Capacidades en el área de energía renovable

En un país dependiente energéticamente como el nuestro, las energías renovables no convencionales no sólo son una opción, sino una urgencia a mediano plazo.

Chile tiene una matriz energética dependiente de recursos no renovables, que provienen en su mayor parte de provincias externas, y en las energías primarias un valor cercano al 65% corresponde a hidrocarburo con alrededor de un 40% de petróleo puro y el resto de gas natural. Si nuestro país aspira a tener un desarrollo sustentable se debe alcanzar un equilibrio entre los recursos energéticos renovables y no renovables.

Las energías renovables se caracterizan porque son fuentes de energía que, de manera natural y periódica, se ponen a disposición del hombre; es decir, se renuevan continuamente en contraposición con los combustibles fósiles que se extinguen en un período de tiempo más o menos largo.

Los últimos acontecimientos señalan que es un tema prioritario apuntar a la diversificación de la matriz energética con la participación de las energías renovables, en donde el uso de biocombustibles, de la energía eólica y de la solar parecen muy buenas opciones.

El director de Investigación, Jaime Baeza, explica que aunque el impulso a estos cambios debe venir del mundo de las políticas públicas, la base debe estar en un planteamiento científico y técnico potenciando grupos de investigación que permitan crear las condiciones para realizar la necesaria transferencia tecnológica de acuerdo a las necesidades del país.

En nuestra Universidad las capacidades en el área de energía renovable quedan demostradas en la existencia de múltiples grupos de trabajo que se desempeñan en los distintos tipos de energía: eólica, solar, hidroeléctrica y biomasa.[subir]

ENERGÍA EÓLICA

PROSPECCIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS DE VIENTO

Se cuenta con una torre de 40m de altura equipada con anemómetros a tres alturas los que registran datos de dirección, velocidad de viento y temperatura cada 15 segundos. Los datos recopilados son utilizados para determinar la potencia eólica disponible a diferentes alturas.

De esta forma es posible cuantificar el efecto que tiene la rugosidad del terreno en el perfil de velocidades de viento. La potencia eólica medida es contrastada con la generación de potencia eléctrica de turbinas eólicas, de modo de determinar la eficiencia con que trabajan los generadores electro eólicos. Por otra parte las series temporales de velocidad de viento están siendo utilizadas para alimentar programas que simulan el comportamiento de turbinas y sistemas de bombeo eólicos, lo que permite estudiar topologías eficientes para los sistemas eólicos de baja potencia.

Otro aspecto que está bajo estudio es el efecto que tiene el período de integración de datos de viento en la estimación del recurso eólico disponible. Esta información es vital para determinar la capacidad de memoria que deben poseer los sistemas de adquisición de velocidades de viento en lugares remotos donde el acceso para la recuperación de datos medidos resulta oneroso.

GENERACIÓN Y CONTROL

El trabajo desarrollado por esta área se orienta al diseño, construcción y control de máquinas eléctricas que utilizan imanes permanentes para su excitación.

Para ello se hace uso extensivo de herramientas de alto nivel asociadas a métodos numéricos, métodos de optimización y procesamiento digital de señales.

BOMBEO EÓLICO

Las actividades de investigación que se desarrollan en esta área están orientadas a determinar tipologías de sistemas de bombeo eficiente considerando la tecnología disponible en el mercado nacional e internacional y, de ser necesario, el desarrollo de nueva tecnología.

La investigación contempla medir la eficiencia de conversión energética con que trabajan turbinas eólicas y bombas de agua de diferentes características en sistemas de bombeo de bajo caudal. Para tal fin se está utilizando una estación de monitoreo de velocidad de viento y variables eléctricas actualmente en operación en el campus Chillán. Con la información obtenida en este proceso se está determinando el rendimiento de los equipos bajo diferentes condiciones ambientales.

Por otra parte se están desarrollando modelos matemáticos, para simular el funcionamiento de los sistemas de bombeo, los que están basados en las ecuaciones electromecánicas que gobiernan las componentes de los sistemas de bombeo. El rendimiento medido se utilizará para validar los modelos matemáticos logrados, con los que se dará lugar a programas computacionales que permitirán simular los sistemas cuando son alimentados con valores promedios horarios de variables meteorológicas además de las condiciones hidráulicas del bombeo.

ESTRUCTURA Y AERODINÁMICA

Los laboratorios de la carrera de Ingeniería Civil Aeroespacial (creada en 2002) están equipados para realizar trabajos de fabricación de piezas y partes en fibra de vidrio/carbono usando la tecnología de infusión por vacío, método que minimiza la influencia del operador en el proceso de fabricación.

Existen túneles de viento y equipo de medición para realizar ensayos aerodinámicos (hilo caliente CTA, 2D Laser Doppler Velocimeter). Se dispone de múltiples licencias de software de CFD (FLUENT), diseño mecánico (CATIA, IDEAS) y análisis FEM (SAMCEF) y existe amplia experiencia en el uso de software para el diseño aerodinámico (XFOIL, AVL).

El departamento de Ingeniería Mecánica además se destaca por su amplia experiencia en el área de análisis de vibraciones, el mantenimiento predictivo y el análisis y predicción de fallas.

PARQUES E INTEGRACIÓN DE REDES

Esta área se ha especializado en el análisis de la viabilidad técnica y económica de conexión de parques a los Sistemas Interconectados Chilenos y en posibles aplicaciones en grandes sistemas industriales.

Dentro de los trabajos más relevantes llevados a cabo se encuentran impacto en los precios, viabilidad de evacuación -puesto que el sistema de transmisión chileno se encuentra bastante saturado, la determinación técnica de evacuación de la energía de parques de hace imperiosa; con especial énfasis en zonas donde el flujo es en el mismo sentido-, seguridad de suministro -mantener los estándares definidos por la autoridad competente son primordiales a la hora de interconectar un parque y posibles reducciones, debido a disminuciones en los índices, en la generación deben considerarse-, mercado y legislación -Controversias o convergencias legislativas y posibles formas de comercialización son las actividades más activas puesto que pueden finalmente retrasar o inviabilizar el proyecto desde el punto de vista económico-.

LABORATORIO DE CERTIFICACIÓN EÓLICA

Este laboratorio esta enmarcado en el proyecto Chile: remoción de barreras para electrificación rural con energías renovables que lleva a cabo la Comisión Nacional de Energía; iniciativa que persigue desarrollar un programa de electrificación de viviendas rurales en Chile, sobre la base del desarrollo e implementación de Energías Renovables No Convencionales (ERNC), contemplando para ello como objetivos fundamentales: la remoción de las barreras que impiden en la actualidad la utilización de ERNC; la generación en Chile de condiciones para el desarrollo de un mercado estable y de escala suficiente para las ERNC, que permitan el crecimiento sostenido de éstas en el futuro;.el desarrollo de una serie de actividades que permitirán la disminución en las emisiones de los gases de efecto invernadero producidos por fuentes energéticas en áreas rurales.[subir]

ENERGÍA SOLAR

PROSPECCIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS

Se cuenta con dos estaciones de radiación, de las cuales una se encuentra instalada en las dependencias de la Universidad de Concepción, campus Chillán, y la otra está destinada para su instalación en el predio experimental de la facultad de Ingeniería Agrícola, en las cercanías de la ciudad de San Carlos, VIII región.

Cada estación cuenta con un piranómetro o sensor de radiación global, de marca Apogee y un sensor de radiación UV-A marca SKY modelo 420. La adquisición de datos se realiza con un logger HL20 con capacidad de almacenamiento de 16.000 datos.

Datos de radiación solar son utilizados para estimación del recurso solar con fines de optimización de sistemas fotovoltaicos para el bombeo de agua. Por otra parte series temporales de radiación solar son utilizadas para alimentar programas de simulación de módulos fotovoltaicos los que permiten determinar y mejorar la eficiencia con que trabajan los sistemas fotovoltaicos.

Otra aplicación de los datos obtenidos es la generación de modelos que permiten estimar radiación UV-A a partir de datos de radiación global. La radiación UV-A se está utilizando para el tratamiento de aguas de riego mediante fotocatálisis.

FOTOVOLTAICA Y ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Entre los objetivos de este grupo de trabajo se encuentran investigación y desarrollo de convertidores estáticos de alta densidad de potencia; aplicaciones a centrales de energía eléctrica renovable: fotovoltaicas, eólicas e hidráulicas.

Las actividades principales son diseño y evaluación de convertidores estáticos; control digital de inversores y reguladores de potencia (microcontroladores y DSP); algoritmos de control para maximizar potencia; programas de simulación y sistemas de monitoreo, y almacenamiento de energía.

TERMOSOLAR

El área de trabajo de este grupo es el uso de la energía solar en la generación de energía eléctrica y calor a proceso.

Para ello establece relaciones con Energías Renovables del Bío-Bío S.A (EnerBío SA) y empresas de minería del norte de Chile.

CONVERSIÓN SOLAR TÉRMICA– SISTEMAS ACTIVOS

Paralelo a la arquitectura solar se ha venido desarrollando una línea orientada a la conversión térmica solar. Inicialmente se basó en el diseño de sistemas activos de aprovechamiento solar y, posteriormente, se ha venido desarrollando el tema del diseño de estos equipos. Además, se han trabajado Bombas de Calor como medio de calefacción eficiente y poco contaminante, y se ha estudiado la bomba de calor geotérmica, para aprovechar esta energía renovable.

Frente a la crisis vivida en este último tiempo se ha realizado una serie de acciones tendientes a estudiar sistemas de generación de energía eléctrica a partir principalmente de energía solar, pero también de otras como la geotérmica.

En el futuro, se espera continuar con el desarrollo de las diferentes aplicaciones de la energía solar, principalmente en los ámbitos de: exploración del recurso, modelaciones climáticas y sistemas de conversión Solar–Térmica incluyendo su relación con la bomba de calor. La conversión solar térmica se refiere tanto a consumo final de calor (calefacción, agua caliente sanitaria, calor industrial) como a la conversión Solar-Térmica-Eléctrica, basada principalmente en utilizar la energía solar mediante ciclos de Rankine con fluidos orgánicos.

BOMBEO SOLAR

Las actividades de investigación que se desarrollan en esta área están orientadas a determinar tipologías de sistemas de bombeo eficiente considerando la tecnología disponible en el mercado nacional e internacional.

La investigación contempla medir la eficiencia de conversión energética con que trabajan módulos fotovoltaicos y bombas de agua de diferentes características en sistemas de bombeo de bajo caudal. Para tal fin se está utilizando una estación de monitoreo de radiación solar y variables eléctricas actualmente en operación en el campus Chillán. Con la información obtenida en este proceso se está determinando el rendimiento de tales equipos bajo diferentes condiciones ambientales que alimentan los mismos.

Por otra parte se están desarrollando modelos matemáticos, para simular el funcionamiento de los sistemas de bombeo. Estos modelos están basados en las ecuaciones electromecánicas que gobiernan las componentes de los sistemas de bombeo. El rendimiento medido de las componentes y sistemas se utilizarán para validar los modelos matemáticos obtenidos. Los modelos desarrollados darán lugar a programas computacionales que permitirán simular los sistemas cuando son alimentados con valores promedios horarios de variables meteorológicas además de las condiciones hidráulicas del bombeo.

ARQUITECTURA SOLAR

El departamento de Ingeniería Mecánica inició su interés en la energía solar aplicada hace más de 30 años. Desde esa fecha, se han venido realizando diferentes actividades en el tema, primero relacionados con la simulación de edificios para determinar las capacidades de los equipos de calefacción y aire acondicionado, pero luego fue derivando a la simulación térmica de edificios y arquitectura sustentable y bioclimática. En el futuro se espera continuar con el desarrollo de las diferentes aplicaciones de la energía solar, que permitan optimizar el confort en las construcciones con un mínimo consumo de energía.[subir]

BIOCOMBUSTIBLE

BIOETANOL

Las líneas de investigación desarrolladas por este grupo son análisis y evaluación de recursos agrícolas y forestales como materias primas para la producción de bioetanol; procesos de hidrólisis ácida, organosolvente y enzimática; procesos de sacarificación y fermentación simultánea (SFS): selección de microorganismos adaptados al proceso de hidrólisis (tolerancia a temperaturas y a concentraciones altas de etanol); inmovilización de células en nanopartículas; inmovilización de levaduras en macro partículas para procesos de fermentación; obtención de subproductos de la producción de bioetanol de lignocelulósicos (biorrefinería), y generación de una red entre las universidades y el sector productivo.

BIODIESEL

El biodiesel ha recibido gran atención debido a que se trata de un combustible renovable, biodegradable y que genera menos emisiones tóxicas que el petrodiesel. El biodiesel se prepara mediante transesterificación de aceites (triglicéridos) con alcohol, reacción catalizada por álcalis. Estos aceites pueden ser obtenidos de semillas de plantas oleaginosas, de grasa animal y de aceite de desecho doméstico; sin embargo, estas fuentes son incapaces de satisfacer una fracción significativa de la demanda global de combustibles.

Una posible fuente de material biológico para la producción de biodiesel son las microalgas, las que han sido sugeridas como una excelente alternativa para la producción de biodiesel debido a su mayor eficiencia fotosintética, mayor producción de biomasa y crecimiento más rápido comparadas con cultivos de plantas oleaginosas. Por otro lado, el cultivo masivo de microalgas se puede llevar a cabo en zonas desérticas por lo que no compite por los recursos destinados a la agricultura tradicional.

El grupo de investigación en microalgas del Centro de Biotecnología ha iniciado una línea de investigación en torno a la búsqueda, selección y mejoramiento genético de cepas nativas oleaginosas para la producción de biodiesel, en el convencimiento de que la producción de biodiesel a partir de microalgas depende del desarrollo de investigación básica que conduzca a alcanzar costos de producción competitivos con los del biodiesel obtenido a partir de plantas de semillas oleaginosas.

GASIFICACIÓN/COMBUSTIÓN Y CATALIZADORES DE BIOMASA (ASERRÍN)

Se estudia la gasificación de biomasa, así como también la co-combustión de mezclas biomasacarbón, alternativa que permite la sustitución de hasta un 20% de carbón en los sistemas de combustión de carbón pulverizados ampliamente utilizados en la generación eléctrica. Como biomasa, hasta la fecha, se han utilizado desechos de la industria forestal (aserrín).

Las ventajas de la biomasa son especialmente medioambientales debido a los menores contenidos de cenizas y azufre, responsable de la lluvia ácida, y a la característica de neutralidad en cuanto a emisiones de CO2, que se ha otorgado a los materiales de origen vegetal.

El enfoque de los estudios es de carácter fundamental mediante trabajo en reactores de laboratorio que permiten la cuantificación de parámetros operacionales como conversión, rendimientos, composición de gases y parámetros cinéticos. Se dispone además de infraestructura necesaria para la caracterización (poder calorífico, análisis inmediato, elemental, azufre, etc.).

En otra línea, carbón y biomasa son utilizados como materiales precursores para la preparación de catalizadores de bajo costo, útiles en reacciones químicas relevantes para la sustentabilidad ambiental de la combustión de materiales fósiles, como combustión de hollín y reducción de NOx.[subir]

HIDROELÉCTRICA

HIDROELÉCTRICA CONVENCIONAL

Las hidroeléctricas son una forma económica, confiable y eficiente de generar energía. El impacto ambiental de esta fuente de energía generalmente se asocia a las grandes centrales que utilizan represas para almacenar agua, las que inundan tierras y modifican o destruyen los ecosistemas originales. Sin embargo, a una escala menor, el impacto ambiental es mínimo.

Es este el caso de las Mini y Micro Centrales Hidroeléctricas utilizadas en la electrificación rural de sectores cordilleranos. Debido a que no emite gases efecto invernadero durante su operación, este tipo de energía renovable (a cualquier escala) contribuye a solucionar el problema del calentamiento global. En el caso de Chile, las hidroeléctricas contribuyen con aproximadamente 4.800 MW de potencia instalada, representando alrededor de un 40% de la potencia total instalada. Su gran importancia y viabilidad se ve reflejada en los US$ 1.200 millones de inversión para el periodo 2007 – 2012, donde se tiene previsto aumentar en 1.400 MW la potencia hidráulica instalada, este aumento representará un 30% de la capacidad total actual. Este tipo de generación permite entregar energía limpia, eficiente, y en lugares aislados.

MICRO - CENTRALES

El desarrollo de equipamiento para la generación y control de la energía eléctrica a partir de micro-centrales hidráulicas es el principal objetivo de investigación de esta área. Para ello se trabaja en la construcción de prototipos de generadores con imanes permanentes, así como los circuitos de control asociados que permitan obtener energía limpia con máxima eficiencia del sistema.[subir]