Tesis (Ingeniería Energética)

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Exploring the Potential of Concentrated Solar Power and Photovoltaic Hybrid Plants for Electricity Production
(2026-05-01) López Álvarez, José Antonio; Larrañeta, Miguel; Silva Pérez, Manuel Antonio; Ingeniería Energética; Junta de Andalucía
The increasing penetration of variable renewable energy sources and the volatility of electricity markets challenge the dispatchability and economic viability of conventional power plants. In this context, Concentrated Solar Power (CSP) plants with thermal energy storage offer inherent flexibility, but their competitiveness has been reduced by the rapid cost decline of photovoltaic (PV) technologies. This doctoral thesis investigates hybrid CSP–PV systems as a strategy to enhance the techno-economic performance of existing and projected CSP plants under realistic operational and market conditions. A dynamic simulation and optimization framework, ASDELSOL, is developed by combining detailed physical modeling in Modelica/OpenModelica with supervisory control and techno-economic evaluation in Python. The tool enables high-resolution co-simulation of hybrid CSP–PV plants, including thermal energy storage (TES), electric heaters (EH), auxiliary tanks, wind integration, and green hydrogen production via Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysis, capturing transient behavior and market-driven dispatch strategies. The thesis analyzes two complementary scenarios: newly built hybrid CSP systems and the retrofitting of existing CSP facilities. Results show that CSP–PV hybridization significantly improves capacity factor (CF) and reduces Levelized Cost of Energy (LCOE), particularly underprice-responsive operation. In retrofitted plants, optimized dispatch increases profitability by up to 50% compared to baseload operation. Electric heaters and auxiliary storage enhance operational flexibility and surplus-energy utilization, though their economic viability depends on capital costs and investment horizon. Integration with hydrogen production further expands system flexibility, revealing trade-offs between electricity and hydrogen-oriented designs. This thesis makes three main contributions: i) The development of ASDELSOL, a co-simulation framework that combines detailed component-level modeling in Modelica/OpenModelica with supervisory control and techno-economic assessment in Python for hybrid CSP–PV plants. (ii) The formulation and implementation of a predictive, market-oriented operating strategy based on day-type classification from solar indices and electricity price segmentation to schedule CSP dispatch, TES charging/discharging, and power-to-heat operation via electric heaters. (iii) A consistent techno-economic quantification of design and operational trade-offs across greenfield and retrofitting scenarios, including the impact of TES sizing, PV ratio, electric-heater capacity, auxiliary storage, and hydrogen integration on profitability and LCOE. Overall, hybrid CSP–PV systems operated under predictive, market-oriented strategies emerge as flexible and resilient energy hubs, capable of extending the lifetime and competitiveness of CSP assets in renewable-dominated power systems.
Optimisation of fast-ion confinement via externally-applied magnetic perturbations in the MAST-U tokamak
(2026-04-13) Velarde Gallardo, Lina; Chacartegui, Ricardo; Rivero Rodríguez, Juan Francisco; Ingeniería Energética; Ingeniería Mecánica y Fabricación
Nuclear fusion emerges as an ideal candidate to replace fossil fuels as baseload power. One of the leading options to achieve controlled fusion requires confining the fuel, at high-temperature and thus in the state of plasma, within a tokamak, where intense magnetic fields prevent the plasma from contacting the reactor walls, which would cause severe damage at fusion temperatures. However, instabilities like Edge Localised Modes (ELMs) can degrade the confinement of the highly-energetic particles (the fast ions) responsible for heating the plasma. While external Magnetic Perturbations (MPs) are used to mitigate these ELMs, they can also negatively affect fast-ion confinement. Understanding the underlying physics mechanisms and validating numerical models is therefore essential for predicting fast-ion behaviour and designing and operating future devices like ITER. One hypothesis to explain fast-ion transport and redistribution due to MPs is the Edge Resonant Transport Layer (ERTL), formulated in the conventional tokamak ASDEX Upgrade (AUG), which links enhanced fast-ion transport to resonances concentrated at the plasma edge. In this thesis, the effect of externally-applied MPs on fast-ion confinement has been investigated in the MAST Upgrade tokamak, the largest working spherical tokamak in the world. To this end, two diagnostic techniques have been employed: a Fast-Ion Loss Detector (FILD) and infrarred (IR) thermography. FILD is a probe that is inserted near the plasma, and is commonly employed in fusion devices to characterise fast-ion losses. Since the FILD diagnostic provides only local information about the fast-ion losses, in the region where the probe is inserted, this thesis proposes the use of IR cameras, that monitor a wider region of the tokamak wall, to complement the FILD local measurements. This combined method allows a more global understanding of the behaviour and deposition pattern of the fast-ion losses. In the first stage of this thesis, the commissioning of the FILD installed in MAST-U has been performed. To this end, the dependence of the FILD signal on its radial position has been investigated, showing that the optimum distance between the probe and the plasma (although dependent on the experimental scenario parameters) is around 10 cm. Furthermore, a clear effect of the magnetic field lines helicity on the FILD signal has been observed. To improve the capabilities of this diagnostic, a high-spatial-resolution camera has been installed in the MAST-U FILD within the context of this thesis. This new camera enables the characterisation of the velocity-space of the fast-ion losses measured by FILD (in terms of energy and orientation with respect to the magnetic field) in high-frequency ranges such as those of the ELMs. The experimental measurements have been compared against the predictions from the orbit-following code ASCOT. The results obtained have served to benchmark the use of ASCOT in spherical tokamaks in steady-state and toroidal symmetry conditions. Furthermore, this analysis has been applied to the first ELM-induced fast-ion losses measured in MAST-U. These results represent an important advancement to characterise and study fast-ion losses in spherical tokamaks. For the utilisation of IR thermography as a tool to monitor fast-ion losses, a framework has been developed in this thesis that enables the qualitative analysis of changes in the deposition pattern of the losses, and the quantification of the contribution of the fast ions to the heat flux estimated from the temperature measurements. This methodology, applied to the FILD surface facing the plasma, suggests that 80% of the heat flux reaching that surface comes from fast ions, highlighting the need to characterise and monitor this source of localised high-heat fluxes. The FILD measurements in scenarios with applied MPs show a clear dependence of the fast-ion losses on the different perturbation parameters: phase, spectrum and amplitude, plus on the velocity-space of the fast ions. This results are in line with the observations from ASDEX Upgrade, implying the first validation of the ERTL hypothesis in a spherical tokamak. The simulations performed with ASCOT do not fully reproduce such dependence, showing a 180° phase offset between simulated and experimental loss maxima. This phenomenon, similar to that observed in AUG, indicates a common limitation in the model / simulations. The qualitative method to monitor fast-ion losses via IR thermography has been applied to the experiments with MPs. The results indicate that the local FILD measurements, in terms of the configuration of the perturbation that optimises energetic-particle confinement, should not be treated as representative of their global behaviour: the IR data shows that, under several configurations, the applied perturbation leads to a redistribution of the fast-ion losses on the wall, and not necessarily to a global improvement or deterioration of the confinement. Thus, the combination of the FILD resolution in velocity-space with the global coverage of IR thermography stands as a key diagnostic methodology in magnetic confinement devices, not only for machine protection, but for the characterisation of the physics mechanisms behind fast-ion transport. Overall, the findings of this thesis represent substantial progress in the optimisation of fast-ion confinement under external magnetic perturbations. The strong dependence of the results on the different scenario and perturbation parameters highlights the critical need for robust, validated numerical models to predict energetic-particle behaviour across diverse scenarios. In this regard, the results presented here provide a fundamental basis for the design of control strategies in future fusion reactors, with the precision required for the successful realisation of fusion energy.
Theoretical and Experimental Analysis of Strategies to Improve the Performance of Transcritical CO2 Condensing Units for Low Temperature Refrigeration Applications
(2026-03-03) Ávila Gutiérrez, Miguel; Peris Pérez, Bernardo; Salmerón Lissén, José Manuel; Ingeniería Energética
This doctoral thesis investigates advanced strategies to enhance the performance of transcritical CO?refrigeration systems for low-temperature applications, a segment that remains particularly challenged under warm and temperate climate conditions. The work focuses on small- to medium-capacity systems based on two-stage compressors with vapor injection from a flash tank, which are widely adopted in commercial practice but still exhibit significant efficiency penalties during transcritical operation. The thesis begins with a comprehensive experimental characterization of a reference Flash-Tank Vapor Injection (FTVI) system. Particular emphasis is placed on the influence of refrigerant charge and phase separation behavior, demonstrating that flash-tank-based architectures can conceal undercharge conditions in commonly monitored variables while still suffering substantial losses in cooling capacity and coefficient of performance. This analysis establishes a rigorous experimental and methodological baseline, ensuring that subsequent comparisons of advanced configurations are not biased by hidden charge-related effects. Building upon this foundation, the work explores the integration of dedicated subcooling strategies as a means to reduce throttling losses and improve system efficiency. A semi-empirical assessment is conducted for a Dedicated Ejector Subcooling (DES) concept, in which compressor waste heat is recovered to drive a thermally activated ejector refrigeration subsystem. The results confirm that this approach enables the generation of significant subcooling with negligible auxiliary energy demand, translating almost directly into performance improvements comparable to those obtained with conventional mechanical subcooling. The core contribution of the thesis is the development, analysis, and experimental validation of the Ejector Subcooling Vapor Injection (ESVI) cycle. This novel configuration integrates a two-phase CO?ejector and a subcooler into the FTVI architecture, allowing the ejector to act as part of the expansion process while simultaneously providing subcooling upstream of the main throttling device. A detailed thermodynamic analysis demonstrates that the ESVI cycle yields increasing benefits under severe transcritical conditions and low evaporating temperatures. These predictions are subsequently validated through experimental testing on a purpose-built CO? prototype operating at evaporating temperatures down to ?40 °C. Experimental results confirm that the ESVI configuration achieves substantial liquid subcooling, leading to a pronounced reduction in flash-tank vapor quality and pressure, increased enthalpy lift across the evaporator, and measurable improvements in cooling capacity and coefficient of performance. Beyond the numerical gains, the thesis highlights the importance of critically interpreting discrepancies between modeling and experimental observations, emphasizing the role of prototype-level phenomena in advanced cycle implementations. Overall, the work demonstrates that ejector-based subcooling and vapor injection architectures constitute a technically viable and industrially compatible pathway to enhance the efficiency of transcritical CO? refrigeration systems for low-temperature applications.
Reverse Osmosis technology for Chilean mining: Assessment and innovative configurations
(2026-02-16) Montes Sánchez, Jesús; García Rodríguez, Lourdes; Sánchez Martínez, David Tomás; Ingeniería Energética
This research investigates the applicability and potential of reverse osmosis (RO) technologies to address the pressing water and energy demands of the Chilean mining sector, within the framework of the European REMIND project. The study aligns with global efforts to promote sustainable resource management by evaluating both conventional and innovative RO configurations for desalination, water reuse, and brine treatment in arid mining environments. A detailed contextual analysis of the Chilean mining landscape is conducted, considering the geographic, economic, and environmental factors that shape water availability and consumption patterns across small-, medium-, and large-scale operations. Particular emphasis is placed on seawater desalination via SWRO (Seawater Reverse Osmosis) as a viable alternative to conventional water sources, as well as its integration with renewable energy sources such as solar and wind power. The composition of mining effluents is characterized through a literature review and data analysis, laying the groundwork for membrane-based treatment strategies. Thermodynamic and transport models are then developed to assess the energy performance of SWRO systems under realistic operating conditions. A custom software tool is implemented to simulate various plant configurations, calculate membrane permeabilities, and estimate specific energy consumption (SEC) across different design scenarios. The study further explores hybrid configurations by coupling SWRO with Osmotically Assisted Reverse Osmosis (OARO), evaluating their theoretical potential to increase recovery rates while reducing pressure requirements and energy usage. To support theoretical findings, the work also includes the design and experimental assessment of a counter-current reverse osmosis (ccRO) system, tested on a laboratory-scale prototype. The experimental campaign investigates key performance indicators such as pressure drops, membrane permeability, and net driving pressure under various flow and salinity conditions. The combined outcomes of modeling, simulation, and experimentation offer a comprehensive perspective on the technical feasibility, energy efficiency, and scalability of advanced RO solutions tailored for the mining industry. This work ultimately aims to contribute to the sustainable development of water infrastructure in resource-constrained regions with high environmental sensitivity.
Exploiting renovation strategies, passive cooling and control systems for pleasant and efficient residential buildings
(2026-02-13) Monge Palma, Rafael; Álvarez Domínguez, Servando; Sánchez Ramos, José; Ingeniería Energética
Europe’s transition toward decarbonisation has highlighted the urgent need to renovate its ageing building stock, most of which predates modern building codes. In Spain, over 90% of buildings were constructed before the first EPBD (2002), with renovation rates remaining below 1%. The vulnerability of existing buildings is increasingly exposed by successive extreme weather events, particularly the growing frequency and intensity of heat waves. This PhD thesis establishes a coherent framework that connects the assessment of the current building stock with the development of resilient and intelligent solutions for future buildings. Beginning with a comprehensive evaluation of existing building energy profiles, the research identifies the impacts of upgrading the building stock and defines optimal renovation pathways under diverse constraints. Recognising that most residential buildings are naturally conditioned, the work assesses their thermal resilience before and after renovation, revealing that current building energy codes inadvertently produce buildings more prone to overheating. To address this issue and the limited effectiveness of natural ventilation-based cooling strategies, the thesis proposes an innovative passive cooling roof system that combines night ventilation and evaporative cooling to enhance cold storage in the building’s thermal mass and improve comfort in naturally conditioned spaces. The efficient operation of these nature-based solutions is achieved by analysing state-of-the-art building control strategies, evaluating commercial control systems, and developing a unified framework with a physical model and control architecture for a double-skin roof system. Together, these contributions create a methodological bridge from understanding the current state of the building stock to designing adaptable, resource-efficient, and intelligently controlled naturally conditioned buildings for the future.
Diseño y evaluación de refugios climáticos como soluciones multiescalares para la adaptabilidad y confort térmico en espacios urbanos exteriores
(2026-01) Montero Gutiérrez, Paz; Cerezo Narváez, Alberto; Sánchez Ramos, José; Ingeniería Energética
La tesis aborda la evaluación y diseño de refugios climáticos urbanos como una estrategia integral para la adaptabilidad térmica y el confort en espacios exteriores, en respuesta al incremento de las temperaturas y la intensificación de los episodios de calor en entornos urbanos. El trabajo se estructura en tres niveles de modelado multiescalar: distrito, cañón urbano y zonas de estancia, que permiten analizar de forma jerárquica los intercambios energéticos y radiativos entre la atmósfera, la geometría urbana y los usuarios. La metodología combina modelización teórica, simulación energética y verificación experimental, integrando además la percepción térmica de los usuarios mediante encuestas y el índice de confort COMFA. Los modelos desarrollados permiten caracterizar la influencia de la morfología urbana, la absortividad de los materiales y la orientación de las calles en la redistribución de la radiación y el comportamiento térmico de los espacios. Los resultados experimentales, obtenidos mediante estudio de refugios climáticos reales, permiten calibrar los modelos y validar su aplicabilidad en diferentes condiciones climáticas. Finalmente, la tesis propone refugios climáticos basados en criterios y pautas de diseño replicables, orientados a la reducción y mitigación de los efectos secundarios de la Isla de Calor Urbana, considerando soluciones pasivas y regenerativas. El enfoque multiescalar permite vincular procesos reales con la experiencia térmica de los usuarios, contribuyendo al diseño de ciudades más resilientes y adaptadas al clima futuro.
Integration and Thermo-Economic Optimisation of CO2-based Power Cycles for Concentrated Solar Power Plants
(2025-12-04) Rodríguez de Arriba, Pablo Enrique; Crespi, Francesco Maria; Sánchez Martínez, David Tomás; Ingeniería Energética
La descarbonización del sector eléctrico se ha convertido en una prioridad ante el crecimiento de la demanda global, la electrificación de nuevos sectores y el auge de aplicaciones intensivas en energía. Aunque existen tecnologías de generación baja en carbono, la transición energética requiere equilibrar sostenibilidad, asequibilidad y seguridad de suministro. La energía solar fotovoltaica y la eólica se han consolidado como pilares fundamentales, pero su carácter variable limita la fiabilidad del sistema, lo que pone de manifiesto la necesidad de tecnologías gestionables y de bajas emisiones. En este contexto, la energía termosolar de concentración (CSP) combina generación renovable y almacenamiento térmico, permitiendo una operación flexible con duraciones de almacenamiento medias. Sin embargo, sus elevados costes de inversión siguen siendo una barrera. Aumentar la eficiencia solar-eléctrica mediante temperaturas de operación más altas y ciclos de potencia avanzados constituye una vía efectiva para reducir costes. Los ciclos de CO2 supercrítico ofrecen un gran potencial por su alta eficiencia y compacidad, aunque su rendimiento se ve penalizado en emplazamientos con altas temperaturas ambientales, característicos de las plantas CSP. Esta tesis, desarrollada en el marco del proyecto europeo SCARABEUS (Horizon 2020), estudia el uso de mezclas de CO2 con fluidos dopantes como alternativa al CO2 puro para mejorar la eficiencia en condiciones realistas de operación. Estas mezclas elevan el punto crítico del fluido de trabajo, favoreciendo un funcionamiento más eficiente en climas cálidos. Se evaluaron tres dopantes (C6F6, TiCl4 y SO2) mediante análisis de Primer y Segundo Principio. Las configuraciones y composiciones óptimas —precompresión (85% CO2–15% C6F6), Rankine regenerativo (83% CO2–17% TiCl4) y recompresión (80% CO2–20% SO2)— alcanzan eficiencias térmicas y exergéticas del 51,6% y 75,3%, respectivamente, a una temperatura de entrada a la turbina de 700 °C, superiores a las obtenidas con CO2 puro. El ciclo transcrítico de recompresión con 80% CO2–20% SO2 se seleccionó como caso de referencia para los análisis fuera de diseño y la evaluación tecnoeconómica. Se llevó a cabo una optimización de dos conceptos CSP innovadores: SCARABEUS Generación I (sales fundidas, 550 °C) y Generación II (partículas sólidas, 700 °C), identificando el intercambiador principal de calor (mezcla-HTM) como el elemento de mayor contribución al CapEx. La minimización del LCoE mostró reducciones respecto al estado del arte moderadas en Gen I y superiores al 15% en Gen II (114,6 €/MWh). La optimización multiobjetivo LCoE–TPC confirmó mejoras simultáneas respecto al estado del arte: –4% en Gen I y –14,5% en Gen II. Finalmente, se optimizó la operación en el mercado diario español (2024) adoptando el Índice de Rentabilidad (PI) como indicador principal. La estrategia de dispatch optimisation aumentó la rentabilidad hasta un 29% frente a la operación en carga base, reduciendo el tamaño óptimo del campo solar y del sistema de almacenamiento térmico (TES). La integración de calentadores eléctricos conectados a red permitió operar como batería de Carnot, mejorando el PI en 1,8 puntos en Gen II. Los resultados evidencian el potencial de la CSP de nueva generación como tecnología gestionable y de bajas emisiones, por delante de otras tecnologías de almacenamiento, y destacan la necesidad de seguir reduciendo los costes del subsistema solar y de establecer mecanismos que valoren su capacidad de almacenamiento y flexibilidad. El autor agradece al Ministerio de Universidades de España el apoyo recibido a través del programa FPU (Formación de Profesorado Universitario), que financió su contrato mediante la beca FPU21/04892.
Identification of sustainable Adsorbents for Mercury Removal from gold mining Tailings
(2025-09-29) Sánchez Moreno, Hugo; García Rodríguez, Lourdes; Recalde Moreno, Celso; Ingeniería Energética; Ministerio de Ciencia e Innovación (MICIN). España; Agencia Estatal de Investigación. España
This doctoral research addresses the critical problem of mercury contamination in artisanal gold mining in Ecuador by developing sustainable adsorbents from local natural resources. The study presents three main innovations: (1) functionalized cabuya fibers (Agave americana L.) as adsorbent material, (2) cabuya fibers impregnated with magnetite nanoparticles, and (3) green synthesis of magnetite nanoparticles using chonta palm extract (Bactris gasipaes)—both approaches reported for the first time in scientific literature for this application. The research evaluated the effectiveness of these materials in removing Hg(II), demonstrating promising results in both synthetic samples and real wastewater from mining processing plants in Zaruma (Virgen de las Nieves and Hermanos Granda). The findings highlight the potential of these biomaterials for environmental remediation applications, offering a viable, eco-friendly, and low-cost technical solution to mitigate heavy metal contamination in artisanal mining contexts. This work sets an important precedent by combining traditional knowledge with advanced nanotechnology, proposing sustainable alternatives aligned with circular economy principles and opening new research avenues in the field of bioremediation.
Contribución al almacenamiento de energía termoquímica basado en combustibles renovables
(2025-04-23) Rodríguez Pastor, Diego Antonio; Chacartegui, Ricardo; Soltero Sánchez, Víctor Manuel; Ingeniería Energética; Ingeniería del Diseño
Eventos de gran relevancia de índole ambiental, social y geopolítica han generado gran inestabilidad en el sector energético. La búsqueda de combustibles limpios y sintetizables a partir de materias primas abundantes y económicas, es vital en regiones dependientes de combustibles convencionales. En este contexto, diversificar la matriz energética reduce la vulnerabilidad en el suministro. La Unión Europea, a través del plan REPowerEU, tiene como objetivo la producción de 10 millones de toneladas de combustible de origen no biológico en 2030. El metanol y el amoniaco verde destacan por una logística y almacenamiento más atractivo que el hidrógeno renovable en su forma gaseosa. La dificultad de la electrificación del sector industrial hacia su descarbonización se aborda en la tesis a partir de la captura y almacenamiento del CO2 que generan. A través de su hidrogenación con hidrógeno verde solar, se estima que existe un potencial de producción rentable de e-metanol de 5 millones de toneladas anuales en Europa, con una inversión de 700 mil millones de euros y TIR30 superiores al 10%, reduciendo 7,7 millones de toneladas de CO2 al año; las predicciones obtenidas alcanzarían los objetivos del plan REPowerEU, pero obligarían a la modificación del parque industrial para su operación con el alcohol. En consecuencia, se estudian nuevas configuraciones de conversión de metanol hacia combustibles como el gas natural y el DME, combinando pares de reacciones que permitan el almacenamiento termoquímico de energía. Esta tesis presenta novedosas integraciones termoquímicas, de gran flexibilidad y adaptables en un amplio rango de aplicaciones. Para la producción de potencia en turbinas de gas o para la industria química, se obtiene gas natural sintético mediante la descomposición térmica de metanol a syngas con energía solar concentrada, y la metanación de syngas en la descarga. El metanol líquido, con mayor densidad energética volumétrica que otros gases, reduce los costes de transporte y almacenamiento, alcanzando valores competitivos de 135 €/MWh. En función de la materia prima, se obtienen costes de gas natural sintético entre 124-254 €/MWh para biometanol y 162-329 €/MWh para e-metanol. El concepto se extiende a un ciclo de almacenamiento cerrado Metanol-Metanol para su aplicación en redes de calor en el sector residencial. En España, se estima que este sistema es de gran interés para la calefacción de 458 municipios rurales analizados. Para aplicaciones industriales, se propone la conversión de metanol en DME a través de su paso intermedio a syngas, aplicable en el rango de temperaturas de recuperación de calor de industrias intensivas. Este concepto permite la co-producción de DME para su venta directa o la generación de electricidad en ciclo cerrado. Se proponen dos nuevas rutas para el almacenamiento termoquímico basado en metanol a DME, obteniendo un LCOE inferior a 270 €/MWh operando con un ciclo ORC recuperativo. La tesis aborda las principales reacciones de conversión del metanol hacia otros combustibles de interés, ya sea por su densidad energética, poder calorífico o su valor en la industria química. Alineados con la política energética europea y el paquete de medidas Objetivo 55, los sistemas propuestos hacen del metanol un vector energético estratégico, no sólo como portador de hidrógeno, sino capaz de ofrecer con sus enlaces químicos hasta más de 3500 horas de almacenamiento de energía solar al año en el sur de Europa, con costes un 45% inferiores a los de las sales fundidas y comparables con otras tecnologías implantadas (<150 €/MWh).
Procedimiento de desarrollo del gemelo digital asociado a técnicas de control climático de espacios abiertos mediante su caracterización térmica
(2025-02-25) Castro Medina, Daniel; Sánchez Ramos, José; Guerrero Delgado, María del Carmen; Ingeniería Energética
El cambio climático acompañado de un aumento y la intensificación de las olas de calor está provocando problemas en la salud, así como ausencia de vida en la calle tan característica de la región mediterránea. En el entorno urbano la problemática se agrava, con fenómenos como isla de calor y el calor antropogénico. Dentro de este contexto, es necesario repensar la trama urbana y crear espacios acondicionados mediante técnicas de control climático que permitan a los ciudadanos sentirse confortables desde un punto de vista térmico. Estos espacios o refugios climáticos son respetuosos con el medioambiente, por lo que las técnicas de acondicionamiento son soluciones basadas en la naturaleza y requieren gestión energética y optimización en el funcionamiento. La presente tesis desarrolla un procedimiento que permite la generación de un gemelo digital para una instalación de acondicionamiento y control climático en el entorno urbano. El gemelo digital consiste en una representación virtual de una entidad física que permite la simulación de la instalación de acondicionamiento bajo una serie de condiciones, dando lugar a una serie de escenarios óptimos de funcionamiento a futuro. Para ello, es necesario generar modelos de cada una de las tecnologías que conforman la instalación, mediante una caracterización iterativa de componentes y espacio, partiendo de un modelo teórico y evolucionando a uno híbrido o puramente experimental. El presente trabajo centra una parte en la generación y posterior evolución de los modelos correspondientes a las tecnologías presentes en el Urban Lab – Proyecto Cartuja Qanat. Por otro lado, estos modelos son alimentados por variables climáticas, por lo que se estudia la caracterización ambiental de estos espacios y las distintas fuentes de información climática. Por último, se presenta la aplicación, correspondiente al anfiteatro situado en La Cartuja, con la correspondiente ejecución de los modelos correspondientes a dicho espacio acondicionado y la obtención del pronóstico climático para ello.
Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas
(2025-02-20) Barragán Sánchez-Lanuza, Miguel; Lillo Bravo, Isidoro; Delgado Sánchez, José María; Ingeniería Energética; Física Aplicada I
El trabajo presentado se ha centrado en analizar el impacto que tiene el tratamiento de la radiación desde un punto de vista absoluto o espectral. Además, a partir de este conocimiento se han realizado estudios relativos a la introducción de elementos fotónicos en dispositivos fotovoltaicos convencionales a fin de modificar el espectro de la radiación solar con interés de mejorar la eficiencia de la aplicación objeto de estudio. Así, se han realizado estudios teóricos y experimentales considerando cristales fotónicos unidimensionales, recubrimientos luminiscentes y espejos metálicos para modificar, o bien la intensidad o bien el espectro, de la radiación solar que absorbe la célula solar. En general, se observa que el tratamiento espectral aporta una mejor resolución en las predicciones energéticas de los sistemas fotovoltaicos, al mismo tiempo que permite comprender cuáles son las fuentes de pérdida de energía y, por tanto, proponer acciones de mejora en sus diseños. Este aspecto es de interés actual en el desarrollo que están experimentando los sistemas agrovoltaicos, donde el tipo de suelo es un parámetro esencial para estimar la generación eléctrica en la cara trasera de los módulos fotovoltaicos bifaciales. Los recubrimientos luminiscentes aportan su capacidad para absorber cierto espectro de la radiación solar y reemitir dicha energía en longitudes de onda diferentes. Esto permite conseguir un mejor ajuste entre la energía del espectro solar incidente y la energía que una célula solar es capaz de absorber, la cual viene limitada principalmente por el bandgap de los semiconductores empleados. Además, este análisis energético enfocado en los recubrimientos luminiscentes puede ser de interés en otro tipo de aplicaciones como, por ejemplo, en las cubiertas de los invernaderos buscando optimizar los procesos fotosintéticos de las plantas. Por otro lado, los cristales fotónicos unidimensionales actúan como un espejo selectivo para ciertas longitudes de onda. Es decir, dependiendo de su diseño, permite actuar como reflector en una zona del espectro al mismo tiempo que es transparente para otra. Así, su integración en dispositivos fotovoltaicos propone mejoras en cuanto a eliminar radiación solar en longitudes de onda no aprovechables para el efecto fotoeléctrico pero que penalizan el rendimiento del dispositivo fotovoltaico por generar calor en su interior. Otra aplicación estudiada ha consistido en su uso como electrodo intermedio en dispositivos fotovoltaicos con estructura tándem, al ofrecer la funcionalidad doble de conductor eléctrico y separador de haces de luz. En todas estas aplicaciones, el conocimiento de la distribución espectral de las diferentes componentes que forman el espectro solar (radiación global, directa y difusa) es esencial. En la bibliografía existen diferentes modelos, pero no ocurre lo mismo con datos experimentales, y es que el uso de espectrorradiómetros para aplicaciones fotovoltaicas no está muy extendido. Las infraestructuras del grupo de investigación Termodinámica y Energías Renovables (GTER, TEP-122) de la Universidad de Sevilla dispone de la capacidad de medir estas componentes de la radiación, tanto en su forma absoluta como espectral, lo que ha sido un aspecto clave para la realización de este estudio de investigación.
Solar micro gas turbines driving innovative water treatment systems. Theoretical and experimental assessment
(2025-01-24) González-Almenara, Rafael; Sánchez Martínez, David Tomás; García Rodríguez, Lourdes; Ingeniería Energética
The doctoral research presented in this document has been carried out in the framework of the SOLMIDEFF project (Grant Agreement RTI2018-102196-B-I00), funded by the Ministry of Science and Innovation (Government of Spain). Based on the favourable results of previous works by the research group coordinated by the supervisors on the development of Solar micro Gas Turbines (SmGTs) for renewable electricity generation, the coupling of a solar micro gas turbine with an innovative water desalination system comprised of two components, is proposed. An advanced desalination unit based on Reverse Osmosis (RO) technology is driven by the electric power produced by the micro gas turbine. This RO unit produces fresh water and a brine with high concentration of salts, which is further treated in the second element of the bottoming system. A Zero Liquid Discharge (ZLD) unit driven by the waste heat available in the exhaust of the micro turbine (air at some 250-300°C) makes use of the sensible heat of this latter stream to concentrate the aqueous effluent of the RO unit until the complete evaporation of the solvent. In this work, the capacity and level of detail of computational tools for the design and analysis of components and systems based on micro-turbomachinery, previously developed at Univer-sity of Seville, have been enhanced. Firstly, given the variable availability of the solar resource, the feasibility of using variable geometry compressors and turbines to improve the off-design performance of the power generation unit has been assessed. In addition, scale effects on the compressor caused by the low Reynolds number, characteristic of very small turbomachinery, have been evaluated. Finally, the effect of heat transfer between the turbine and compressor was assessed, as this phenomenon has several negative effects on the performance of the system, including energy losses and changes in the nominal pressure ratio of the engine. Regarding the water treatment system, an experimental analysis of both subsystems was carried out. In the case of the RO unit, a Forward Osmosis (FO) membrane operating in an Osmotically Assisted Reverse Osmosis (OARO) process has been evaluated. This analysis con-stitutes the experimental assessment of a part of the complete desalination system, aiming to assess the transport equations commonly used in RO applied to OARO processes. The analysis was carried out under both steady-state and transient operating conditions, evaluating the system performance as well as membrane properties such as water and salt permeability. For the ZLD system, a proof-of-concept was carried out by bubbling exhaust gases through the brine from the RO unit until a dry residue was obtained. The manufacturing process of the system itself are described and the results of the test are discussed. The viability of the concept and its potential application for continuous operation has been demonstrated. Finally, after a thorough evaluation of each of the subsystems that constitute the concept proposed in this work, a comparative analysis has been developed between the SmGT-RO based system and similar systems powered by other renewable energy technologies. A reference was taken from a stand-alone installation that treats water from the copper mining industry in the Atacama Desert (Chile). The competitiveness of each technology was quantified in terms of the levelised cost of electricity (LCoE) and the levelised cost of water (LCoW), assuming certain economic conditions. This parametric analysis has revealed that the technology with the lowest LCoE is not necessarily the most competitive in terms of LCoW, as factors such as consistency of production throughout the year and installed capacity for the same annual energy production play an important role.
Metodología de certificación para edificios del sector terciario: sector sanitario
(2025-01-30) Cruces Lora, Manuel; Salmerón Lissén, José Manuel; Ingeniería Energética
El sector público de la sanidad, dado el tamaño de las inversiones que han de acometerse para la reforma necesaria de sus instalaciones, pone su foco en la financiación europea y la búsqueda de incentivos que posibiliten acometer las intervenciones, y en este ámbito, es preciso dotarse de mecanismos de justificación de las iniciativas que acrediten la bondad de las reformas practicadas. El criterio establecido habitualmente para dicha acreditación parte de la demostración de la mejora de la eficiencia energética de las soluciones propuestas, y en muchos casos, dado el auge y la aplicación que se ha llevado a cabo de la certificación y calificación energética de edificios, precisan del análisis de dichas soluciones para su valoración. La evolución sufrida en los procedimientos de certificación y calificación energética de la edificación existente en el sector residencial, no ha ido acompañada de un desarrollo similar en el sector terciario, dadas las peculiaridades de cada tipo de actividad terciaria, lo que dificulta establecer marcos de comparación entre edificios de dicho sector. La metodología de certificación y calificación actual en el sector terciario, en el caso de España, establece una metodología autorreferente pura, sin consideración del parque de edificios existente, lo que supone una modificación de los criterios existentes en edificación residencial y una separación de los criterios establecidos en la UE para la definición de los procedimientos de calificación. El objetivo del trabajo será establecer procedimientos de calibración que permitan extrapolar los resultados entre diferentes herramientas de simulación, de forma que el sistema de calificación energética no dependa de la herramienta de certificación empleada. Mientras el proceso de cálculo es completamente autorreferente, los valores de la escala energética se calculan a partir de los resultados obtenidos, empleando los mismos procedimientos de cálculo y simulación, por lo que, más allá de la credibilidad del valor obtenido de cada indicador energético, el valor real de los resultados toma especial interés en valor relativo a la escala energética, que se genera a través de la misma herramienta. El proceso de homologación de las herramientas informáticas para la calificación energética permite dar validez a las mismas siempre que los resultados se obtengan con una dispersión definida respecto a los establecidos en el procedimiento, por lo que es esperable que exista una diferencia en los resultados que se obtengan en función de la herramienta que se emplee. Es por ello que, al emplear diferentes herramientas, toma sentido utilizar sistemas de calibración que permitan, para un mismo modelo de simulación, establecer coeficientes de paso que permitan extrapolar los resultados obtenidos en un sistema, a los que sería previsible obtener si se simulasen en una herramienta diferente. Finalmente, con los índices obtenidos y la clasificación realizada, se obtendrán resultados estadísticos del comportamiento de la edificación existente, valorando la distribución de dichos resultados y proponiendo, en función de los mismos, un procedimiento de calificación que siga las características recogidas por la directiva europea, y reflejados en el procedimiento de calificación energética en edificación residencial, considerando para ello los valores del benchmarking generado. Esto contribuirá a no emplear únicamente un modelo auto-referencial puro, sino calibrar sus resultados junto al banco de edificios existentes, por lo que la calificación final del edificio consideraría la situación energética del edificio objeto de estudio respecto del parque de edificios existentes. Esto permitirá establecer una escala de certificación energética que pondere los resultados obtenidos en el edificio con los del banco de edificios existente, abandonando el modelo autorreferente tal como se hizo en el sector residencial.
Contribución al estudio de redes ultra-low temperature district heating and cooling
(2024-12-17) Quirosa Jiménez, Gonzalo; Chacartegui, Ricardo; Torres-García, Miguel; Ingeniería Energética
La transición energética hacia un sistema basado en energías renovable es uno de los grandes retos actuales para combatir el cambio climático. La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero se debe tener en consideración en todo el ciclo de la energía, desde la generación hasta el consumo, teniendo en cuenta todas las tecnologías que entran en juego en cada una de las etapas. Para evaluar la sostenibilidad de un sistema es necesario considerar las etapas y procesos de los que se compone, desde la obtención de recursos, hasta el consumo final, cuantificando las pérdidas que se producen a lo largo de cada etapa. La reducción de la demanda y la mejora en la eficiencia energética suele ser las mejores opciones para combatir el problema raíz y garantizar la sostenibilidad de la sociedad. Además, la transición energética debe ser justa y económicamente viable, por lo que es un problema complejo. El sector térmico tiene un peso muy importante en el consumo energético a nivel global. Es el causante del 50 % de la demanda total de energía en el mundo, siendo el sector residencial e industrial los mayores consumidores, con un aumento progresivo cada año [1]. Tomar las mejores medidas y considerar las tecnologías óptimas para diseñar el futuro de este sector es clave para poder alcanzar los objetivos climáticos. Los sistemas District Heating and Cooling (DHC) pueden desempeñar un rol importante para facilitar la descarbonización del sector térmico. Particularmente, son muy adecuados para cubrir las demandas térmicas residenciales de forma sostenible. Son redes flexibles, con capacidad de operar con fuentes energéticas diversas, a pequeñas y grandes escalas, y económicamente rentables. A lo largo de los años, han ido adaptando sus temperaturas de operación para ir mejorando progresivamente su eficiencia. Esta tesis aborda el estudio de los sistemas District Heating and Cooling de ultra baja temperatura (ultra-low temperature district heating and cooling, ULTDHC), que trabajan con temperaturas en torno a 20 - 40 °C. Son sistemas novedosos, que poseen relativamente escasos estudios específicos sobre su operación e integración. En la actualidad existen pocas instalaciones en funcionamiento, y aquellas que existen son de pequeña escala o de tipo piloto. Se identifica la necesidad de ahondar en el conocimiento de esta tecnología, que puede desempeñar un papel clave en la transición del sector térmico. Para profundizar en su funcionamiento se requieren simulaciones precisas, que aplicadas a casos específicos permitirán predecir su comportamiento bajo condiciones variadas y tomar decisiones en cuanto a su diseño, integración y operación. Este aumento en el conocimiento aumentará la fiabilidad en las predicciones de operación, aportando seguridad a su futura implantación y promoción. La tesis se presenta en la modalidad por compendio de artículos. La tesis se estructura en cuatro bloques principales. A lo largo de ellos se estudia la capacidad de los ULTDHC para integrar fuentes de energía renovable, su capacidad para actuar como sistema de almacenamiento, su nivel de sostenibilidad y su interconexión generación-distribución-demanda. Los estudios realizados y los resultados obtenidos en esta tesis muestran, por un lado, el potencial de la tecnología ULTDHC para integrar fuentes renovables, proporcionar flexibilidad al sector energético y participar en el acoplamiento entre sectores. Se muestra su potencial para una operación eficiente, sostenible, fiable, económicamente rentable y apta para cubrir diferentes integraciones y demandas, acoplando diferentes tecnologías. Los análisis arrojan resultados prometedores y muestran el gran potencial que poseen las redes District Heating and Cooling de ultra baja temperatura para contribuir a la sostenibilidad del sector térmico futuro y a la descarbonización del sector energético global.
Enfoque avanzado para la mejora del confort en espacios exteriores: cuantificación de la resiliencia, catálogo de componentes y metodología de prediseño de estancias mediante técnicas de control climático
(2024-06-20) Palomo Amores, Teresa Rocío; Álvarez Domínguez, Servando; Guerrero Delgado, María del Carmen; Ingeniería Energética
En los últimos años, el impacto del calentamiento global, la degradación ambiental y la pandemia sanitaria ha resaltado la importancia de crear entornos exteriores térmicamente confortables. Dentro de este contexto la presente tesis busca analizar de manera integral los balances energéticos que influyen en el confort térmico de las personas en entornos urbanos. Se identifican y mejoran las ineficiencias encontradas en el estado del arte generando un procedimiento detallado de cuantificación de la resiliencia, aunando los conocimientos teóricos y experimentales. Por otro lado, y como objetivo principal, la tesis desarrolla una guía que permite a urbanistas, ingenieros, arquitectos y paisajistas diseñar espacios abiertos térmicamente confortables. Para lograr esto se analizan los principales componentes y soluciones empleados en el proceso de adaptación en espacios exteriores, caracterizando de manera detallada un grupo representativo de este. Esta caracterización permite generar un conocimiento reducido a través de la caracterización simplificada, sirviendo de base para la posterior toma de decisiones. Se genera una metodología global que permite, desde una situación de partida, identificar las medidas óptimas de adaptación de manera pasiva y activa que permiten mejorar el estado de confort de los ocupantes en los espacios exteriores. El trabajo doctoral parte de los conocimientos anteriores, los agrupa, identifica mejoras y genera un enfoque avanzado de actuación para la adaptación de espacios exteriores.
Innovative energy storage concepts based on power-to-power solutions using micro gas turbines
(2023-11-06) Escamilla Perejón, Antonio; García Rodríguez, Lourdes; Sánchez Martínez, David Tomás; Ingeniería Energética
Power-to-Power is a process whereby the surplus of renewable power is stored as chemical energy in the formof hydrogen. Hydrogen can be used in situ or transported to the consumption node. When power is needed again, hydrogen can be consumed for power generation. Each of these processes incurs energy losses, leading to a certain round-trip efficiency (Energy Out/Energy In). Round-trip efficiency is calculated considering the following processes: water electrolysis for hydrogen production, compression, liquefaction or use of metal-hydride for hydrogen storage, fuel-cell-electric-truck for hydrogen distribution and micro-gas turbine for hydrogen power generation. From a first analysis of the commercial technologies available in the market, the achievable round-trip efficiency of the power-to-power energy storage system proposed is 29% when considering solid oxide electrolysis andmetal hydride storage. This number decreases sharply when using alkaline or proton exchange membrane electrolysers, 22.2% and 21.8% respectively. Round-trip efficiency is further reduced if considering other storage media, such as compressed- or liquefied-H2. Even if this is not positive, this thesis shows that there is a large margin to increase round-trip efficiency again, mostly through improvements in the hydrogen production process and the thermo-mechanical energy conversion step, which could lead to round-trip efficiencies of around 40%–42% in the next decade, for power-to-power energy storage systems based on micro gas turbines. By prioritising the development of a rapid techno-economic assessment tool, accuratemodels for the various components of the system have been successfully created and incorporated into a Python-based tool. The models encompass renewable energy sources such as PV Solar andWind Turbines, electrolyser technologies including proton-exchange membrane and solid oxide, a high-pressure storage system comprising volumetric compressors and high-pressure vessels, and the power block featuring a micro gas turbine. After completing the design modelling, a thorough examination of the economic aspects of each system is conducted. This involves conducting an extensive literature review and extracting relevant information regarding the capital and operational expenditures associated with renewable energy sources, electrolysers, compression systems, storage media, and micro-gas turbines. Additionally, various metrics are reported to assess the economic impact, including the levelised cost of hydrogen and energy, as well as the payback period and internal rate of return. The techno-economic assessment tool is put into practice for analysing an off-grid application with a continuous demand of 30 kWe for three European cities: Palermo, Frankfurt, and Newcastle. In the first part of the analysis, the results show that the latitude of the location is a very strong driver in determining the size of the system (footprint) and the amount of seasonal storage. The rated capacity of the PV plant and electrolyser is 37%/41% and 58%/64% higher in Frankfurt and Newcastle, respectively, as compared to the original design for Palermo. And not only this, but seasonal storage also increases largely from 3125 kg H2 to 5023 and 5920 kg H2. As a consequence of this, LCOE takes values of 0.86 €/kWh, 1.26 €/kWh, and 1.5 €/kWh for the three cities, respectively, whilst round-trip efficiency is approximately 15.7% for the three designs at the said cities. With the aim to reduce the footprint and rating of the different systems, two strategies are followed: hybridisation with other storage technologies and improvement of the electric efficiency of the power conversion unit. For the former, the system is hybridised with a battery energy storage system, leading to 20% LCOE reduction and 10% higher round-trip efficiency. For the latter, the incorporation of an ORC system as a waste-heat recovery system using the exhaust gases of the micro gas turbine is investigated. It is shown that a 30 kWe micro gas turbine can see efficiency rising from 27% to 42%. Analysing again the system with the incorporation of the battery storage system and the upgraded micro gas turbine yields 50% reduction of the PV solar system footprint, 60% reduction in the rated capacity of the electrolyser, and 40% reduction in the levelised cost of electricity. The present thesis effectively makes strides towards implementing power-to-power energy storage systems utilising micro gas turbines for off-grid applications. Moreover, by developing designmodels for each system component and integrating themwith an economic assessment, the thesis successfully identifies crucial parameters to be considered during the design process. Importantly, it highlightsweak areas that require further research and development to facilitate the successful deployment of the technology. This progress aims to achieve a minimal footprint and low LCOE while contributing to the wider adoption of renewable energy sources and the global fight against climate change.
Path to commercialisation: micro gas turbine technology roadmap
(2023-10-05) Tilocca, Giuseppe; Sánchez Martínez, David Tomás; Torres-García, Miguel; Ingeniería Energética
Las micro turbinas de gas son sistemas de producción de potencia eléctrica y térmica, de pequeño tamaño y con capacidad para emplear diferentes combustibles. El potencial de la tecnología para abordar el trilema energético ha sido reconocido por la comunidad científica desde hace décadas; no obstante, a pesar de estar presente en el mercado desde hace más de veinte años, todavía no han logrado una penetración significativa. Ciertamente, a pesar de que la industria y la comunidad científica reconocen la existencia de este problema, hasta el momento no se ha implementado ninguna acción correctora de manera efective. De hecho, la literatura científica no contiene ningún estudio que aborde este asunto de manera holística y científica. La presente tesis doctoral tiene como objetivo llenar este vacío mediante el diseño de una metodología que pueda definir el problema, identificar las causas fundamentales y proponer soluciones de manera científica. Al inicio del doctorado, el candidato investigó dos metodologías cualitativas que podrían sentar las bases para el propósito presentado, el Análisis de Causa Raíz basado en procesos tradicionales (Root Cause Analysis - RCA, por sus siglas en inglés) y la Teoría de Restricciones basada en sistemas (Theory of Constraints - TOC, por sus siglas en inglés), encontrando que esta última era más adecuada. Después de realizar la definición del problema mediante un análisis de deficiencias/debilidades y la identificación de la causa raíz mediante el el denominado Árbol de la Realidad Actual (Current Reality Tree -CRT, por sus siglas en inglés), el autor validó la causa raíz inicialmente a través de un estudio de patentes y tendencias de innovación y generación de conocimiento. Además, el autor desarrolló una herramienta numérica para medir el grado e impacto de la innovación; el estudio realizado en nichos de mercado existentes confirmó la conclusión del Árbol de la Realidad Actual y midió el posicionamiento de las micro turbinas de gas en el mercado, en comparación con otras tecnologías competidoras. Finalmente, se definió la competitividad como la combinación de un término absoluto y otro relativo, y el concepto final se aplicó a la metodología anterior para producir una herramienta sencilla. Dicha herramienta tiene como objetivo evaluar la posición actual de las tecnologías en el mercado y diferenciar las vías de innovación tecnológica que resultan factibles y no factibles. Este estudio final sugiere un trabajo adicional, más allá de esta tesis, que implemente las vías de innovación propuestas y refine las metodologías utilizadas en la presente investigación a la vista de los resultados. Estas tareas exceden los objectivos y alcance del proyecto NextMGT.
Desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía térmica a gran escala: contribución a nuevas soluciones de almacenamiento y recuperación de energía a distintos niveles temperatura
(2023-07-07) Carro Paulete, Andrés; Chacartegui, Ricardo; Ortiz Domínguez, Carlos; Ingeniería Energética; Electrónica y Electromagnetismo
Actualmente nos encontramos en una transición del sistema energético mundial, que busca sustituir las fuentes de producción convencionales (gas, petróleo, carbón) por una generación 100% renovable. Apoyado por la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero con el objetivo de mitigar los efectos del cambio climático, el uso predominante de renovables se perfila como factor clave en términos de desarrollo de mercado, independencia energética y sostenibilidad. El recurso renovable tiene una naturaleza estocástica e intermitente, que puede afectar negativamente a la calidad de la energía y a la estabilidad de la red eléctrica. El almacenamiento de energía, que permita vencer el desfase tanto diario como estacional, que existe entre la disponibilidad del recurso renovable y la demanda energética, es el componente necesario para mejorar la flexibilidad del sistema energético basado en generación 100% renovable. El desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento de energía a gran escala de alta eficiencia, de bajo coste, que utilicen materiales baratos y con bajo impacto ambiental, es necesario para poder aprovechar el recurso renovable. Esta tesis aborda el estudio de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía térmica a gran escala, con capacidad de impacto, a diferentes niveles de temperatura y desarrollo; con el objetivo de contribuir en el grado de avance de nuevas soluciones de almacenamiento de energía de alta eficiencia y con un bajo impacto ambiental, que puedan integrarse en grandes plantas de potencia, facilitando la integración de renovables; desde la fase de planteamiento de la idea preliminar, al desarrollo del concepto a nivel de modelos, y con soporte experimental. El estudio se centra en tres prometedoras tecnologías de almacenamiento de energía térmica según el nivel de temperatura. La contribución a la investigación se divide en tres capítulos, cada uno dedicado a cada nivel de temperatura. El sistema de almacenamiento de energía electrotérmica usando ciclos transcríticos de dióxido de carbono (CO2) como tecnología de almacenamiento de energía térmica de baja temperatura, dentro de los sistemas de energía térmica, se encuentra en un estadio inicial en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se desarrolla la validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a baja temperatura, y como novedad se incorpora un estudio sobre la novedosa integración con el almacenamiento geológico de CO2. El CO2 capturado en una central eléctrica o instalación industrial se utiliza como fluido de trabajo en el ciclo termodinámico propuesto para almacenar energía eléctrica de fuentes renovables en forma de energía térmica y CO2 en formaciones subterráneas, aprovechando las altas presiones que se utilizan en el ciclo transcrítico de CO2, con una eficiencia de ida y vuelta en un rango del 40-50%, dependiendo de las condiciones de operación. El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el hidróxido de calcio como tecnología de almacenamiento de energía térmica de media temperatura, se encuentra en fase de laboratorio en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se trata de un sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en la reacción reversible de deshidratación/hidratación del hidróxido de calcio. Se desarrolla una validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a media temperatura con detalle. Como novedad, se discuten los retos tecnológicos del sistema, destacando la importancia de recuperar el calor latente de condensación del vapor generado en la reacción de deshidratación, que representa el 38% de la energía solar térmica que llega al reactor. Se analizan casos extremos en los que se recupera todo el calor latente y en los que este calor se cede al medio ambiente, y se proponen diferentes mecanismos de recuperación, como un ciclo Rankine de amoníaco o el almacenamiento de vapor a presión, mientras se mantiene el carácter independiente de las fases de carga y descarga. El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el calcium looping como tecnología de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura se corresponde con el sistema más desarrollado entre los termoquímicos en los niveles de preparación tecnológica. El análisis tecno-económico realizado sitúa a la tecnología en una posición muy competitiva respecto a otros sistemas de almacenamiento térmico, con una eficiencia de conversión térmica a eléctrica que pueden alcanzar el 48% y un coste nivelado de la electricidad en torno a 100 MWhe. Como novedad, se presenta el diseño, desarrollo y ensayos de la campaña experimental de una planta piloto a escala de kW, la primera de este nivel para la tecnología del Calcium-Looping, de la que el autor fue actor principal. La campaña experimental sitúa a la tecnología en el estadio de desarrollo tecnológico de demostración en un entorno relevante, desarrollando las reacciones de calcinación y carbonatación en pocos segundos en un reactor de flujo arrastrado, en las condiciones de temperatura y presión del sistema de almacenamiento basado en Calcium-Looping, lo que permitiría la integración del sistema de almacenamiento en grandes centrales térmicas. La estructura de la tesis es la siguiente. En el primer capítulo, dedicado a la introducción, se presentan los antecedentes y oportunidades de investigación detectadas, los objetivos que se establecen en la tesis en función de las oportunidades y se delimita el alcance del estudio, se analiza el estado del arte, se describe la metodología y el plan de investigación en función de los objetivos establecidos, y se muestran los resultados derivados de la tesis y la estructura que sigue el documento. Tras la introducción se exponen las contribuciones a la investigación, mediante, el análisis de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala, para alta, media y baja temperatura. Abarca los capítulos 2 (almacenamiento en baja temperatura basado en ciclos de CO2 transcríticos), 3 (almacenamiento en media temperatura mediante la tecnología del hidróxido de calcio) y 4 (almacenamiento en alta temperatura mediante la tecnología del calcium looping). Por último, se dedica un capítulo a la discusión de los resultados, el trabajo futuro y las conclusiones de la investigación. Finalmente, en los anexos se recogen las publicaciones realizadas por el autor durante el desarrollo de esta tesis doctoral.
Analysis of the behaviour of hydrogen and system in compressed hydrogen storage systems for mobility applications: summary of research activities at European Commission’s DG-Joint Research Centre experimental facility GasTeF
(2023-06-15) Ortiz Cebolla, Rafael; Rosa Iglesias, Manuel Felipe; Ingeniería Energética
Esta tesis doctoral investiga el comportamiento de los sistemas de almacenamiento de hidrogeno comprimido para aplicaciones de movilidad. La investigación se centra en la evolución termodinámica del hidrogeno y del sistema de almacenamiento bajos distintos perfiles operativos. A partir de ensayos experimentales, se analizan la influencia de los parámetros relevantes en el comportamiento del hidrógeno, con especial énfasis en los procesos de repostaje. Además, se identifican tanto potenciales mejoras energéticas durante estos procesos, como aspectos de seguridad relacionados con la integridad del sistema de almacenamiento. Esta tesis también incluye el análisis de las normativas vigente para la ejecución de ensayos de permeación en depósitos de hidrógeno comprimido, así como el análisis de la ejecución de un ensayo de acuerdo a estas normativas. Este análisis, no solo se centra en los resultados del ensayo sino también en las dificultades y obstáculos encontrados durante su ejecución, con la intención de servir de guía tanto al desarrollo de futuras versiones de estas normativas como a los técnicos/investigadores realizando este tipo de ensayos. Asimismo, se incluye una descripción detallada del laboratorio de ensayos GasTeF, perteneciente a la Comisión Europea, donde se ha realizado la actividad experimental que soporta a esta tesis. Este es un laboratorio pionero a nivel internacional, y uno de los pocos centros experimentales en el mundo capaces de realizar este tipo de investigación.
Methodology for analysing CO2 emissions due to energy use: Pyramid approaches for activity, intensity and carbon drivers
(2023-03-17) González Torres, María; Pérez-Lombard, Luis; Ingeniería Energética
Global concern about climate change and environmental sustainability has become widespread, together with the awareness of holding the world temperature increase below 1.5ºC. However, the continued growth of energy use and energy-related CO2 emissions remains an unsolved problem. Effective mitigation measures will only be possible if the drivers of emissions are analysed in depth in order to define future sustainable development pathways and improve governance in this area. This requires a thorough analysis of the impact of energy use on the environment at all stages of the energy chain. This thesis proposes three different approaches to this aim. First, the driving forces that make emissions change are assessed by the definition of an Emissions Indicators Pyramid that examines the energy system from a global perspective. Secondly, the focus moves to the supply side to analyse the effect of the energy sector on the overall efficiency. Finally, the demand-side approach focuses on the final services in buildings, which are examined to define and quantify main activity and efficiency drivers of consumption changes. The thesis is framed within a research line that could be called Global energy analysis and diagnosis, which studies the energy system, and identifies the causes of the problem by examining its stages and links to shed light on how to mitigate its impact.

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