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Assessment of the impact of wind–solar temporal energy complementarity on the design of stand-alone hybrid renewable energy systems with storage using artificial intelligence.
(Universidad de Concepción, 2025) Muñoz Pincheira, José Luis Alfredo; Sanhueza Gómez, Felipe Abner; Salazar Silva, Lautaro
The transition towards a 100% renewable energy matrix faces significant technical challenges, primarily due to the variability of solar and wind resources and their high geographic concentration. These characteristics have led to problems in centralized power systems, such as transmission network congestion and forced energy curtailment, which undermine the efficiency and economic viability of renewable projects. This thesis addresses this issue through two complementary studies. The first study analyzes the temporal complementarity between solar and wind energy in Chile, using hourly data from 2004 to 2016 across 176 locations. Using Spearman’s rank correlation coefficient, four zones with different levels of energy synergy were identified: positive (A1), negative (A2 and B), and neutral (C). This classification enabled the construction of a strategic map to locate more efficient hybrid systems with lower storage requirements. The second study incorporates these findings into an optimization model for the design of stand-alone Hybrid Renewable Energy Systems (HRES), consisting of solar panels, wind turbines, and batteries. The model, implemented in GNU Octave, uses genetic algorithms to simulate optimal configurations under different levels of complementarity and demand profiles (constant and variable). Key performance metrics are evaluated, including Net Present Cost (NPC), Levelized Cost of Energy (LCOE), and Loss of Power Supply Probability (LPSP). The results show that higher complementarity reduces costs, storage size, and simplifies system design, particularly under high continuity requirements (low LPSP). It is concluded that explicitly considering temporal complementarity improves the technical and economic performance of off-grid HRES and strengthens local energy resilience. Furthermore, promoting distributed generation in areas with high solar-wind complementarity supports energy system decentralization, reducing pressure on transmission networks and mitigating renewable energy curtailment. The thesis therefore proposes incorporating this metric as a key criterion in territorial energy planning to guide investments towards more sustainable, resilient, and cost-effective configurations.
Bifunctional acid-metal catalysts for producing cymene from waste tyre pyrolysis.
(Universidad de Concepción, 2025) Poblete Matthies, Jorge Eduardo; Arteaga Pérez, Luis Ernesto; Jiménez Concepción, Romel Mario
Los neumáticos fuera de uso provenientes de camiones mineros (MTWT por sus siglas en inglés) son residuos prioritarios para la Ley de Responsabilidad Extendida del Productor (Ley REP 20.920) en Chile. Su elevada tasa de generación anual (>40.000 ton), su lenta degradación y la ausencia de rutas consolidadas de valorización han impulsado el interés por integrarlos en esquemas circulares de producción. En este contexto, la pirólisis destaca como una alternativa eficaz para fraccionar los MTWT en sólidos, gases y líquidos con potencial valor comercial. En particular, el líquido pirolítico es una mezcla compleja de hidrocarburos con aplicaciones como combustible, solvente o aditivo para asfaltos y otras aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, su naturaleza multicomponente requiere procesos de mejoramiento para dirigir la selectividad hacia compuestos de mayor valor, como d,l-limoneno, p-cimeno o monoaromáticos. Esta investigación doctoral estudió el rol de catalizadores bifuncionales Pd/ZrO2-TiO2 en la generación de p-cimeno a partir del limoneno pirolítico derivado de MTWT. En una primera etapa, se estudió la pirólisis no catalítica de MTWT en un sistema de micro-pirólisis (CDS 5200 Pyroprobe), desarrollando un modelo cinético mecanístico formulado bajo un esquema de reactor batch. El modelo, validado fisicoquímicamente, describió la formación de limoneno mediante rupturas homolíticas C–C del caucho natural, seguida de ciclización intramolecular y reacciones tipo Diels–Alder entre unidades de isopreno, así como su conversión secundaria a mayores temperaturas. Este análisis permitió predecir la composición de limoneno en los vapores alimentados al reactor catalítico y controlar las condiciones de reacción. Con la alimentación definida, se sintetizaron y caracterizaron soportes ácidos basados en TiO2 modificados con distintas cargas de ZrO2. La incorporación de circonia permitió modular la densidad y la fuerza de los sitios ácidos, manteniendo la predominancia de acidez Lewis en los soportes. Esta modulación se reflejó en una actividad intrínseca hacia la transformación del limoneno pirolítico a p-cimeno. Posteriormente, se impregnó Pd sobre TiO2 y sobre el óxido mixto ZrO2-TiO2; este último mostró mayor rendimiento a p-cimeno. La adición de Pd permitió un efecto bifuncional en el cual la isomerización mediada por los sitios ácidos y la deshidrogenación promovida por el metal actuaron de manera sinérgica, para dirigir las rutas de reacción hacia mayor selectividad a p-cimeno. La conversión catalítica de vapores ricos en limoneno desde la pirólisis de caucho natural se evaluó en un sistema de micro-pirólisis en tándem (Rx-3050TR). Los resultados mostraron que los soportes con acidez Lewis débil maximizan la formación de p-cimeno, en coherencia con el principio de Sabatier, mientras que la presencia de Pd intensificó este comportamiento y favoreció rutas de deshidrogenación. El modelo cinético tipo Langmuir– Hinshelwood desarrollado reprodujo las tendencias experimentales y capturó tanto los efectos de competitividad adsorptiva, propia de mezclas pirolíticas, como la cooperación metal–ácido. Esta tesis establece un marco mecanístico y cinético que vincula la formación no catalítica de limoneno pirolítico con su posterior valorización catalítica hacia p-cimeno, aportando fundamentos para el diseño y escalamiento de procesos de valorización termoquímica de neumáticos mineros fuera de uso en esquemas circulares y sostenibles.
Desarrollo de nuevas métricas radiométricas para la estimación de la temperatura de la llama y el poder calorífico en la combustión de pellets con variabilidad de humedad, y su relación con la emisión de material particulado.
(Universidad de Concepción, 2025) Castillo Rivera, Fernando Antonio; Sbárbaro Hofer, Daniel Gerónimo; Garcés Hernández, Hugo Omar
La combustión de pellets de biomasa presenta variaciones relevantes en rendimiento energético y emisiones, dominadas por la calidad del combustible y, en particular, por su contenido de humedad, lo que motiva el desarrollo de metodologías ópticas de monitoreo rápido, no intrusivo y de bajo costo. En esta tesis se plantea y valida la hipótesis de que la información radiométrica contenida en los espectros de emisión de la llama permite estimar variables térmicas y energéticas del proceso, habilitando la comparación objetiva entre marcas/condiciones de pellet y el análisis de su vínculo con emisiones particuladas. En primer lugar, se definen y proponen variables radiométricas para caracterizar la combustión, incluyendo la radiación continua total (TCR), la energía continua total (TCE), la emisividad, el Poder Calorífico óptico (OCP), la temperatura, y las intensidades de Na (589.4 nm) y K (766.5–770.1 nm) como trazadores alcalinos. Luego, se registraron espectros VIS–NIR (450–900 nm) durante la combustión controlada de cinco tipos de pellet bajo distintas humedades (aprox. 5–15%), permitiendo estimar dichas variables de manera consistente a lo largo del ciclo de combustión. Las métricas radiométricas, en particular el OCP, permiten categorizar el desempeño energético de las condiciones ensayadas, lo que se confirma mediante su alta asociación con el poder calorífico neto medido (HOC) (r ≈ 0,95). Paralelamente, el aumento de humedad elevó las concentraciones de PM2,5 y PM10, y se observó una correlación negativa moderada entre TCR/OCP y estas métricas (r ≈ −0,58), conectando cuantitativamente el deterioro radiométrico con el impacto ambiental. Sobre esta base, se estimó el poder calorífico mediante regresión lineal respecto de HOC y, adicionalmente, se aplicó regresión PLS utilizando los espectros adquiridos durante el periodo de combustión, alcanzando un desempeño global de predicción R2 global ≈ 0,85 y error medio absoluto < 4%. Finalmente, se implementó un esquema de sensado multiespectral de bajo costo mediante recuperación espectral de Maloney–Wandell, obteniendo mapas 2D de temperatura, TCR e intensidades alcalinas para monitorear la llama en el tiempo, aportando una herramienta práctica para el seguimiento y eventual control de procesos de combustión. En conjunto, la tesis consolida una metodología radiométrica y quimio-óptica para clasificar pellets según desempeño energético, humedad y su relación con las emisiones particuladas, con protección a monitoreo y optimización en sistemas reales.
Estudio de los efectos en la calidad del aire de grandes impactos globales al sistema energético: Un enfoque basado en imágenes satelitales y Machine Learning.
(Universidad de Concepción, 2025) Volke Oyarzun, Matias Iván; Sepúlveda Allende, Héctor Hito Andrés
La contaminación atmosférica en entornos urbanos, especialmente en megaciudades, está estrechamente vinculada al consumo energético basado en combustibles fósiles y constituye una de las principales amenazas para la salud y la sostenibilidad urbana. Esta tesis aborda la relación entre sistemas energéticos y calidad del aire a escala global, evaluando el impacto de crisis económicas y sanitarias en dióxido de nitrógeno (NO₂) y profundidad óptica de aerosoles (AOD) como proxi del material particulado fino mediante datos satelitales, indicadores energéticos y socioeconómicos, técnicas de aprendizaje automático y normalización meteorológica. Si bien existen múltiples estudios sobre la relación entre energía y contaminación atmosférica, la mayoría se centra en escalas locales o regionales y emplea datos de estaciones de monitoreo terrestre o modelos de transporte químico, los cuales no permiten analizar con precisión variaciones abruptas en la contaminación durante eventos excepcionales como crisis económicas, sanitarias o geopolíticas. En particular, no existe un análisis a gran escala que examine la relación entre el sistema energético y la calidad del aire en múltiples regiones del mundo. Por ello, esta tesis tiene como objetivo evaluar el impacto de eventos globales en la calidad del aire mediante modelos estadísticos basados en datos satelitales. Primero, a partir de observaciones del satélite Sentinel-5P (TROPOMI), se evaluó el efecto de las restricciones de movilidad durante la primera ola de la pandemia de COVID-19 (marzo–junio 2020) en 12 ciudades latinoamericanas. Se detectaron reducciones estadísticamente significativas de tropoNO₂ en Lima (-47,5%), Santiago (-36,1%), São Paulo (-27%) y Río de Janeiro (-23%). LA evidencia de los descensos significativos y simultáneos en las emisiones de las principales capitales de Latinoamérica, se presenta como evidencia de que esta reducción se debió a la menor movilidad urbana y no a factores meteorológicos. Posteriormente, mediante datos de OMI (2005–2020) y modelos de normalización meteorológica basados en machine learning, se cuantificaron las variaciones de tropoNO₂ en Santiago durante la crisis financiera 2008 2009 (-3%) y la pandemia 2020 (-27%). La correlación entre tropoNO₂ y variables energéticas fue positiva y significativa, aunque las luces nocturnas (NL) no mostraron patrones lineales consistentes. Para abordar esta limitación, se aplicaron métodos de Empirical Dynamic Modeling (EDM), revelando una relación causal no lineal y variable en el tiempo entre NL y tropoNO₂. Estos resultados muestran que eventos globales pueden inducir cambios temporales importantes en la calidad del aire, cuya magnitud y persistencia dependen de factores estructurales del sistema energético. En el último capítulo, Se analizaron 34 megaciudades (2005–2022) integrando datos satelitales de tropoNO₂ (OMI) y AOD (MODIS) con indicadores energéticos, socioeconómicos y de gobernanza ambiental. tropoNO₂ mostró correlaciones más fuertes y consistentes con intensidad energética (EI), consumo per cápita (PCEU) y consumo fósil (FFPEC) que la AOD. Mediante factorización de matrices no negativas (NMF) y agrupamiento jerárquico se identificaron tres patrones principales de respuesta ante crisis globales: i) Reducciones pronunciadas y sostenidas en contaminación, asociadas a alta eficiencia energética y estricta regulación ambiental (ej. París, Tokio, Nueva York): ii) Reducciones moderadas y rápida recuperación, con mejoras temporales influenciadas por limitaciones estructurales (ej. Santiago, Atenas, Bogotá); iii) Cambios mínimos o poco sostenidos, vinculados a alta intensidad energética y baja gobernanza ambiental (ej. Beijing, Moscú, Lagos). En AOD, las ciudades desarrolladas mostraron mayor estabilidad, mientras que las dependientes de biomasa o industria no regulada registraron alta variabilidad durante crisis. En conjunto, la tesis confirma que las crisis globales generan respuestas heterogéneas en la calidad del aire urbano, determinadas por las características energéticas, socioeconómicas y regulatorias de cada ciudad. El tropoNO₂, por su fuerte vínculo con actividades de combustión, es un indicador más sensible que la AOD para evaluar el impacto de estos eventos. La combinación de observaciones satelitales, normalización meteorológica y machine learning permite no solo cuantificar las variaciones en periodos de crisis, sino también clasificar ciudades según su resiliencia y capacidad de respuesta. Estos hallazgos aportan una base sólida para orientar políticas de transición energética, electrificación del transporte y fortalecimiento de la gobernanza ambiental, con el fin de mejorar la calidad del aire y la resiliencia urbana frente a futuros escenarios de disrupción global.
Impacto de la variabilidad climática y el cambio climático sobre el potencial eólico en América del Sur.
(Universidad de Concepción, 2025) Llompart Blanco, Ovidio; Sepúlveda Allende, Héctor Hito Andrés; Jacques Coper, Martin Sebastián
La energía eólica terrestre es una de las fuentes renovables con mayor participación en la matriz energética global. Sin embargo, las redes eléctricas están cada vez más expuestas a su variabilidad intrínseca. Este trabajo evalúa la influencia de diferentes patrones atmosféricos de gran escala sobre la variabilidad de la velocidad viento a 100m (WS100) y la densidad del potencial eólico (WPD) en América del Sur, y su impacto sobre la producción anual de energía (AEP) en el futuro. Se utilizaron datos de 14 modelos climáticos globales de CMIP6 y de reanálisis del ERA5 para el período histórico 1980 - 2014 y los períodos futuros 2030 – 2069 y 2070 – 2099 bajo el escenario SSP2-4.5. Se aplicó un análisis de funciones ortogonales empíricas (EOF) sobre WS100 en regiones seleccionadas y se calcularon las correlaciones con los principales patrones atmosféricos que influyen sobre el clima de la región. Se calcularon las variaciones de WPD con respecto al período histórico y se estimaron las diferencias futuras de AEP en las regiones más impactadas. Según nuestros resultados los principales cambios en WPD y AEP se concentran en dos regiones fundamentales: el nordeste de Brasil y la Patagonia. Encontramos que el Anticiclón del Atlántico Sur (SAA) es el principal modulador de WS100 sobre el nordeste de Brasil dado por una correlación positiva, por lo que el aumento en la intensidad del SAA provoca un aumento de WS100 en dicha región. Por otra parte, descubrimos un patrón al que denominamos Patrón Patagonia - Antártica (PAT), y que constituye el principal modulador de WS100 sobre la Patagonia, dado por una correlación negativa, por lo que la fase positiva del PAT provoca una disminución de WS100. Se prevé un aumento significativo de WPD de más del 30% para 2099 en el nordeste de Brasil, asociado principalmente a una tendencia positiva del SAA, mientras que se proyecta una disminución de hasta un -20% en la Patagonia asociada a una tendencia positiva en el PAT. Estos cambios equivalen a un aumento de AEP de hasta un 18% para 2069 y un 37,6% para 2099 en el nordeste de Brasil, mientras que en la Patagonia se proyecta una disminución de hasta un -33,6% para 2069 y un -33,8% para 2099. La principal contribución de este trabajo es que permite comprender los mecanismos atmosféricos que influyen en las variaciones a largo plazo de WPD y AEP. Esto es de gran relevancia para la industria eólica en la planificación del sistema y la evaluación de riesgos en proyectos eólicos actuales y futuros en América del Sur.
Multiphysics modeling of CO2 methanation in a monolithic reactor: dynamic responses to temporary H2 disturbances.
(Universidad de Concepción, 2025) Pérez Vilela, Douglas Enrique; García Carmona, Ximena Andrea
El tren de reactores de lecho fijo en serie, con enfriamiento intermedio entre etapas, es la tecnología utilizada actualmente para la metanación de CO2, aunque su implementación es compleja y costosa. Esta realidad ha incentivado la búsqueda de alternativas más eficientes y costo-efectivas. Entre estas los reactores de tipo monolito panal de abeja han generado gran interés y su estudio se ha incrementado de manera relevante en los últimos años. Por otro lado, si se utiliza H2 verde en esta reacción, su flujo experimentará fluctuaciones debido a la intermitencia de las energías renovables que lo generan. Con base en lo anterior, se propone en esta tesis evaluar la respuesta dinámica de un reactor monolítico de metanación de CO2, frente a perturbaciones en el flujo de H2. Para lograr el objetivo, se realizó en primer lugar una revisión bibliográfica de los estudios sobre el modelado de reactores de metanación de CO2. A continuación, se desarrolló un modelo matemático del reactor monolítico y se sugirieron estudios esenciales para su análisis. El modelo se empleó para analizar el comportamiento transitorio del reactor monolítico ante fluctuaciones en la carga de H2 según las condiciones de operación propuestas. A través de un estudio paramétrico se evaluaron los efectos de la actividad catalítica, el tipo de perturbación y el tamaño del equipo sobre la respuesta dinámica del reactor. Posteriormente, se llevó a cabo una evaluación dinámica-experimental del reactor monolítico ante un cambio repentino en la carga de H2. Estos resultados fueron esenciales para validar el modelo y comparar teóricamente la respuesta dinámica del monolito panal de abeja con la de un reactor de lecho fijo bajo distintas condiciones fluctuantes de carga de H2. La revisión de la literatura indicó que el modelo de escala completa, axialsimétrico, bidimensional, heterogéneo y transiente es adecuado para modelar el reactor monolítico de panal de abeja. El modelo formulado reveló que, al usar un catalizador de alta actividad como el Ru, el reactor muestra un comportamiento dinámico similar al observado cuando se utiliza un catalizador más convencional en base a Ni. Por otra parte, aunque se obtiene una mejor respuesta dinámica ante una fluctuación gradual (rampa) del flujo de H2, el monolito también responde adecuadamente a una perturbación repentina (escalón). Además, el tamaño del equipo influye significativamente en la tendencia no estacionaria del monolito ante cambios en el flujo de H2. La evaluación dinámico experimental, permitió validar el modelo matemático del reactor. La comparación con un reactor de lecho fijo, bajo las mismas condiciones de operación, tamaño de reactor y temperatura máxima, evidenció diferencias dinámicas entre el monolito y el lecho fijo en los casos de estudio seleccionados. Estas diferencias están relacionadas con las distintas cargas de catalizador y las estructuras internas de ambos equipos, evidenciándose en la mayoría de los casos que el monolito tiene mayor estabilidad dinámica ante fluctuaciones de la carga de H2 verde. Con base en los resultados obtenidos de las evaluaciones del monolito panal de abeja bajo régimen transiente, se concluye que este tipo de reactor muestra una respuesta dinámica favorable ante la fluctuación de la carga de H2 verde para diferentes condiciones de operación, demostrando ser incluso una alternativa tecnológica atractiva en contraste con el reactor de lecho fijo para la metanación de CO2.
On the prediction of thermodynamic and structural properties in systems of deep eutectic solvents by molecular modeling techniques.
(Universidad de Concepción, 2025) Cea Klapp, Esteban Alejandro; Garrido Acuña, José Matías; Canales, Roberto
La creciente demanda por alternativas sostenibles a los disolventes orgánicos convencionales ha incrementado el interés en los deep eutectic solvents (DES) debido a su baja toxicidad, biodegradabilidad y propiedades ajustables. Sin embargo, la comprensión integral de su comportamiento termodinámico y estructural —especialmente en presencia de cosolventes, aún es limitada. Esta tesis aborda esto mediante la integración de ecuaciones de estado de base molecular y simulaciones moleculares para predecir y analizar las propiedades de equilibrio de fases y de interfase de DES derivados de precursores verdes como cloruro de colina, betaína, glicoles y terpenos. Se evaluaron las capacidades predictivas de la ecuación de estado PC-SAFT para una amplia gama de mezclas de DES, evidenciando las limitaciones del enfoque tradicional de componente pseudo puro en sistemas donde ocurre una fuerte asociación cruzada con alcoholes. Se encontró que una estrategia de modelado basada en los componentes individuales permite una mejor representación de las propiedades termodinámicas en exceso y de los equilibrios de fases. Además, se implementó una nueva formulación de la teoría del gradiente de densidad (DGT) combinada con PC-SAFT para describir la tensión superficial utilizando únicamente un parámetro ajustado, lo que permitió analizar esta propiedad y el efecto del cosolvente. Las simulaciones de dinámica molecular (MD) se emplearon para obtener información a nivel molecular sobre los efectos del agua y de alcoholes de cadena corta en la estructura y propiedades de DES hidrofílicos. Estas simulaciones revelaron la competencia entre interacciones por enlaces de hidrógeno, dando lugar a una reorganización estructural del DES provocando cambios en densidad, viscosidad y tensión superficial. Paralelamente, se generaron datos experimentales originales para una serie de DES hidrofílicos, lo que permitió validar las predicciones teóricas y cubrir vacíos en la literatura, especialmente respecto al efecto del contenido de agua. Adicionalmente, el estudio se extendió a DES hidrofóbicos basados en mentol, timol y ácido octanoico para la extracción de alcohol furfurílico desde agua. Se midieron por primera vez datos de equilibrio líquido-líquido para estos sistemas. Tanto PC-SAFT como simulaciones de MD con modelos coarse-grained predijeron con éxito el comportamiento de fases, demostrando el potencial del marco propuesto para el diseño de procesos de separación basados en DES. En conjunto, este trabajo contribuye al avance de modelos termodinámicos predictivos aplicados a DES, ofreciendo herramientas para el diseño racional de disolventes sostenibles con aplicaciones industriales y medioambientales, en apoyo a una química más verde.

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