de descuento de 20%. El análisis arrojó un VAN=$24.676.416 y una TIR=41.00%, para el caso sin financiamiento, y un VAN=$27.802.297 y una TIR=49,77%, para el caso con financiamiento bancario, considerando una inversión inicial de $20.766.400. Por otro lado, se realizó análisis de sensibilidad respecto a variaciones de la tasa descuento, demanda proyectada, precio fijado por la empresa y cambios en costos de los equipos. Finalmente, se calculó el punto de equilibrio del emprendimiento. El resultado del plan muestra una oportunidad real de inversión para el desarrollo de una empresa instaladora de sistemas solares térmicos, considerando que debido a los costos de inversión para los clientes, y al mercado potencial existente en Chile, se favorece ofrecer el producto/servicio a familias ABC1-C2 residentes en algunas comunas de la RM.

Magíster en Gestión y Dirección de Empresas / El presente plan de negocios, ha sido elaborado como la venta de una solución energética para autoconsumo basada en tecnología solar, la cual será un complemento a la demanda eléctrica de clientes industriales, que deseen incorporar en sus procesos productivos conceptos de producción limpia, sustentable y renovable. Hoy día, existen cada vez más restricciones a los productos exportados. La creciente preocupación por consumir productos elaborados en un proceso controlado, sostenible en el tiempo y amigable con el medioambiente, es una de las nuevas exigencias. La incorporación de medios de generación de electricidad renovables como la energía solar se transforman en alternativas energéticas a evaluar e implementar. La posibilidad de producir bienes con un suministro de energía limpia, genera inmediatamente cambios en la imagen de la empresa y mejora la percepción de los clientes, junto con el beneficio económico de producir energía a un precio razonablemente estable en el tiempo. El actual déficit de generación eléctrica, la dependencia de combustibles fósiles y la tendencia al alza de los precios de la energía, están haciendo a la industria menos competitiva, por lo que soluciones fotovoltaicas para auto consumo se transforman en proyectos factibles de ser evaluados y construidos. Este plan de negocios en su estudio de mercado, identificó un segmento de empresas con vocación exportadora, a saber, frutas, alimentos, vinos, pisco, leche y aceite de oliva, entre otras, potencialmente interesadas en este tipo de soluciones. Otras industrias no fueron consideradas como las mineras, productoras de cerdos, aves, celulosa y acuícolas, debido a que empresas proveedoras, locales e internacionales, de soluciones solares de gran escala han iniciado gestiones y negociaciones con este sector. Una vez segmentado el mercado de empresas exportadoras por atributos de ubicación geográfica, volumen de exportaciones y ventas al extranjero, se obtuvo un número de 120 empresas clasificadas como grandes y grandes contribuyentes , compañías integrantes del segmento objetivo de este plan. La oferta de valor propuesta se fundamenta en los conceptos auto consumo de energía renovable y limpia, lo que brinda adicionalmente un cambio en la imagen de la compañía y un cambio en percepción de sus clientes, junto con una razonable estabilidad de precios debido a su baja variabilidad. Esta propuesta traspasa los atributos de sustentabilidad y producción limpia (propios de una planta fotovoltaica) a los procesos productivos, incorporando así un elemento diferenciador y una ventaja competitiva a la compañía que adquiera la solución energética. Este plan de negocios, se desarrolló con la metodología Canvas, poniendo énfasis en el análisis interno y del entorno. Se analizó el plan de operaciones, plan de adquisiciones, plan de financiero, plan de recursos humanos y el plan marketing. Los resultados generaron un programa de ventas para un horizonte de 5 años por la venta de una solución modular de 50 kWp escalable a 100 kWp. Para una participación de mercado del 33% del mercado objetivo, el VAN estimado fue de M$ 24.263 y una TIR de 17%. Finalmente, se concluye que existe factibilidad de incorporar la solución solar fotovoltaica para autoconsumo. El logro de este plan estará en captar la atención de los clientes industriales y seducir con la propuesta de valor concreta. En este sentido, el plan de marketing y el equipo de ventas son un factor crítico éxito de plan.

El objetivo del presente plan de negocios es analizar la factibilidad de introducir al mercado chileno una solución para la recolección de basura domiciliaria. La solución se centra en un compactador de basura solar que incluye monitoreo remoto. Esta solución permitirá potenciar el mercado del reciclaje en las comunas de nuestro país y además optimizar el uso de los camiones recolectores. Los rellenos sanitarios tienen un costo por tonelada para cada municipalidad. Si estas últimas pueden reducir la basura enviada, verán reducidos sus costos. Esto puede ser logrado al agrupar la basura al momento de recolección, y solo enviar el material no reciclable al vertedero. En este sentido, la solución propuesta permite, por un lado segregar la basura, y por otro lado generar mayor espacio útil en los contenedores permitiendo menos cantidad de recolecciones diarias. La propuesta de la presente tesis se basa en crear una empresa llamada SmartWaste, que se encargará de la importación de los compactadores y de la prestación de servicios integrales en torno al arriendo de los mismos, y que incluyen limpieza, mantenciones e inteligencia operativa utilizando la información que los dispositivos pueden entregar de su estado de llenado. La prestación de servicios implica que los clientes pueden externalizar el riesgo de una inversión en tecnologías nuevas. Los clientes no necesitarán comprar un contenedor, sino que adquirirán un servicio que potenciará el reciclaje en sus comunas. El mercado objetivo son las municipalidades quienes cargan por ley con los costos directos de la recolección. En función del análisis realizado, el segmento objetivo se define como las municipalidades con mayores ingresos y que generan mayor basura por habitante. En el horizonte de 5 años se planea abarcar a 5 municipalidades de las 345 existentes en Chile (1,5% del mercado objetivo). Para la operación se requiere como mínimo un especialista en mantención y un encargado de aseo de los contenedores. El modelo de ingresos se basa en diferenciar el simple arriendo (Servicio Básico) y el arriendo con servicios de monitoreo (Servicio Full). Como estrategia de penetración se utilizará un modelo de plan piloto de Servicios Básicos entregando el monitoreo libre de costo por un año. Dado los altos costos de inversión, se propone un financiamiento con capitales ángeles a cambio del 29% de la empresa. El presente plan de negocios revela un proyecto financieramente rentable con un valor presente neto de $419,1 millones de pesos a partir de flujos de caja proyectados a 5 años y descontados a una tasa de 14%. Es importante destacar que a pesar de un VPN positivo, el proyecto es altamente sensible a variaciones en el precio definido, y que el retorno de la inversión se espera al año 5, lo que junto con el hecho de que casi el 100% del VPN proviene del valor residual de la empresa hacen que el proyecto sea rentable a largo plazo.

El objetivo general del presente trabajo, es generar una metodología de evaluación del uso de colectores solares para una piscina municipal temperada en base a factores en base a un análisis exergético y económico; se espera ver tanto el impacto que podrían tener los colectores en el sistema como la magnitud del ahorro económico asociado a su uso. Se utilizó como caso particular para este trabajo, la piscina temperada de uso público que tiene la municipalidad de Vitacura en la misma comuna. Esta piscina funciona todo el año, siempre temperada, y cuenta además con servicio de camarines con duchas, de manera que se tiene tanto una carga por la calefacción de la piscina como en la generación de agua caliente sanitaria (ACS). Actualmente se utilizan equipos eléctricos para calentar el agua necesaria, lo que genera altos gastos asociados al consumo eléctrico de estos equipos. Por otra parte, está el creciente interés en utilizar energías renovables tanto por el beneficio económico que suponen como el beneficio medioambiental que conlleva su uso. Se determinaron, para el sistema actual, las pérdidas de calor asociadas a la piscina y la energía necesaria para producir ACS. Se calcularon los flujos de exergía del sistema y se identificaron puntos donde existe destrucción o pérdida de exergía. Se identificó la producción de agua caliente sanitaria como una importante carga energética y exergética del sistema, principalmente por la alta temperatura que se debe alcanzar. Se calcularon los requerimientos que se quiere suplir con los colectores y se utilizó el criterio de inversión del valor actual neto para encontrar la cantidad de colectores que entregue un mayor retorno económico. Posteriormente se vio el impacto en el balance exergético del sistema al incluir los colectores solares. Se concluye que hay tanto una mejora exergética como un importante beneficio económico al incorporar al sistema la tecnología de colectores solares para el calentamiento del agua. La mejora exergética está dada por la intervención en algunos puntos del sistema donde se pierde exergía y el menor uso de los equipos actuales. Se puede suponer, que a mayor escala, el ahorro energético acarrearía además una disminución en las pérdidas de exergía aguas arriba del sistema, hacia las fuentes de producción de energía eléctrica, lo que puede significar un beneficio mayor.