“Método para la Generación de Perfiles de Demanda en Comunidades Aisladas y Predicción de Demanda de Corto Plazo, para Micro-redes Basadas en Energías Renovables” El incremento del abastecimiento energético en comunidades aisladas empleando fuentes renovables, ha impulsado el estudio de la demanda eléctrica en estas zonas. Como etapa inicial de este tipo de proyectos se requieren perfiles de demanda eléctrica futuros que reflejen el comportamiento de los usuarios al disponer de energía ininterrumpida. Estos perfiles permiten además dimensionar las unidades de generación. Una herramienta importante en micro-redes eléctricas basadas en energías renovables es el sistema de gestión de la energía (EMS) que proporciona consignas óptimas a las unidades de generación, basadas en: predictor de recursos de energía, y predictor de demanda eléctrica. Esta tesis se enfoca en el desarrollo de un método que permita obtener perfiles de demanda diarios para comunidades aisladas que no cuentan con energía eléctrica, o que disponen de suministro eléctrico en horarios limitados. La propuesta es un método que incorpora un modelo que procesa entradas como: el número de habitantes, número de casas, número de escuelas, encuestas individuales por cada casa y número de luminarias del alumbrado público, obteniendo al final la demanda eléctrica total de la comunidad, y la demanda total considerando días festivos. Esta propuesta incorpora: módulo de entradas, módulo clasificador en base a mapas auto-organizados de Kohonen (SOM), módulo de búsqueda heurística, base de datos y módulos de generación de perfiles más específicos como por ejemplo de escuelas, y alumbrado público. Además en este trabajo de tesis, para la predicción del consumo eléctrico a corto plazo, se usa redes neuronales artificiales, por su capacidad en el tratamiento de las no linealidades. Requiere como entrada la demanda de un día pasado obteniendo a su salida la predicción de la demanda eléctrica en un horizonte de dos días. Utiliza entrenamiento en línea, permitiendo que el modelo vaya cambiando los parámetros neuronales en función del incremento de mediciones de la demanda eléctrica disponible en línea, para el entrenamiento. Para validar ambas propuestas se considera una micro-red ubicada en Huataconto, proyecto ESUSCON, que disponía de energía desde las 14:00 hasta 00:00. Se obtuvo un perfil diario de demanda de la comunidad, y se verificó que el perfil generado por el método en base a SOM se aproxima al perfil de demanda diario cuando se dispone de suministro ininterrumpido. El modelo neuronal de predicción de la demanda eléctrica propuesto e implementado, utiliza mediciones reales, obteniendo errores MAPE del 13%, y superando a modelos lineales tradicionales. Este modelo de estimación actualmente es usado en el sistema de gestión de energía EMS en la micro-red de Huatacondo. Como trabajo futuro se plantea trabajar en predictores de demanda que consideren sistemas de gestión de demanda, utilizando señales indicadoras del comportamiento del uso de la energía por parte de los usuarios aplicada a la micro-red Huatacondo.

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Magíster en Economía Aplicada / El ingreso de la energía solar en Chile ha ido en aumento durante el último año, debido a la cantidad de energía solar fotovoltaica presente en los sistemas SING y SIC. Además, en el corto plazo se realizará la interconexión de dichos sistemas. Por tanto, es de interés evaluar el beneficio económico de la interconexión desde un punto de vista de operación económica, considerando el potencial de energía solar fotovoltaica y la complementariedad de ambos sistemas. Este trabajo evalúa distintos casos en los cuales la expansión de los sistemas se realiza de manera aislada e interconectada, considerando una obligación anual de generación de energía solar fotovoltaica. Estos casos se definen en base a un modelo de mercado eléctrico competitivo presente en Chile en el cual los generadores invierten en unidades generadoras que sean rentables durante su vida útil. Además, un software de despacho económico para sistema hidrotérmico, multinodal y multiembalse es usado para simular la operación económica de las unidades. Entre todos los resultados analizados, los más interesantes muestran que la interconexión favorece el precio spot de energía de inyección de las unidades fotovoltaicas del SING, al contrario del SIC donde sus unidades fotovoltaicas se ven perjudicadas. El despacho de unidades de base se ve favorecido por la interconexión, desplazando unidades de alto costo operativo como motores diésel y fuel oil. Este despacho de base disminuye a medida que aumenta el nivel de energía solar fotovoltaica. Además, las centrales hidráulicas con capacidad de regulación reacomodan su despacho desde los bloques solares a los no solares. También existe un incentivo para las centrales de pasada para instalar estanques de regulación, debido al diferencial de precios entre bloques solares y no solares. Este incentivo se acentúa ante un escenario de interconexión y con alto nivel de penetración fotovoltaico. Lo anterior implica una disminución del costo de inversión en generación y operación, debido a la interconexión y al aumento de la energía solar. Integrar al modelo propuesto las restricciones técnicas propias de los sistemas, una mejor solución técnica respecto a la expansión de la transmisión, sensibilizar los casos respecto a niveles de demanda y precios de combustibles e integrar al equilibrio de largo plazo unidades generadoras de bajo costo variable que tengan capacidad de regulación, permitirían evaluar los niveles de penetración de energía intermitente óptimos, además de una mejor estimación de los costos de operación de la expansión para los casos analizados.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica. Ingeniero Civil Mecánico / El estudio de energía solar responde a las necesidades energéticas actuales, ya que es de una fuente virtualmente inagotable, abundante y amigable al medioambiente. Esta energía puede ser convertida a energía eléctrica mediante celdas solares fotovoltaicas. Éstas presentan comúnmente eficiencias en el rango de 15% al 20%, donde gran parte de la energía restante se transforma en calor. El aumento de temperatura de las celdas trae consigo una disminución de eficiencia y vida útil, lo que justifica el desarrollo de sistemas de enfriamiento. Un conjunto de celdas conectadas en serie se limitan por la celda con peor eficiencia, lo cual crea la necesidad de uniformizar la temperatura para disminuir este efecto. El objetivo principal de este trabajo es plantear teóricamente y modelar numéricamente la fluidodinámica y transferencia de calor de un disipador de calor pasivo que permita disminuir y reducir las variaciones de la distribución de temperatura de un panel fotovoltaico bajo condiciones de operación extrema. Se diseñó un disipador de aletas que cumple con los requerimientos nombrados anteriormente. Se propuso un modelo de altura variable que toma en consideración las transferencias de calor por conducción, convección y radiación para hacer el balance energético. Lo anterior se simuló en el software ANSYS CFX para estudiar la distribución de temperatura en el panel, considerando adicionalmente la fluidodinámica. El modelo simulado en ANSYS CFX (simulación estacionaria) considera 6 celdas con un disipador, orientadas en la dirección del flujo, en un dominio lo suficientemente grande para que no afecte el resultado final modificando el perfil de velocidad. El modelo considera efectos de turbulencia, radiación, convección y conducción. Los resultados simulados son cercanos a lo predicho por el modelo analítico, validando así el modelo propuesto. El disipador logra disminuir y uniformizar la temperatura de forma aceptable. En términos de costos, se puede observar que es prácticamente lo mismo que otros sistemas similares, se podría establecer que la ganancia en eficiencia se ve mermada por un gran costo de manufactura. El problema puede seguir siendo estudiado en profundidad considerando distintas condiciones de operación, lo cual queda propuesto para un trabajo futuro.

Ingeniero Civil Eléctrico / Las energías renovables han aumentado en forma progresiva su presencia en los sistemas eléctricos de potencia alrededor del mundo. La actual dependencia energética en combustibles fósiles, el calentamiento global y los problemas (tanto sociales, como de seguridad) asociados a la energía nuclear, han estimulado el desarrollo de tecnologías que aprovechen los recursos renovables disponibles en cada nación. Muestra de lo anterior, es que actualmente 173 países (entre ellos Chile) ya cuentan con una política energética respecto al desarrollo de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC). Ahora, si bien la investigación científica ha expandido el conocimiento respecto a este tipo de recursos y las tecnologías que permiten aprovecharlos, un número reducido de esfuerzos se han centrado en planificar matrices energéticas que no incluyan centrales convencionales que utilicen como fuente primaria de energía algún combustible fósil. Es así como esta investigación buscó dilucidar la composición y operación de un parque generador 100% renovable para Chile, el cual fuera confiable desde el punto de vista de las reservas necesarias para el control de frecuencia en varias escalas de tiempo, incluyendo la respuesta inercial del sistema. Los diversos escenarios planteados en esta investigación buscaron explorar la evolución de las matrices eléctricas óptimas y el impacto de las ecuaciones de seguridad de suministro, bajo distintos supuestos entre los que se encuentra una caída agresiva en los costos de inversión de centrales eólicas y solares fotovoltaicas (FV), distintos niveles de gestión de demanda o Demand Side Management (DSM) en la operación del sistema y distintas penetraciones (como porcentaje de la demanda sistémica) de energía eólica y solar FV, por ejemplo. Especial énfasis fue puesto en el impacto del nivel de inercia en el sistema para los diferentes escenarios, resaltándose las consecuencias de considerar (o omitir) aquellas ecuaciones que describen la respuesta inercial. La principal conclusión de este trabajo fue demostrar la factibilidad (desde el punto de vista de la seguridad de suministro) de varias matrices de generación que son 100% renovables, con distintos portafolios tecnológicos. En general se advierte que dichas matrices poseen una preferencia hacia la inversión en centrales hidráulicas (especialmente de embalse y pasada) tanto por su flexibilidad, como por su capacidad de generar energía limpia en términos neto (tecnologías de almacenamiento tales como las centrales hidráulicas de bombeo, no pueden generar electricidad en términos neto). El análisis de los resultados también permitió concluir que existen tecnologías con una importante orientación hacia la suficiencia de suministro, mientras que existen otras que preferentemente se desempeñan en el ámbito de los servicios complementarios. Adicionalmente, el hecho de que las centrales geotérmicas se comporten como centrales de base y que las tecnologías eólica y solar FV vean estimulada su penetración a niveles crecientes de gestión de demanda, constituyen también conclusiones relevantes de esta investigación.

El objetivo general del presente trabajo de título es desarrollar una antorcha multifuncional para la destrucción de metano y aprovechamiento de la energía térmica generada, como alternativa a las actuales que solo destruyen metano. Dentro de los objetivos específicos se considera diseñar de manera básica el combustor, recuperador de calor y el control de la antorcha. El metano actúa igual que 21 veces el CO₂ en el efecto invernadero. Una tonelada de metano quemado CH₄ produce 2,75 toneladas de dióxido de carbono CO₂, por lo tanto se reduce el im-pacto en el efecto invernadero en 18,25 toneladas de CO₂. El diseño de la antorcha se realizó utilizando técnicas clásicas de combustión y transferencia de calor, poniendo especial énfasis en la transferencia de calor por radiación. Se definió una zona de destrucción del metano y una zona de recuperación de calor de manera de facilitar el cálculo térmico y fluidodinámico. El cálculo estructural se basó en la norma chilena para diseño sísmico de estructuras NCh 2369.Of2003, en la norma chilena para la acción del viento sobre construc-ciones NCh 432.Of71 y en la norma ASME para chimeneas industriales STS-1-2000. Se realizó también una comparación económica respecto a una antorcha de similares características. El resultado final fue una antorcha con recuperación de 250 kW térmicos, un 40% más económica que la referencia internacional y además por efectos de su operación se logra recuperar el capital invertido al segundo año. Se concluye que la antorcha prototipo desarrollada se presenta como una atractiva alternativa a inversionistas del área de rellenos sanitarios o biodigestores, ya que además de tener un costo menor a la antorcha típicamente usada, agrega el valor de recuperar la energía de los gases de combustión a través de un novedoso sistema de recuperación variable.

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Ingeniero Civil Eléctrico / En este documento se describe el diseño de un protocolo de pruebas de aceptación en fábrica (FAT), para validar el funcionamiento de un esquema de protección especial (SIPS) antes de ser instalado en terreno. Este esquema será implementado debido a la conexión de un parque fotovoltaico y uno eólico en una línea de transmisión de doble circuito que está próxima a su límite térmico de transmisión. El SIPS tiene como objetivo aumentar la capacidad de transmisión de estas líneas, omitiendo el criterio de seguridad N-1, y protegerlas, siendo lo suficientemente rápido para actuar frente a sobrecargas de las líneas cercanas o frente a contingencias extremas. Las pruebas serán llevadas a cabo con una plataforma de simulación en tiempo real (RTDS), utilizando un modelo del sistema eléctrico para el área involucrada, y aplicando el método de hardware in the loop. Las pruebas involucran verificar las señales de entrada del esquema, el funcionamiento, respuesta ante fallas/errores de equipos y una inspección general final. El desarrollo de la memoria contempla definir el conjunto de pruebas que serán aplicadas al esquema de protección para verificar las distintas funciones estableciendo los resultados esperados, crear escenarios de simulación en la RTDS con los cuales serán aplicadas las pruebas, interconectar los equipos que son necesarios para emular las condiciones que se tendrán en terreno, para finalmente ejecutar el protocolo FAT. Se culmina con una conclusión que involucra las ventajas de utilizar una plataforma de simulación en tiempo real para la ejecución de pruebas FAT, junto con mencionar los temas que pueden ser abordados en un trabajo futuro.

Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta el 25/9/2020. / Ingeniero Civil Matemático / Se presenta un modelo para diseñar un plan de acción para la generación eléctrica que incorpora futuro riesgo de cambio en la política de energía renovable. El modelo permite un plan en múltiples etapas, en donde algunas decisiones pueden ser tomadas hoy y otras pospuestas al futuro, cuando la incerteza de un cambio de política es revelada. El modelo es lo suficientemente flexible para considerar diversas potenciales medidas de energías renovables, las cuales pueden ser implementadas por medio de penaltis, impuestos a la emisión de carbono, subsidios u otros. El modelo es resuelto por medio de una descomposición tipo Benders para poder lidiar con un problema de altas dimensiones como la planificación eléctrica de un país. Se muestra que la planificación en múltiples etapas muestras mejorías substanciales en términos de costos y reducción de riesgo. El modelo es implementado para el SIC (Sistema Interconectado Central de Chile), para 2 etapas o años objetivos, 2025 y 2035, en que se elaboraron 3 casos, el primero en el cual no hay cambios en políticas de energía renovable, el segundo en el cual desde el año 2035 hay un chance de que se imponga una política de impuesto a las emisiones de carbono y finalmente, el último caso en que en el año 2035 se impone una política de 33% de generación mínima renovable no convencional. Para los 3 casos mencionados anteriormente se tienen distintos portafolios energéticos, donde se puede apreciar el efecto que tiene cada cambio de política para el sistema de generación eléctrica de un país.

Ingeniero Civil Eléctrico / Diferentes países alrededor del mundo se han planteado ambiciosos objetivos para alcanzar altos niveles de producción de energía en base a energías renovables en los próximos años. Esta situación, sumada a condiciones favorables desde el punto de vista de costos de inversión tanto para los proyectos de generación fotovoltaica como eólica, lleva a que se espere que ambas tecnologías tengan un rol importante en los sistemas de potencia del futuro. Sin embargo, una alta penetración de energías renovables no convencionales puede afectar el control y estabilidad de un sistema de potencia, especialmente desde el punto de vista de la frecuencia. Esto, ya que la generación variable desplaza generación síncrona convencional. Lo anterior provoca problemas, entre otras cosas, con la inercia del sistema debido a dos factores: 1) las plantas fotovoltaicas no poseen partes rotatorias, por lo tanto no pueden proveer de respuesta inercial durante desbalances de carga-generación y 2) la generación eólica al ser conectada mediante conversor, pierde la respuesta inercial natural asociada a sus partes giratorias. Como consecuencia, mientras más plantas eólicas y solares fotovoltaicas se integren al sistema, más reducida será la inercia del mismo y con esto su capacidad de hacer frente a las desviaciones de frecuencia ante grandes perturbaciones, lo que afecta fuertemente la estabilidad en frecuencia. Es por esto que con el fin de permitir altos niveles de energía renovable no convencional (ERNC) manteniendo la seguridad del sistema, se requiere incluir en el Unit Commitment restricciones adicionales. Los efectos mencionados son relevantes en sistemas de potencia aislados y pequeños. En el caso chileno el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) tiene proyectada una alta penetración de proyectos fotovoltaicos sin inercia. Por lo anterior, este trabajo se enfoca en estudiar la estabilidad de frecuencia del SING proyectado para el año 2017. El objetivo es encontrar funciones que caractericen la respuesta de la frecuencia del sistema frente a desbalances de carga-generación. Para ello, se realizan simulaciones dinámicas frente distintas contingencias en base a un modelo proyectado del SING. Los resultados del estudio indican que a medida que aumenta la generación variable, el sistema ve deteriorada su capacidad de control de frecuencia. Además se concluye una alta correlación entre el porcentaje de generación ERNC y la inercia del sistema y a su vez una estrecha correlación entre el rate of change of frecuency (Rocof) y la inercia del sistema. Esto último permite representar de forma matemática la relación entre el Rocof y la inercia del sistema. Finalmente el trabajo entrega una función por tramos que caracteriza la pendiente de caída de la frecuencia (Rocof), en función del desbalance, para diferentes valores de inercia del sistema. Se prueba la validez de la función obtenida con fallas históricas reales ocurridas en el SING para validar la propuesta. De esta forma se podría incorporar una restricción adicional al Unit Commitment para caracterizar la influencia de una alta penetración de ERNC en la frecuencia del sistema.