Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En las últimas décadas, se ha generado un nuevo interés por el desarrollo de sistemas de generación distribuida y el uso de energías renovables, para la electrificación en zonas rurales aisladas. En este contexto se insertan los sistemas de micro-redes, que combinan varias fuentes de generación eléctrica y que se plantean hoy como una de las soluciones técnicas más competitivas. Estos proyectos pueden generar impactos socioeconómicos y ambientales y toma especial relevancia la participación de las comunidades en ellos. Ambos factores pueden afectar su sustentabilidad, resultando necesario evaluarlos para corregir las deficiencias y favorecer el éxito del mismo. Así, se generó una propuesta metodológica para la evaluación de proyectos de micro-redes en comunidades rurales del norte de Chile, que permitiera medir el grado de impacto del proyecto y tomar decisiones para favorecer su éxito en el largo plazo. Se generó el cuerpo central de la propuesta en base a las variables, indicadores y cuestionario para la evaluación y luego se aplicaron estos instrumentos al proyecto de micro-redes ESUSCON ubicado en la localidad de Huatacondo, Región de Tarapacá. Se realizaron las correcciones necesarias y se generó la propuesta metodológica final consistente en etapas para la evaluación. Se generaron en total 19 de variables de impacto (socioeconómicos y ambientales) y 9 para el análisis de sustentabilidad, asociadas a la participación y percepción de la comunidad; se utilizaron indicadores cuantitativos y cualitativos. Se definieron 5 etapas de evaluación que involucran a la comunidad en el proceso y en una de las cuales se aplican los indicadores y cuestionario generados. Se concluye que la propuesta final es una herramienta práctica para la evaluación y que puede adaptarse a otros proyectos de energías renovables y en otras zonas de Chile. La combinación de los métodos de investigación cuantitativa y cualitativa, permite aprovechar las ventajas de cada uno y favorecer los resultados de la misma y la base de información generada permitirá reducir errores en proyectos futuros y favorecer su éxito. Por último, se plantea la necesidad de evaluar, además y de forma complementaria, los aspectos técnicos y económicos de los mismos, y avanzar en el desarrollo de proyectos de energía a nivel de comunidad sustentables. / In recent decades, there has been a renewed interest in the development of distributed generation systems and the use of renewable energy for rural electrification in isolated places. In this context the micro-grids are a system that combine various sources of power generation and that has raised today as one of the most competitive technical solutions. These projects can generate socioeconomic and environmental impacts and is of particular relevance the participation of the communities in them. Both factors may affect its sustainability, being necessary to evaluate them, correct deficiencies and promote the success of the project. Thus, a methodology for the evaluation of micro-grid projects in rural communities in northern Chile was generated that would measure the impact of the project and make decisions to promote their long-term success. It was generated the main body of the proposal based on the variables, indicators and assessment questionnaire and then these tools were applied to micro-grid project ESUSCON located in Huatacondo, Región de Tarapacá. The necessary corrections were made and a finished methodological proposal was generated, consisting of evaluation stages. A total of 19 impact variables (socioeconomic and environmental) and 9 for analysis of sustainability, related to participation and community perception, were generated. It was used quantitative and qualitative indicators. It was defined five stages of evaluation involving the community in the process and in one of them including the generated indicators and questionnaire. It was concluded that the final proposal is a practical tool for the evaluation and that can be adapted to other renewable energy projects and other areas of Chile. The combination of quantitative and qualitative research methods, allow taking advantage of each and favor the results. Also, a basis of information was generated that will reduce mistakes in future projects and encourage their success. Finally, there is the need to assess, in addition the technical and economic aspects of the project, and promote the development of community and sustainable energy projects.

Es sabido que la Arquitectura a lo largo de la historia ha actuado siempre como reflejo y respuesta a la realidad social del momento y contexto en la cual esta se desarrolla. De esta misma forma la Arquitectura en Chile, como reflejo de la realidad nacional y también global de nuestro tiempo, debiera preocuparse por identificar y reconocer los problemas nacionales actuales, dando a conocer la complejidad real de nuestra sociedad actual

Este estudio tiene como principal objetivo mejorar la materialidad de las viviendas y aprovechar en ellas el uso de energías no convencionales, todo esto con la finalidad de lograr un mayor aprovechamiento energético en las viviendas según la zona climática en la que se encuentren. Inicialmente se realizó una cuantificación de los flujos de energía a través de envolvente térmica de la vivienda, con el fin de conocer las pérdidas energéticas de las mismas. Posteriormente se realizó una modificación en la aislación de los elementos envolventes de las viviendas, de manera de mejorar su resistencia térmica y reducir las pérdidas energéticas. En dicho análisis se hizo variar el espesor de la aislación en los distintos elementos de la envolvente y se estudia el comportamiento del flujo de energía sobre cada uno de ellos. De este estudio se puede analizar la relación del flujo térmico con el espesor del material aislante y en algunos casos se observa que pequeños aumentos en los espesores de la aislación generan grandes reducciones en el flujo de energía desde el interior al exterior de la vivienda. Luego se indagó acerca de problemas que afectan la calidad de la vivienda, como la condensación y puentes térmicos, y se plantea una serie de propuestas cuya finalidad es evitar estos problemas y alargar la vida útil de la vivienda y mejorar la calidad de vida en sus moradores.

Los elevados costos de producción energética basada en combustibles fósiles, la evidencia de sus efectos sobre los cambios ambientales globales, ha impulsado el estudio, desarrollo e implementación de energías renovables no convencionales (ERNC), a fin de aumentar la capacidad instalada en la red y aprovechar estas fuentes en proyectos de menor escala de los distintos sectores productivos del País. El objetivo de este trabajo es analizar, en forma preliminar, la factibilidad técnico-económica de utilizar generadores eléctricos, basados en energía eólica, para la operación de sistemas de riego tecnificado, evaluando sus costos. Se desarrolló una plataforma computacional, que permite simular la operación de un sistema de riego tecnificado utilizando generadores eólicos y evaluar su rentabilidad económica según el cultivo y la superficie plantada. Hidráulicamente, la herramienta permite evaluar los esquemas de captación y distribución de agua más típicos utilizados en el riego, que incluyen captación subterránea o superficial, bomba de captación y bomba de riego. Eléctricamente, el sistema consta de un aerogenerador, regulador de carga, inversor de corriente (para el uso de bombas de corriente alterna) y un banco de baterías, que permite acumular energía de forma eléctrica, ahorrando un estanque elevado, para acumularla de forma potencial. Con este trabajo se apoya a la Comisión Nacional de Riego en la evaluación de proyectos eólicos, presentados a los concursos de la Ley 18.450, y en la identificación de dificultades, beneficios, variables trascendentales y otros alcances que faciliten la elaboración, por parte de la CNR, de requerimientos para futuros términos de referencia en estudios de este tipo. Se realizó una evaluación teórica de un cultivo de cerezos en la zona de San Javier (VII Región del Maule) para tres tamaños prediales, haciendo un análisis de sensibilidad. Se concluye principalmente que: una mayor seguridad energética implica una mayor inversión inicial en aerogeneradores. La rentabilidad disminuye a medida que la seguridad aumenta. La red eléctrica siempre será más rentable que los generadores eólicos o diesel. A medida que aumenta la superficie plantada, la rentabilidad eólica aumenta, superando la de un generador diesel. La alta inversión inicial en aerogeneradores se ve amortizada por los bajos costos de mantención y nulos costos de operación. A modo general, se concluye que: en zonas extremas, este tipo de energías se hace más atractiva ya que puede ser la única alternativa energética. La variación temporal de generación, es uno de los factores más influyentes en la factibilidad de instalar aerogeneradores en un proyecto de riego tecnificado, ya que el consumo de las bombas es constante en las horas de riego. Los incentivos y subsidios estatales son indispensables para implementar estas tecnologías. Por último, como extensión de este trabajo, se propone desarrollar una simulación basada en energía solar, y como complemento, plantear un modelo de optimización que permita integrar distintas fuentes energéticas para abastecer un sistema de riego tecnificado.

Ingeniero Civil / En el contexto del debate respecto de la matriz energética chilena, diversos sectores plantean que debería existir una participación de las ERNCs mayor al 3.56% actual. La Ley 20.257 (de Energías Renovables No Convencionales) del año 2008, obliga a las empresas eléctricas que efectúen retiros de energía desde los sistemas eléctricos con capacidad instalada superior a 200 MW para comercializarla con distribuidoras o clientes finales a acreditar al año 2024 que el 10% de esta energía provenga de ERNC. Una de las tecnologías que más ha penetrado en la última década son las pequeñas centrales hidráulicas (PCHs), definidas como aquellas con potencia instalada inferior a 20 MW. Dado el tamaño de estos proyectos, comúnmente se considera que sus impactos ambientales son poco significativos. Sin embargo, la proliferación de una gran cantidad de PCHs puede producir impactos acumulativos sobre los sistemas ambientales acuáticos. El presente estudio tiene por objetivo analizar preliminarmente los impactos ambientales acumulativos asociados a un conjunto PCHs sobre los sistemas acuáticos en Chile. Como antecedente preliminar, en el presente trabajo se caracterizó el conjunto de proyectos de PCHs ingresados al Sistema de Evaluación de Impacto Ambiental (SEIA) en la última década. En base a la información disponible, se determinó que los proyectos de PCHs analizados involucran una inversión de US$540 millones, totalizando una capacidad instalada de 288 MW. Además, se concluyó que los proyectos en estudio son de alta caída ya que aproximadamente el 86% tienen caída neta sobre los 35 m. Respecto a los caudales de diseño, el 65% de los proyectos presenta caudal de captación inferior a 6 m3/s. Las cuencas que concentran la mayor cantidad de proyectos son Río Bueno, Tolten y Maule. Estas cuencas también concentran las mayores capacidades instaladas totales. Como parte central del trabajo, se propone un grupo de indicadores de impactos ambientales acumulativos de PCHs, que principalmente se relacionan con la distancia reducida a caudal ecológico que presentan estos proyectos. Los indicadores propuestos incluyen la distancia unitaria reducida a caudal ecológico y la fragmentación unitaria (ambas por MW de capacidad instalada), la fragmentación ponderada por el caudal ecológico, y un indicador global que combina el caudal ecológico y la distancia reducida a caudal ecológico. Cada uno de los indicadores acumulativos propuestos se calcularon a nivel de cuenca. A partir del análisis, se determinó que el conjunto de PCHs consideradas en el presente estudio reduce a caudal ecológico una distancia de río de 605 m/MW y una distancia acumulada de 142 km de cauces en distintas cuencas hidrográficas. Este resultado contrasta con los 135 m/MW reducidos a caudal ecológico y de 89 km de distancia acumulada por el conjunto de proyectos de centrales hidroeléctricas con capacidad mayor a 20 MW ingresados al SEIA durante el mismo período. En general, la cuenca del río Imperial concentra los valores más altos para los indicadores de impacto acumulativo, a pesar de incluir solamente dos proyectos de PCHs. Se propone como trabajo futuro validar los indicadores propuestos, así como también proponer nuevos indicadores ambientales acumulativos que no sólo consideren el medio físico, sino que además consideren otros factores como sociales, económicos y biológicos a fin de realizar una comparación de los impactos ambientales acumulativos de un conjunto de proyectos de PCHs con un conjunto de proyectos hidroeléctricos con capacidad instalada mayor a 20 MW.

Ingeniero Civil Electricista / Actualmente existe un gran interés por el uso de tecnologías de generación renovable no convencionales, para así poder reducir tanto el impacto medioambiental de la generación eléctrica como también la dependencia de combustible fósiles en la matriz energética. Uno de los medios de generación no convencional que se perfila como altamente competitivo corresponde a la generación eólica y, dentro de esta, la tecnología predominante corresponde a las turbinas de velocidad variable con conversores. La integración masiva de energía eólica implica desafíos técnicos importantes desde el punto de vista del sistema, siendo el control de frecuencia uno de los más discutidos. Un aspecto importante corresponde a que las turbinas eólicas de velocidad variable que si bien tienen una cantidad significativa de energía cinética almacenada en sus aspas, estas no aportan respuesta inercial al sistema debido a que el conversor de potencia desacopla el generador de la red haciendo que las turbinas sean insensibles a cambios de frecuencia en el sistema. De esta forma la incorporación masiva de turbinas eólicas de velocidad variable podría implicar una disminución importante de la inercia total del sistema de potencia. De lo anterior, surge el objetivo principal de esta memoria: estudiar el comportamiento de la respuesta inercial de un sistema eléctrico de potencia. Considerando el alto potencial eólico que existe en el norte grande del país, lo cual se ha visto reflejado en el hecho de que hoy existen 856 MW en proyectos de generación eólica con aprobación ambiental, junto con las limitaciones técnicas del SING producto de ser un sistema puramente térmico, se ha considerado que es relevante estudiar dicho sistema ante distintos escenarios de penetración eólica y analizar las consecuencias que ello tiene en él, junto con estudiar medidas correctivas para paliar la reducción de inercia. Para estos efectos se desarrolló una metodología para el estudio de la respuesta inercial en el SING y se implementaron los modelos dinámicos requeridos en el software DigSilent Power Factory. De los resultados obtenidos en las simulaciones dinámicas realizadas, fue posible constatar el deterioro de la respuesta inercial al aumentar la participación de turbinas eólicas de velocidad variable en la matriz de generación del SING, llegando incluso a darse desprendimiento de carga en el escenario de máxima penetración considerado producto de la disminución de inercia. Además se logró confirmar que las medidas correctivas estudiadas son capaces de mejorar la respuesta inercial del sistema analizado, observándose en todos los casos que las consideran un aumento en la frecuencia mínima post-contingencia. Estas medidas llegaron incluso a evitar el desprendimiento de carga observado al no considerar medidas correctivas en el escenario de máxima penetración eólica estudiado, por lo que su implementación corresponde a un aporte relevante para facilitar la integración masiva de la energía eólica al SING.

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 Electricista / En el diseño y operación de redes eléctricas donde existen unidades de generación con recursos intermitentes, es necesario evaluar con anterioridad su funcionamiento en distintos escenarios, para lo que resultan bastante útiles los programas de simulación, de manera de realizar una correcta planificación, diseño y evaluación económica. En la actualidad es común encontrar programas enfocados en redes eléctricas de gran envergadura, donde se omiten ciertas consideraciones de pequeña escala, como el desbalance entre fases y la característica predominantemente resistiva de las líneas de distribución, típicas de una microred. Por lo anterior, surge la necesidad de una herramienta capaz de abordar las características particulares de sistemas eléctricos pequeños con generación distribuida. El objetivo de este trabajo de título es disponer de una herramienta que incorpore un algoritmo de flujo de potencia trifásico, que permita simular la operación de una microred desbalanceada. Además la aplicación debe incorporar la modelación de las distintas unidades de generación y almacenamiento, y la incorporación del recursos energético solar, mediante un despacho económico que optimice el uso de los recursos. Se implementa un algoritmo de flujo de potencia trifásico basado en el desacople de las tres mallas de secuencia, mediante compensaciones por inyecciones de corriente, lo que reduce la complejidad del problema matemático. El algoritmo se implementa como una extensión del proyecto MATPOWER que permite calcular flujos de potencia y flujos de potencia óptimos en MATLAB. El algoritmo se valida mediante la comparación con un caso de estudio internacional, obteniéndose un error de 0.0005[p.u.] para los voltajes de fase y 0.811\% para las potencias inyectadas, con un tiempo de ejecución de 0.1[s]. Se incorpora un despacho de unidades que permite dar las consignas de operación a las unidades de generación y almacenamiento de una microred, para un horizonte de simulación determinado. De esta forma, en conjunto con algoritmo de flujo de potencia, es posible simular la operación de la microred en un horizonte de simulación dado. La herramienta es probada con un caso de estudio basado en la microred real de Huatacondo, desarrollada por el Centro de Energía de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, obteniendo resultados que reflejan su operación real. Obteniéndose una herramienta que constituye un aporte al análisis, estudio y desarrollo de microredes con generación distribuida.

Ingeniero Civil Electricista / La necesidad de incluir energías renovables dentro de la matriz energética mundial es cada vez más apreciable. Chile no es ajeno a esta tendencia, observándose una penetración creciente de las Energías Renovables No Convencionales (ERNC), en particular a partir de la promulgación de la Ley 20.257 del año 2008. La energía eólica ha liderado en estos primeros años la penetración ERNC en los sistemas eléctricos nacionales. En este contexto, se reconoce la necesidad de disponer de modelos que permitan predecir la generación eléctrica de un parque eólico. En este contexto, el objetivo general del presente documento es la propuesta conceptual y práctica de una metodología para estimar perfiles de generación de un parque eólico, que permita su simulación en el mediano y largo plazo dentro de un sistema eléctrico de potencia. Dentro de un parque eólico hay tres efectos importantes a considerar al momento de analizar su generación: la topografía del terreno, el efecto estela y la turbulencia del viento. Son éstos, los que basándose en metodologías de referencia, permiten un cálculo más realista de la potencia generada en un parque eólico. Dada una medición de la velocidad del viento, el diseño del parque y la curva de potencia teórica de los aerogeneradores, es posible incluir los efectos antes mencionados en forma analítica. La validación del modelo se realiza a través de datos reales de viento y generación pertenecientes al parque Canela I, de la empresa Endesa Chile. Dichos datos corresponden a un período entre septiembre del 2009 y abril del 2010. Dado el modelo, se obtiene un error relativo del 7,81% según la energía total generada en ese período, y de un 11,79% según el error cuadrático medio de la potencia generada. Las simulaciones corresponden al análisis de tres eventos distintos a considerar: la topografía, el efecto estela y la turbulencia. Para cada evento se analizan distintos escenarios, los cuales contemplan el considerar y despreciar dichos efectos. Se obtiene que el efecto más significativo al momento de predecir la operación de un parque es la topografía del terreno. Lo anterior se debe al emplazamiento sobre colinas o valles de los aerogeneradores, en donde la velocidad del viento cambia. El efecto menos significativo es la turbulencia, obteniéndose una diferencia de 0,05% al no considerarla. Es importante destacar que la operación de un parque dista de ser el simple producto de los aportes individuales de una turbina genérica, aumentando su error relativo a un 10,12% con respecto a la energía, si se realiza dicha consideración. Como trabajo futuro se propone mejorar la modelación de la topografía y de la velocidad del viento. Así mismo, se sugiere extender el modelo a una versión estocástica.

Ingeniero Civil Electricista / Durante el último año ha sido posible presenciar un importante aumento en la instalación de energías renovables no convencionales a lo largo de Chile, el cual ha sido liderado por centrales eólicas. Sin embargo la energía solar no se ha quedado atrás y ya se han producido las puestas en marcha de las primeras etapas de proyectos fotovoltaicos en el sistema interconectado del norte grande (SING) de Chile. Una mirada por el servicio de evaluación ambiental (SEA) da cuenta de la gran cantidad de proyectos solares (tanto fotovoltaicos como de concentración solar) que se encuentran en carpeta. Frente a esta situación se hace necesario realizar estudios dinámicos de manera de enfrentar de manera correcta la entrada de este tipo de energías, sobre todo en un sistema con las características del SING. Peculiaridades, tanto del parque generador como de la demanda y control de frecuencia, lo hacen un sistema débil y poco flexible. En base a lo anterior, este trabajo se enfoca en estudiar la estabilidad de frecuencia del SING proyectado al 2020 frente a distintos escenarios de penetración fotovoltaica. Además se incluye un método de incorporación de respuesta inercial mediante control de conversor, el cual permite a los generadores solares participar con respuesta inercial frente a contingencias. El método utilizado consiste en realizar una operación deloaded de la central fotovoltaica y luego un control droop de manera que su generación de potencia activa sea sensible a cambios en la frecuencia del sistema. Se realiza un estudio comparativo para tres niveles de penetración fotovoltaica mediante el software DigSILENT. Para esto se modeló el sistema y cada uno de sus componentes, además de las centrales fotovoltaicas y el control antes mencionado. Los resultados obtenidos muestran una notable mejora del desempeño del sistema al incluir el control desarrollado en todos los escenarios. En particular para el caso de mayor penetración se observa una mejora de un 30% para los indicadores evaluados, en comparación al caso sin respuesta inercial por parte de las centrales fotovoltaicas. La mejora que significa la incorporación del control disminuye conforme la penetración es menor. Se observa como la respuesta de parte de estas centrales es más rápida que las convencionales, lo que adelanta la respuesta del sistema en el tiempo. Las simulaciones muestran, a su vez, que el sistema está bien preparado para recibir una penetración pequeña (8%) de este tipo de energía sin incluir controles ni métodos de incorporación de respuesta inercial.