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Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En la presente investigación se estableció un método de estimación y evaluación del potencial geotérmico de baja entalpía (PGBE) existente en la comuna de Colina, Región Metropolitana. La importancia de este estudio es que Chile presenta una gran potencialidad geotérmica debido a que cuenta con una intensa actividad volcánica. Para la estimación del PGBE se utilizaron los métodos del volumen y del flujo térmico superficial. Para establecer una zonificación del potencial geotérmico presente en la zona de estudio, se aplicó el método de peaks de histogramas. Finalmente, con el objetivo de evaluar la rentabilidad económica se usaron los siguientes indicadores: Valor Actual Neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y periodo de retorno. Por último, se realizó un análisis de sensibilidad de 3 escenarios socio-económicos.

Ingeniero Civil Eléctrico / El aumento en las aplicaciones de energías renovables y la proliferación de tecnologías complejas a escala individual utilizando placas de desarrollo como Arduino ha promovido una cultura de comunidad de desarrollo abierto. En el ámbito de energía solar permite la implementación de sistemas de seguimiento solar. Esto mejora significativamente el rendimiento de tecnologías solares desde paneles fotovoltaicos a calefactores de agua. La investigación preliminar del trabajo resulta en el estudio de un proyecto de una impresora solar 3D que utiliza un lente Fresnel para concentrar la radiación del sol. Esto se puede utilizar en aplicaciones que requieren alta temperatura. Se busca estudiar el rendimiento de un lente de escala individual. Se realiza el diseño y construcción de una estructura para montar el Fresnel. Al ser una tecnología de concentración requiere seguimiento solar para permanecer perpendicular a la radiación del sol. La temperatura en el foco se mide para determinar las aplicaciones posibles, resultando en una temperatura máxima de 690 [°C] durante el mes de diciembre. En el foco se concentra la radiación solar 246 veces. Esto resulta en un rango de operación teórico de 340 a 570 [°C] para aplicaciones útiles y un máximo teórico de 755 [°C]. Respecto a la implementación de una impresora solar con el lente se requiere aumentar la concentración y modificar la estructura para permitir una plataforma móvil en el foco. Existen aplicaciones viables en ámbitos de minería artesanal de oro o cocinas solares de escala familiar. El prototipo requiere trabajo adicional para obtener un sistema de seguimiento más robusto capaz de operar sin mantenimiento constante.

Debido a las condiciones económicas y ambientales actuales, las entidades competentes en el sector energético nacional se encuentran impulsando el desarrollo y masificación del uso de nuevas fuentes de energía. Entre las potenciales fuentes disponibles en Chile, destaca la energía solar, debido a las excelentes condiciones radiativas que se presentan en las regiones al norte del país. Para impulsar el uso de este tipo de fuentes de energía, se hace necesario contar con una entidad que posea la capacidad técnica de realizar ensayos normados sobre los sistemas solares térmicos, y así incrementar su desarrollo. En base a la motivación anterior, se estableció como objetivo general el desarrollo de las ingenierías conceptual y básica de un laboratorio para la realización de pruebas de caracterización a sistemas solares térmicos de uso doméstico. Este laboratorio se diseñó además para tener la capacidad de expandir sus capacidades al anexar nuevos módulos de pruebas. Para dar respuesta a los objetivos propuestos, se elaboraron los diagramas de tubería de los circuitos tanto hidráulicos como neumáticos, que permiten desarrollar las pruebas sobre los sistemas solares térmicos. Una vez finalizado el diseño de los circuitos, se calcularon y establecieron las especificaciones básicas de sus elementos principales, lo que permite continuar en una próxima etapa el desarrollo de la ingeniería de detalle del laboratorio. El desarrolló del diseño de este laboratorio y la selección de los equipos a utilizar, se basaron en las normativas vigentes actualmente en Chile utilizando la instrumentación y metodologías adecuadas a las exigencias que en ellas se establecen. Este diseño se limitó a las áreas que tienen directa relación con la ingeniería mecánica y se dejaron los espacios para introducir los elementos anexos relacionados con otras especialidades. Se finalizó el trabajo con la introducción de directrices básicas sobre los procedimientos a utilizar en el funcionamiento del laboratorio, y recomendaciones a considerar para el desarrollo de la ingeniería de detalle.

Memoria para optar al título de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / El consumo de energía en el mundo se incrementará en un 57% entre 2004 y 2030. Para enfrentar este crecimiento Chile tiene como objetivos centrales en materia energética diversificar la matriz, establecer precios competitivos de la energía y que ésta sea sustentable con el medio ambiente. En este escenario, las ERNC permitirían cumplir tales objetivos en una gran medida. Dentro de las ERNC, la energía solar térmica ha mostrado un crecimiento a nivel mundial en los últimos años, incluido en Chile, que presenta altos niveles de radiación solar para su desarrollo. Con el propósito de exponer las ventajas de la energía solar térmica, se propuso evaluar la rentabilidad de un sistema solar térmico para producir agua caliente sanitaria en un edificio residencial, ubicado en la Región Metropolitana, a través de una evaluación técnicoeconómica. El edificio utilizado como caso de estudio presenta una demanda media diaria anual de 15.839 litros de agua caliente sanitaria y utiliza calderas a gas natural para cubrirla. A través de la evaluación técnica se determinó que la superficie óptima de colectores solares, para satisfacer el 62,5% de la demanda anual de energía necesaria para producir agua caliente sanitaria, es de 143 m2. El resto de la demanda debe cubrirla el sistema convencional de calderas a gas. La implementación del sistema solar térmico permitiría considerables beneficios económicos a la comunidad del edificio, quienes ahorrarían anualmente $12.618.371 por un período de 20 años. El costo de inversión es el factor de mayor sensibilidad debido a su alto valor. No obstante, la inversión se solventa con el ahorro en gas natural y su período de amortización es de 4,8 años. Con la entrada en vigencia de la Ley 20.365, de franquicias tributarias para sistema solares térmicos, el costo de inversión disminuye un 20% y el período de amortización baja a 3,8 años. Por último, se establecieron recomendaciones en la evaluación técnica dirigidas a la etapa de diseño del sistema solar térmico, con la finalidad de hacer más eficiente su funcionamiento, maximizar su vida útil y optimizar su inversión. / Energy consumption in the world will grow a 57% between 2004 and 2030. In order to face that growth, the Chilean Government has the following main objectives regarding energy policy: diversifying the energy matrix, establishing competitive energy prices and respecting the environment and its sustainability. In this scenario, non-conventional renewable energies would accomplish a big portion of these objectives. Among the different renewable energy surces, solar thermal energy has been growing worldwide in recent years, including in Chile, whose high level of solar radiation plays a key factor. Profitability of implementing a thermal solar system in a residential building to produce hot sanitary water was analyzed (technically and economically), with the purpose of presenting the advantages of solar thermal energy. The nalyzed building has a daily demand of hot sanitary water of 15.839 liters and uses a natural gas boiler to cover it. The results revealed that installing a total of 143 m2 of solar collector flat plate is the optimum size that will satisfy the annual energy demand for domestic hot sanitary water in a 62.5%. The rest of the demand has to be covered by the conventional natural gas boiler system. The implementation of the solar thermal system would cause important economical benefitsto the building community, who would save $12.618.371 annualy, during 20 years. The investment cost is the most sensitive factor, due its high value. Nevertheless, the investment cost can be covered by the ammount of saving of natural gas, and its amortization period is 4,8 years. With the recent Law 20. 365 (tax credi for solar thermal systems), the investment cost decreases 20% and the amortization period is 3,8 years. Lastly, recommendations to design of the solar thermal system were made in the technical evaluation presented in this work, with the intention of optimizing the investment costs, making its operation more efficient, and maximizing its lifetime.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En la presente investigación se estableció un método de estimación y evaluación del potencial geotérmico de baja entalpía (PGBE) existente en la comuna de Colina, Región Metropolitana. La importancia de este estudio es que Chile presenta una gran potencialidad geotérmica debido a que cuenta con una intensa actividad volcánica. Para la estimación del PGBE se utilizaron los métodos del volumen y del flujo térmico superficial. Para establecer una zonificación del potencial geotérmico presente en la zona de estudio, se aplicó el método de peaks de histogramas. Finalmente, con el objetivo de evaluar la rentabilidad económica se usaron los siguientes indicadores: Valor Actual Neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y periodo de retorno. Por último, se realizó un análisis de sensibilidad de 3 escenarios socio-económicos. Como resultados, el potencial geotérmico promedio de la comuna de Colina se estimó en 17,69 ± 3,69 [kW], con temperaturas del acuífero que varían entre los 22 [°C] y los 33 [°C]. Resultado del análisis de conglomerados, se determinaron cuatro potenciales zonas caracterizadas por sus potenciales geotérmicos promedios en: 14,97 ± 1,22 [kW], 18,29 ± 1,01 [kW], 21,72 ± 1,02 [kW] y 26,77 ± 2 [kW] respectivamente. Por otra parte, se determinó que existe una alta probabilidad de resultar rentables económicamente proyectos que utilicen las bombas de calor horizontal en los tres escenarios estudiados. En cambio, los proyectos de bombas de calor vertical resultan con mayor rentabilidad sólo cuando se compara con la electricidad como combustible para calefacción. Finalmente, la metodología desarrollada puede ser replicada en diversas zonas del país con el objetivo de cuantificar el PGBE, incentivando el uso de ésta energía limpia y renovable.

Ingeniero Civil Mecánico / Para la producción de agua caliente y calefacción es común utilizar energía eléctrica o combustibles fósiles, tanto para consumo domiciliario como comercial. Sin embargo, esas tecnologías poseen una amplia huella de carbono. Para reducir la contaminación de carbono se han desarrollado tecnologías que aprovechan la energía del sol, tanto para calefacción como para agua caliente, aquí es donde destacan los Paneles Solares Termodinámicos (PST); que funcionan bajo el principio de bomba de calor con expansión súbita y asistencia solar. Este proyecto busca contribuir a introducir esta tecnología en Chile. El objetivo general del proyecto es evaluar la introducción de Paneles Solares Termodinámicos (PST) en Sistemas Solares Térmicos (SST) para Agua Caliente Sanitaria (ACS), Calefacción Central (CC) y otras aplicaciones como Climatización de Piscinas (CP); generando un manual elemental de proyectos típicos. Los objetivos específicos son evaluar el estado del arte de la tecnología de PST, sus posibilidades, aplicaciones y potencial introducción en Chile; desarrollar una metodología de cálculo, con proyectos típicos para segmentos domiciliarios y comerciales, desarrollar ingenierías conceptuales, con P&IDs, lay-out y los principales detalles sistémicos; y efectuar evaluaciones de pre-factibilidad de las configuraciones previamente ingeniadas. La metodología para desarrollar los objetivos específicos del proyecto se basa en 3 pilares: Evaluar el estado del arte de los PST; desarrollar una metodología de cálculo; y diseñar proyectos típicos incluyendo P&ID, lay-out y evaluación económica. Los principales resultados del proyecto se centran en 4 aplicaciones típicas y sus combinaciones: ACS domiciliario, ACS comercial, CC+CP domiciliario y ACS+CC domiciliario. El análisis comparativo de los proyectos muestra los siguientes parámetros y resultados: Criterio ACS domiciliaria ACS comercial CC+CP domiciliaria ACS+CC domiciliaria Tamaño 190[l] 1.280 [l] CC:86[m^2] CP: 18[m^2] CC:86[m^2] ACS: 190[l] Consumo típico 3.194 [kWh] 21.801 [kWh] 50.935 [kWh] 17.550 [kWh] N° PST 1 7 6 7 Inversión ($) 1.552.063 6.139.182 4.206.703 4.689.823 VAN ($) 390.719 6.606.542 27.813.534 2.847.354 TIR (%) 14% 24% 89% 18% PRI (años) 7 5 2 6 Valor actual neto (VAN), Tasa interna de retorno (TIR), Periodo interno de retorno (PRI) La principal conclusión es que las aplicaciones a nivel domiciliario requieren relativamente altos niveles de inversión y están dirigidas a un estrato socioeconómico alto, incluso para instalaciones de carácter mixto. Las aplicaciones comerciales son completamente factibles ya que los ahorros energéticos son importantes y permiten recuperaciones de la inversión en 5 años o menos.

Ingeniero Civil Mecánico / Chile tiene uno de los recursos solares de mayor calidad en el mundo, el cual no está siendo aprovechado mayormente. Una forma en que se puede utilizar este recurso es captándolo como energía solar térmica. El ciclo Kalina, inventado a principios de la década de 1980, es un ciclo de potencia cuya principal característica es el fluido de trabajo que utiliza, que es una mezcla binaria, típicamente amoníaco agua. En este trabajo se encuentran rangos favorables de condiciones de operación del ciclo Kalina, para generación eléctrica de 0,5 a 4 [MW], a partir de energía solar térmica de baja temperatura (80 200 [°C]). Se desarrollan y validan modelos termodinámicos por la primera y segunda leyes de la termodinámica de los ciclos Kalina y Rankine Orgánico, este último con los fluidos de trabajo R123, R134a y R152a. Los modelos son validados reproduciendo resultados de la literatura encontrándose una buena concordancia. Se realiza un análisis paramétrico a los ciclos Kalina y Rankine Orgánico, investigando la sensibilidad de los rendimientos térmico y exergético al variar la presión en el evaporador solar, la concentración de amoníaco, la temperatura de la fuente de calor, el pinchpoint y la potencia neta. Se encuentra en el ciclo Kalina que se debe evitar un título de vapor excesivamente bajo a la salida del evaporador solar, porque esto tiene un efecto negativo sobre los rendimientos térmico y exergético. Los componentes con la mayor destrucción de exergía son el condensador, la turbina, el evaporador solar y el regenerador. Al variar la potencia neta las variables extensivas crecen linealmente con ésta. Por último, se encuentran las condiciones de operación más favorables del ciclo Kalina en función de la temperatura de la fuente de calor, para alcanzar el máximo rendimiento exergético. En el ciclo Rankine Orgánico se encuentra que el máximo rendimiento exergético se alcanza a la máxima presión admisible en el evaporador solar, y con R152a como fluido de trabajo. Al comparar los ciclos Kalina y Rankine Orgánico se encuentra que el primero alcanza un mayor rendimiento térmico y exergético que el segundo, sin embargo, requiere de una presión en el evaporador solar de un 40% mayor. A bajas presiones en el evaporador solar la diferencia entre ambos ciclos, a favor del ciclo Kalina, es significativamente mayor que a altas presiones. El mayor rendimiento del ciclo Kalina significa que requiere de una menor área de colectores solares, lo cual generalmente resulta crítico en aplicaciones de energía solar.

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.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo tiene por objetivo general desarrollar la ley de escalamiento de costo-capacidad de las plantas CSP (Concentrated Solar Power) de colectores solares cilindro parabólicos, considerando un sistema de almacenamiento térmico de tipo termoclino. Esta ley de escalamiento entrega información respecto a cómo se relaciona el costo físico de una planta CSP, con su capacidad. El trabajo se realiza en el marco de plantas de generación CSP de alta entalpía, cuyos recursos provienen de la radiación solar, usando colectores solares cilindro parabólicos para la recolección de la energía. La metodología consiste en realizar en primera instancia una revisión bibliográfica de plantas CSP de colectores parabólicos y del sistema de almacenamiento térmico de doble estanque, para así determinar una ley de escalamiento preliminar. Luego, se realiza un dimensionamiento del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino. Posteriormente este dimensionamiento es validado mediante una simulación computacional llevada a cabo en el módulo FLUENT de Ansys, la cual entrega el valor del rendimiento energético del estanque termoclino para cada caso estudiado. Con el dimensionamiento definido y la ley de escalamiento del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino determinada, se encuentran los costos del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino para cada planta CSP estudiada en la revisión bibliográfica. Finalmente se obtiene la ley de escalamiento definitiva, la cual determina la relación entre el costo físico y capacidad de plantas CSP de colectores parabólicos con sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino. Como principales resultados se obtiene que: i) El exponente de escalamiento preliminar es de 0,7976 ii) El rendimiento energético del estanque termoclino varía entre 0,916 y 0,975, dependiendo del caso estudiado y de la razón de aspecto del estanque. iii) El exponente de escalamiento definitivo es de 0,7892 Finalmente, se concluye que la tecnología del sistema de almacenamiento térmico de estanque termoclino ofrece una leve mejoría en las economías de escala de las plantas CSP estudiadas, no obstante se justifica el uso de esta tecnología respecto a la opción de doble estanque.