On the economics of energy consumption in 4G networks: the case of Spain

Reducing energy consumption is one of the main challenges in most countries. For example, European Member States agreed to reduce greenhouse gas (GHG) emissions by 20% in 2020 compared to 1990 levels (EC 2008). Considering each sector separately, ICTs account nowadays for 2% of total carbon emissions. This percentage will increase as the demand of communication services and applications steps up. At the same time, the expected evolution of ICT-based developments - smart buildings, smart grids and smart transportation systems among others - could result in the creation of energy-saving opportunities leading to global emission reductions (Labouze et al. 2008), although the amount of these savings is under debate (Falch 2010). The main development required in telecommunication networks ?one of the three major blocks of energy consumption in ICTs together with data centers and consumer equipment (Sutherland 2009) ? is the evolution of existing infrastructures into ultra-broadband networks, the so-called Next Generation Networks (NGN). Fourth generation (4G) mobile communications are the technology of choice to complete -or supplement- the ubiquitous deployment of NGN. The risk and opportunities involved in NGN roll-out are currently in the forefront of the economic and policy debate. However, the issue of which is the role of energy consumption in 4G networks seems absent, despite the fact that the economic impact of energy consumption arises as a key element in the cost analysis of this type of networks. Precisely, the aim of this research is to provide deeper insight on the energy consumption involved in the usage of a 4G network, its relationship with network main design features, and the general economic impact this would have in the capital and operational expenditures related with network deployment and usage.

Analyzing energy-efficient configurations in hexapod robots for demining applications

Purpose – Reducing energy consumption in walking robots is an issue of great importance in field applications such as humanitarian demining so as to increase mission time for a given power supply. The purpose of this paper is to address the problem of improving energy efficiency in statically stable walking machines by comparing two leg, insect and mammal, configurations on the hexapod robotic platform SILO6. Design/methodology/approach – Dynamic simulation of this hexapod is used to develop a set of rules that optimize energy expenditure in both configurations. Later, through a theoretical analysis of energy consumption and experimental measurements in the real platform SILO6, a configuration is chosen. Findings – It is widely accepted that the mammal configuration in statically stable walking machines is better for supporting high loads, while the insect configuration is considered to be better for improving mobility. However, taking into account the leg dynamics and not only the body weight, different results are obtained. In a mammal configuration, supporting body weight accounts for 5 per cent of power consumption while leg dynamics accounts for 31 per cent. Originality/value – As this paper demonstrates, the energy expended when the robot walks along a straight and horizontal line is the same for both insect and mammal configurations, while power consumption during crab walking in an insect configuration exceeds power consumption in the mammal configuration.

Energy consumption of passenger land transport modes

This paper shows how the methodologies used in current practice might lead to an underestimation of energy consumption by different passenger transport modes, and also offers recommendations for improvements to these methodologies. The first recommendation is related to energy consumption rates. The studies reviewed use traditional energy consumption rates based on transportation demand, such as kilowatts-hour per vehicle-kilometre or kilowatts-hour per passenger-kilometre, and include other rates based on transportation supply which might prove useful. Second, energy consumption rates are dependent on factors, and the introduction of homogeneous units which are independent of these factors therefore offers a significant improvement when comparing transport modes. Third, the use of a vehicle energy consumption equation will improve the quality of the assessments. Fourth, we propose that the coefficients which define the energy consumption equation should be broken down to determine market niches and sources for improvements in energy consumption in the vehicle categories.

The impact of sustainable construction and knowledge management on sustainability goals. A review of the venezuelan renewable energy sector

The recognition of the relevance of energy, especially of the renewable energies generated by the sun, water, wind, tides, modern biomass or thermal is growing significantly in the global society based on the possibility it has to improve societies′ quality of life, to support poverty reduction and sustainable development. Renewable energy, and mainly the energy generated by large hydropower generation projects that supply most of the renewable energy consumed by developing countries, requires many technical, legal, financial and social complex processes sustained by innovations and valuable knowledge. Besides these efforts, renewable energy requires a solid infrastructure to generate and distribute the energy resources needed to solve the basic needs of society. This demands a proper construction performance to deliver the energy projects planned according to specifications and respecting environmental and social concerns, which implies the observance of sustainable construction guidelines. But construction projects are complex and demanding and frequently face time and cost overruns that may cause negative impacts on the initial planning and thus on society. The renewable energy issue and the large renewable energy power generation and distribution projects are particularly significant for developing countries and for Latin America in particular, as this region concentrates an important hydropower potential and installed capacity. Using as references the performance of Venezuelan large hydropower generation projects and the Guri dam construction, this research evaluates the tight relationship existing between sustainable construction and knowledge management and their impact to achieve sustainability goals. The knowledge management processes are proposed as a basic strategy to allow learning from successes and failures obtained in previous projects and transform the enhancement opportunites into actions to improve the performance of the renewable energy power generation and distribution projects.

Máquinas o atmósferas: La estética de la energía en la arquitectura, 1750-2000 = From Machines to Atmospheres: The Aesthetics of Energy in Architecture, 1750-2000

La energía es ya un tema arquitectónico, pero su incorporación al proyecto ha sido hasta ahora fundamentalmente técnica, dando pie a una especie de funcionalismo ecológico cuyo destino es acaso repetir los errores de los viejos funcionalismos en su confianza de encontrar modos ‘objetivos’ de transmutar la energía en forma construida, pero sin que en tal proceso parezca haber hueco para mediaciones de tipo estético. Sin embargo, son precisamente tales mediaciones las que necesitan analizarse para que la adopción de los temas energéticos resulte fructífera en la arquitectura, y asimismo para dar cuenta de otras perspectivas complementarias —filosóficas, científicas, artísticas— que hoy forman el complejo campo semántico de la energía. Partiendo de la fecha de 1750 —que da comienzo simbólicamente al proceso de contaminaciones ‘modernas’ entre la arquitectura y otras disciplinas—, esta tesis analiza los diferentes modos con los que proyectos y edificios han expresado literal y analógicamente ciertos temas o ideales energéticos, demostrando la existencia de una ‘estética de la energía’ en la arquitectura y también de una tradición proyectual e intelectual sostenida en ella. Con este fin, se han seleccionados siete metáforas que vinculan tanto técnica como ideológicamente a la arquitectura con la energía: la metáfora de la máquina, asociada al ideal de movimiento y la autorregulación; las metáforas del arabesco, del cristal y del organismo, afines entre sí en su modo de dar cuenta del principio de la morfogénesis o energía creadora de la naturaleza; la metáfora de la actividad interna de los materiales; la metáfora del gradiente, que expresa la condición térmica y climática de la arquitectura, y, finalmente, la de la atmósfera que, recogiendo los sentidos anteriores, los actualiza en el contexto de la estética contemporánea. La selección de estas siete metáforas se ha llevado a cabo después de un barrido exhaustivo de la bibliografía precedente, y ha estructurado un relato cuyo método combina la perspectiva general —que permite cartografiar las continuidades históricas— con la cercana —que atiende a las problemas específicos de cada tema o metáfora—, complementándolas con una aproximación de sesgo iconográfico cuyo propósito es incidir en los vínculos que se dan entre lo ideológico y lo morfológico. El análisis ha puesto de manifiesto cómo detrás de cada una de estas metáforas se oculta un principio ideológico común —la justificación de la arquitectura desde planteamientos externos procedentes de la ciencia, la filosofía y el arte—, y cómo en cada uno de los casos estudiados las asimilaciones más fructíferas de la energía se han producido según mecanismos de mímesis analógica que inciden más en los procesos que en las formas que estos generan, y que en último término son de índole estética, lo cual constituye un indicio de los métodos de la arquitectura por venir. ABSTRACT Although it is already an architectural theme, the matter of incorporating energy into projects has up to now been mainly technical, giving rise to a kind of ecological functionalism which may be bound to old funcionalist mistakes in hopes of finding “objective” ways of transmuting energy into built forms without aesthetic considerations. However, it is precisely such considerations that need to be analyzed if the adoption of energy issues in architecture is to bear fruit and also to account for other complementary perspectives – philosophical, scientific, artistic – which today form the complex fabric of the energy semantic field. Beginning in 1750 – symbolic start of ‘modern’ contaminations between architecture and other disciplines –, this thesis analyzes the different ways in which projects and buildings have literally and analogically expressed certain subjects or ideals on energy, and demonstrates the existence of an “aesthetics of energy” in architecture, as well as of an intellectual and design tradition based on such aesthetics. For this purpose, seven metaphors are selected to link energy to architecture both technically and ideologically: the machine’s metaphor, associated with the ideal of mouvement and self-regulation; the arabesque, glass and the organism’s metaphors, which account for the morphogenesis principle, i.e. creative energy of nature; the metaphor linked to matter and the ideal of internal activity; the gradient’s metaphor, which expressed the thermal and climatic condition of architecture, and, finally, that of the atmosphere which, collecting the above meanings, updates them in the context of contemporary aesthetics. The selection of these seven metaphors was carried out after a thorough scan of the preceding literature, and has structured a reasoning that combines the overview method – which accounts for historical continuities – with the nearby one – which meets the specifics problems of each theme or metaphor –, both supplemented with an iconographic bias, the purpose of which is to visually express the links existing between the ideological and the morphological. So presented, the analysis shows how, behind each of these metaphors, lies a common ideological principle – the justification of architecture from scientific, philosophical and artistic “external” angles –, and how in each of the studied cases the most successful assimilation of energy were those produced by aesthetic mechanisms of analogical mimesis not focused in forms but in processes that generate them: an indication of the methods of architecture to come.

Propuestas regulatorias para el diseño de un mercado ibérico a plazo eficiente de la energía = Regulatory proposals for the development of an efficient iberian energy forward market

El mercado ibérico de futuros de energía eléctrica gestionado por OMIP (“Operador do Mercado Ibérico de Energia, Pólo Português”, con sede en Lisboa), también conocido como el mercado ibérico de derivados de energía, comenzó a funcionar el 3 de julio de 2006. Se analiza la eficiencia de este mercado organizado, por lo que se estudia la precisión con la que sus precios de futuros predicen el precio de contado. En dicho mercado coexisten dos modos de negociación: el mercado continuo (modo por defecto) y la contratación mediante subasta. En la negociación en continuo, las órdenes anónimas de compra y de venta interactúan de manera inmediata e individual con órdenes contrarias, dando lugar a operaciones con un número indeterminado de precios para cada contrato. En la negociación a través de subasta, un precio único de equilibrio maximiza el volumen negociado, liquidándose todas las operaciones a ese precio. Adicionalmente, los miembros negociadores de OMIP pueden liquidar operaciones “Over-The-Counter” (OTC) a través de la cámara de compensación de OMIP (OMIClear). Las cinco mayores empresas españolas de distribución de energía eléctrica tenían la obligación de comprar electricidad hasta julio de 2009 en subastas en OMIP, para cubrir parte de sus suministros regulados. De igual manera, el suministrador de último recurso portugués mantuvo tal obligación hasta julio de 2010. Los precios de equilibrio de esas subastas no han resultado óptimos a efectos retributivos de tales suministros regulados dado que dichos precios tienden a situarse ligeramente sesgados al alza. La prima de riesgo ex-post, definida como la diferencia entre los precios a plazo y de contado en el periodo de entrega, se emplea para medir su eficiencia de precio. El mercado de contado, gestionado por OMIE (“Operador de Mercado Ibérico de la Energía”, conocido tradicionalmente como “OMEL”), tiene su sede en Madrid. Durante los dos primeros años del mercado de futuros, la prima de riesgo media tiende a resultar positiva, al igual que en otros mercados europeos de energía eléctrica y gas natural. En ese periodo, la prima de riesgo ex-post tiende a ser negativa en los mercados de petróleo y carbón. Los mercados de energía tienden a mostrar niveles limitados de eficiencia de mercado. La eficiencia de precio del mercado de futuros aumenta con el desarrollo de otros mecanismos coexistentes dentro del mercado ibérico de electricidad (conocido como “MIBEL”) –es decir, el mercado dominante OTC, las subastas de centrales virtuales de generación conocidas en España como Emisiones Primarias de Energía, y las subastas para cubrir parte de los suministros de último recurso conocidas en España como subastas CESUR– y con una mayor integración de los mercados regionales europeos de energía eléctrica. Se construye un modelo de regresión para analizar la evolución de los volúmenes negociados en el mercado continuo durante sus cuatro primeros años como una función de doce indicadores potenciales de liquidez. Los únicos indicadores significativos son los volúmenes negociados en las subastas obligatorias gestionadas por OMIP, los volúmenes negociados en el mercado OTC y los volúmenes OTC compensados por OMIClear. El número de creadores de mercado, la incorporación de agentes financieros y compañías de generación pertenecientes a grupos integrados con suministradores de último recurso, y los volúmenes OTC compensados por OMIClear muestran una fuerte correlación con los volúmenes negociados en el mercado continuo. La liquidez de OMIP está aún lejos de los niveles alcanzados por los mercados europeos más maduros (localizados en los países nórdicos (Nasdaq OMX Commodities) y Alemania (EEX)). El operador de mercado y su cámara de compensación podrían desarrollar acciones eficientes de marketing para atraer nuevos agentes activos en el mercado de contado (p.ej. industrias consumidoras intensivas de energía, suministradores, pequeños productores, compañías energéticas internacionales y empresas de energías renovables) y agentes financieros, captar volúmenes del opaco OTC, y mejorar el funcionamiento de los productos existentes aún no líquidos. Resultaría de gran utilidad para tales acciones un diálogo activo con todos los agentes (participantes en el mercado, operador de mercado de contado, y autoridades supervisoras). Durante sus primeros cinco años y medio, el mercado continuo presenta un crecimento de liquidez estable. Se mide el desempeño de sus funciones de cobertura mediante la ratio de posición neta obtenida al dividir la posición abierta final de un contrato de derivados mensual entre su volumen acumulado en la cámara de compensación. Los futuros carga base muestran la ratio más baja debido a su buena liquidez. Los futuros carga punta muestran una mayor ratio al producirse su menor liquidez a través de contadas subastas fijadas por regulación portuguesa. Las permutas carga base liquidadas en la cámara de compensación ubicada en Madrid –MEFF Power, activa desde el 21 de marzo de 2011– muestran inicialmente valores altos debido a bajos volúmenes registrados, dado que esta cámara se emplea principalmente para vencimientos pequeños (diario y semanal). Dicha ratio puede ser una poderosa herramienta de supervisión para los reguladores energéticos cuando accedan a todas las transacciones de derivados en virtud del Reglamento Europeo sobre Integridad y Transparencia de los Mercados de Energía (“REMIT”), en vigor desde el 28 de diciembre de 2011. La prima de riesgo ex-post tiende a ser positiva en todos los mecanismos (futuros en OMIP, mercado OTC y subastas CESUR) y disminuye debido a la curvas de aprendizaje y al efecto, desde el año 2011, del precio fijo para la retribución de la generación con carbón autóctono. Se realiza una comparativa con los costes a plazo de generación con gas natural (diferencial “clean spark spread”) obtenido como la diferencia entre el precio del futuro eléctrico y el coste a plazo de generación con ciclo combinado internalizando los costes de emisión de CO2. Los futuros eléctricos tienen una elevada correlación con los precios de gas europeos. Los diferenciales de contratos con vencimiento inmediato tienden a ser positivos. Los mayores diferenciales se dan para los contratos mensuales, seguidos de los trimestrales y anuales. Los generadores eléctricos con gas pueden maximizar beneficios con contratos de menor vencimiento. Los informes de monitorización por el operador de mercado que proporcionan transparencia post-operacional, el acceso a datos OTC por el regulador energético, y la valoración del riesgo regulatorio pueden contribuir a ganancias de eficiencia. Estas recomendaciones son también válidas para un potencial mercado ibérico de futuros de gas, una vez que el hub ibérico de gas –actualmente en fase de diseño, con reuniones mensuales de los agentes desde enero de 2013 en el grupo de trabajo liderado por el regulador energético español– esté operativo. El hub ibérico de gas proporcionará transparencia al atraer más agentes y mejorar la competencia, incrementando su eficiencia, dado que en el mercado OTC actual no se revela precio alguno de gas. ABSTRACT The Iberian Power Futures Market, managed by OMIP (“Operador do Mercado Ibérico de Energia, Pólo Português”, located in Lisbon), also known as the Iberian Energy Derivatives Market, started operations on 3 July 2006. The market efficiency, regarding how well the future price predicts the spot price, is analysed for this energy derivatives exchange. There are two trading modes coexisting within OMIP: the continuous market (default mode) and the call auction. In the continuous trading, anonymous buy and sell orders interact immediately and individually with opposite side orders, generating trades with an undetermined number of prices for each contract. In the call auction trading, a single price auction maximizes the traded volume, being all trades settled at the same price (equilibrium price). Additionally, OMIP trading members may settle Over-the-Counter (OTC) trades through OMIP clearing house (OMIClear). The five largest Spanish distribution companies have been obliged to purchase in auctions managed by OMIP until July 2009, in order to partly cover their portfolios of end users’ regulated supplies. Likewise, the Portuguese last resort supplier kept that obligation until July 2010. The auction equilibrium prices are not optimal for remuneration purposes of regulated supplies as such prices seem to be slightly upward biased. The ex-post forward risk premium, defined as the difference between the forward and spot prices in the delivery period, is used to measure its price efficiency. The spot market, managed by OMIE (Market Operator of the Iberian Energy Market, Spanish Pool, known traditionally as “OMEL”), is located in Madrid. During the first two years of the futures market, the average forward risk premium tends to be positive, as it occurs with other European power and natural gas markets. In that period, the ex-post forward risk premium tends to be negative in oil and coal markets. Energy markets tend to show limited levels of market efficiency. The price efficiency of the Iberian Power Futures Market improves with the market development of all the coexistent forward contracting mechanisms within the Iberian Electricity Market (known as “MIBEL”) – namely, the dominant OTC market, the Virtual Power Plant Auctions known in Spain as Energy Primary Emissions, and the auctions catering for part of the last resort supplies known in Spain as CESUR auctions – and with further integration of European Regional Electricity Markets. A regression model tracking the evolution of the traded volumes in the continuous market during its first four years is built as a function of twelve potential liquidity drivers. The only significant drivers are the traded volumes in OMIP compulsory auctions, the traded volumes in the OTC market, and the OTC cleared volumes by OMIClear. The amount of market makers, the enrolment of financial members and generation companies belonging to the integrated group of last resort suppliers, and the OTC cleared volume by OMIClear show strong correlation with the traded volumes in the continuous market. OMIP liquidity is still far from the levels reached by the most mature European markets (located in the Nordic countries (Nasdaq OMX Commodities) and Germany (EEX)). The market operator and its clearing house could develop efficient marketing actions to attract new entrants active in the spot market (e.g. energy intensive industries, suppliers, small producers, international energy companies and renewable generation companies) and financial agents as well as volumes from the opaque OTC market, and to improve the performance of existing illiquid products. An active dialogue with all the stakeholders (market participants, spot market operator, and supervisory authorities) will help to implement such actions. During its firs five and a half years, the continuous market shows steady liquidity growth. The hedging performance is measured through a net position ratio obtained from the final open interest of a month derivatives contract divided by its accumulated cleared volume. The base load futures in the Iberian energy derivatives exchange show the lowest ratios due to good liquidity. The peak futures show bigger ratios as their reduced liquidity is produced by auctions fixed by Portuguese regulation. The base load swaps settled in the clearing house located in Spain – MEFF Power, operating since 21 March 2011, with a new denomination (BME Clearing) since 9 September 2013 – show initially large values due to low registered volumes, as this clearing house is mainly used for short maturity (daily and weekly swaps). The net position ratio can be a powerful oversight tool for energy regulators when accessing to all the derivatives transactions as envisaged by European regulation on Energy Market Integrity and Transparency (“REMIT”), in force since 28 December 2011. The ex-post forward risk premium tends to be positive in all existing mechanisms (OMIP futures, OTC market and CESUR auctions) and diminishes due to the learning curve and the effect – since year 2011 – of the fixed price retributing the indigenous coal fired generation. Comparison with the forward generation costs from natural gas (“clean spark spread”) – obtained as the difference between the power futures price and the forward generation cost with a gas fired combined cycle plant taking into account the CO2 emission rates – is also performed. The power futures are strongly correlated with European gas prices. The clean spark spreads built with prompt contracts tend to be positive. The biggest clean spark spreads are for the month contract, followed by the quarter contract and then by the year contract. Therefore, gas fired generation companies can maximize profits trading with contracts of shorter maturity. Market monitoring reports by the market operator providing post-trade transparency, OTC data access by the energy regulator, and assessment of the regulatory risk can contribute to efficiency gains. The same recommendations are also valid for a potential Iberian gas futures market, once an Iberian gas hub – currently in a design phase, with monthly meetings amongst the stakeholders in a Working Group led by the Spanish energy regulatory authority since January 2013 – is operating. The Iberian gas hub would bring transparency attracting more shippers and improving competition and thus its efficiency, as no gas price is currently disclosed in the existing OTC market.

Reduced carbon and energy footprint in highway operations: the Highway Energy Assessment (HERA) methodology

Global demand for mobility is increasing and the environmental impact of transport has become an important issue in transportation network planning and decision-making, as well as in the operational management phase. Suitable methods are required to assess emissions and fuel consumption reduction strategies that seek to improve energy efficiency and furthering decarbonization. This study describes the development and application of an improved modeling framework – the HERA (Highway EneRgy Assessment) methodology – that enables to assess the energy and carbon footprint of different highways and traffic flow scenarios and their comparison. HERA incorporates an average speed consumption model adjusted with a correction factor which takes into account the road gradient. It provides a more comprehensive method for estimating the footprint of particular highway segments under specific traffic conditions. It includes the application of the methodology to the Spanish highway network to validate it. Finally, a case study shows the benefits from using this methodology and how to integrate the objective of carbon footprint reductions into highway design, operation and scenario comparison.

Partioning of dietary energy of chickens fed maize or wheat-based diets with and without a commercial blend of phytogenic feed additives

The aim of the study was to investigate the effects of a standardized mixture of a commercial blend of phytogenic feed additives containing 5% carvacrol, 3% cinnamaldehyde, and 2% capsicum on utilization of dietary energy and performance in broiler chickens. Four experimental diets were offered to the birds from 7 to 21 d of age. These included 2 basal control diets based on either wheat or maize that contained 215 g CP/kg and 12.13 MJ/kg ME and another 2 diets using the basal control diets supplemented with the plant extracts combination at 100 mg/kg diet. Each diet was fed to 16 individually penned birds following randomization. Dietary plant extracts improved feed intake and weight gain (P < 0.05) and slightly (P < 0.1) improved feed efficiency of birds fed the maize-based diet. Supplementary plant extracts did not change dietary ME (P > 0.05) but improved (P < 0.05) dietary NE by reducing the heat increment (P < 0.05) per kilogram feed intake. Feeding phytogenics improved (P < 0.05) total carcass energy retention and the efficiency of dietary ME for carcass energy retention. The number of interactions between type of diet and supplementary phytogenic feed additive suggest that the chemical composition and the energy to protein ratio of the diet may influence the efficiency of phytogenics when fed to chickens. The experiment showed that although supplementary phytogenic additives did not affect dietary ME, they caused a significant improvement in the utilization of dietary energy for carcass energy retention but this did not always relate to growth performance.

Energy and Lighting Performance of Buildings in the Neighbourhood Ciudad de los Angeles, Before and After Refurbishing.

The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness is funding the SHERIF Research Project, which falls under the INNPACTO pr ogram. This project aims to increase the rate of the existing building refurbishment fro m the energy efficiency point of view by designing a facade system that must be an economica l, flexible and integrated solution 1 . Under this project has been performing several task s regarding the constructive characterization and energy evaluation of the therm al behaviour of facades on existing buildings . In order to perform the latter task, in which this article will focus, has been developing a survey of various buildings in the nei ghbourhood Ciudad de los Angeles, which has as main objective the comparison between the ac tual energy and light behaviour of different buildings, prior and posterior to any ref urbishment works have been undertaken. The evaluation of the actual performance of buildin gs before and after being refurbished is aimed to determine the impact of the work developed as well as learn from the work performed for future interventions.

Towards energy sustainability in ecolodges for latin America: a case in the bolivian Amazon

This project, funded by the Programa Iberoaméricano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED), analyses the energy service requirements in sustainable tourism and will spread knowledge about renewable energies among the ecotourism stakeholders of Latin America. The target groups are local communities in protected areas, because they are the less up to date groups and, frequently, they are living in the most fragile ecosystems, but also the most fertile in biodiversity; their living standard is very low and the ecotourism can be a successful economic resource. The regions considered are ecosystems in Latin America, which have some protection degree, and are managed by local communities. The selected countries to implement renewable energy infrastructures in ecolodges are: Bolivia, Ecuador and Peru. Also low cost telecommunications infrastructures will be installed to improve the diffusion among potential clients of the ecolodges, in order to permit direct reservation of the services.

Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

Energy rehabilitation of social housing for rent, as demonstrator in the LIFE 'New4Old' Project

The main goal of the cofounded by the European Commission LIFE Project, New4Old (LIFE10 ENV/ES/439), is to define the most appropriate method and the best available practice in social housing rehabilitation with energy and environmental sustainability criteria, as well as to apply innovative technologies in the fight against climate change through an efficient use of resources and energy. The institutions involved in the Project are the Technological Centre AITEMIN, Madrid Polytechnic University (UPM), Portugal Technological Centre for Ceramics and Glass (CTCV) and the Zaragoza City Housing Society (SMZV). The demonstrator project consists in the energy rehabilitation of a rental social housing building located in Zaragoza?s historic quarter, according to the conclusions and strategies developed for the LIFE project. In actions taken in households of this nature passive design strategies are essential due to the limited income of owners, who often cannot afford energy bills. Therefore, the proposed actions will help improve the building?s passive performance and reach a higher thermal comfort, without increasing the economic cost linked to energy consumption.

Understanding and improving the chemical vapor deposition process for solar grade silicon production

Esta Tesis Doctoral se centra en la investigación del proceso de producción de polisilicio para aplicaciones fotovoltaicas (FV) por la vía química; mediante procesos de depósito en fase vapor (CVD). El polisilicio para la industria FV recibe el nombre de silicio de grado solar (SoG Si). Por un lado, el proceso que domina hoy en día la producción de SoG Si está basado en la síntesis, destilación y descomposición de triclorosilano (TCS) en un reactor CVD -denominado reactor Siemens-. El material obtenido mediante este proceso es de muy alta pureza, pero a costa de un elevado consumo energético. Así, para alcanzar los dos principales objetivos de la industria FV basada en silicio, bajos costes de producción y bajo tiempo de retorno de la energía invertida en su fabricación, es esencial disminuir el consumo energético de los reactores Siemens. Por otro lado, una alternativa al proceso Siemens considera la descomposición de monosilano (MS) en un reactor de lecho fluidizado (FBR). Este proceso alternativo tiene un consumo energético mucho menor que el de un reactor Siemens, si bien la calidad del material resultante es también menor; pero ésta puede ser suficiente para la industria FV. A día de hoy los FBR deben aún abordar una serie de retos para que su menor consumo energético sea una ventaja suficiente comparada con otras desventajas de estos reactores. En resumen, la investigación desarrollada se centra en el proceso de depósito de polysilicio por CVD a partir de TCS -reactor Siemens-; pero también se investiga el proceso de producción de SoG Si en los FBR exponiendo las fortalezas y debilidades de esta alternativa. Para poder profundizar en el conocimiento del proceso CVD para la producción de polisilicio es clave el conocimiento de las reacciones químicas fundamentales y cómo éstas influencian la calidad del producto resultante, al mismo tiempo que comprender los fenómenos responsables del consumo energético. Por medio de un reactor Siemens de laboratorio en el que se llevan a cabo un elevado número de experimentos de depósito de polisilicio de forma satisfactoria se adquiere el conocimiento previamente descrito. Se pone de manifiesto la complejidad de los reactores CVD y de los problemas asociados a la pérdidas de calor de estos procesos. Se identifican las contribuciones a las pérdidas de calor de los reactores CVD, éstas pérdidas de calor son debidas principalmente a los fenómenos de radiación y, conducción y convección vía gases. En el caso de los reactores Siemens el fenómeno que contribuye en mayor medida al alto consumo energético son las pérdidas de calor por radiación, mientras que en los FBRs tanto la radiación como el calor transferido por transporte másico contribuyen de forma importante. Se desarrolla un modelo teórico integral para el cálculo de las pérdidas de calor en reactores Siemens. Este modelo está formado a su vez por un modelo para la evaluación de las pérdidas de calor por radiación y modelos para la evaluación de las pérdidas de calor por conducción y convección vía gases. Se ponen de manifiesto una serie de limitaciones del modelo de pérdidas de calor por radiación, y se desarrollan una serie de modificaciones que mejoran el modelo previo. El modelo integral se valida por medio un reactor Siemens de laboratorio, y una vez validado se presenta su extrapolación a la escala industrial. El proceso de conversión de TCS y MS a polisilicio se investiga mediante modelos de fluidodinámica computacional (CFD). Se desarrollan modelados CFD para un reactor Siemens de laboratorio y para un prototipo FBR. Los resultados obtenidos mediante simulación son comparados, en ambos casos, con resultados experimentales. Los modelos desarrollados se convierten en herramientas para la identificación de aquellos parámetros que tienen mayor influencia en los procesos CVD. En el caso del reactor Siemens, ambos modelos -el modelo integral y el modelado CFD permiten el estudio de los parámetros que afectan en mayor medida al elevado consumo energético, y mediante su análisis se sugieren modificaciones para este tipo de reactores que se traducirían en un menor número de kilovatios-hora consumidos por kilogramo de silicio producido. Para el caso del FBR, el modelado CFD permite analizar el efecto de una serie de parámetros sobre la distribución de temperaturas en el lecho fluidizado; y dicha distribución de temperaturas está directamente relacionada con los principales retos de este tipo de reactores. Por último, existen nuevos conceptos de depósito de polisilicio; éstos se aprovechan de la ventaja teórica de un mayor volumen depositado por unidad de tiempo -cuando una mayor superficie de depósito está disponible- con el objetivo de reducir la energía consumida por los reactores Siemens. Estos conceptos se exploran mediante cálculos teóricos y pruebas en el reactor Siemens de laboratorio. ABSTRACT This Doctoral Thesis comprises research on polysilicon production for photovoltaic (PV) applications through the chemical route: chemical vapor deposition (CVD) process. PV polysilicon is named solar grade silicon (SoG Si). On the one hand, the besetting CVD process for SoG Si production is based on the synthesis, distillation, and decomposition of thriclorosilane (TCS) in the so called Siemens reactor; high purity silicon is obtained at the expense of high energy consumption. Thus, lowering the energy consumption of the Siemens process is essential to achieve the two wider objectives for silicon-based PV technology: low production cost and low energy payback time. On the other hand, a valuable variation of this process considers the use of monosilane (MS) in a fluidized bed reactor (FBR); lower output material quality is obtained but it may fulfil the requirements for the PV industry. FBRs demand lower energy consumption than Siemens reactors but further research is necessary to address the actual challenges of these reactors. In short, this work is centered in polysilicon CVD process from TCS -Siemens reactor-; but it also offers insights on the strengths and weaknesses of the FBR for SoG Si production. In order to aid further development in polysilicon CVD is key the understanding of the fundamental reactions and how they influence the product quality, at the same time as to comprehend the phenomena responsible for the energy consumption. Experiments conducted in a laboratory Siemens reactor prove the satisfactory operation of the prototype reactor, and allow to acquire the knowledge that has been described. Complexity of the CVD reactors is stated and the heat loss problem associated with polysilicon CVD is addressed. All contributions to the energy consumption of Siemens reactors and FBRs are put forward; these phenomena are radiation and, conduction and convection via gases heat loss. In a Siemens reactor the major contributor to the energy consumption is radiation heat loss; in case of FBRs radiation and heat transfer due to mass transport are both important contributors. Theoretical models for radiation, conduction and convection heat loss in a Siemens reactor are developed; shaping a comprehensive theoretical model for heat loss in Siemens reactors. Limitations of the radiation heat loss model are put forward, and a novel contribution to the existing model is developed. The comprehensive model for heat loss is validated through a laboratory Siemens reactor, and results are scaled to industrial reactors. The process of conversion of TCS and MS gases to solid polysilicon is investigated by means of computational fluid-dynamics models. CFD models for a laboratory Siemens reactor and a FBR prototype are developed. Simulated results for both CVD prototypes are compared with experimental data. The developed models are used as a tool to investigate the parameters that more strongly influence both processes. For the Siemens reactors, both, the comprehensive theoretical model and the CFD model allow to identify the parameters responsible for the great power consumption, and thus, suggest some modifications that could decrease the ratio kilowatts-hour per kilogram of silicon produced. For the FBR, the CFD model allows to explore the effect of a number of parameters on the thermal distribution of the fluidized bed; that is the main actual challenge of these type of reactors. Finally, there exist new deposition surface concepts that take advantage of higher volume deposited per time unit -when higher deposition area is available- trying to reduce the high energy consumption of the Siemens reactors. These novel concepts are explored by means of theoretical calculations and tests in the laboratory Siemens prototype.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Urban wind energy: empirical optimization of high-rise building roof shape for the wind energy exploitation

El programa Europeo HORIZON2020 en Futuras Ciudades Inteligentes establece como objetivo que el 20% de la energía eléctrica sea generada a partir de fuentes renovables. Este objetivo implica la necesidad de potenciar la generación de energía eólica en todos los ámbitos. La energía eólica reduce drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero y evita los riesgos geo-políticos asociados al suministro e infraestructuras energéticas, así como la dependencia energética de otras regiones. Además, la generación de energía distribuida (generación en el punto de consumo) presenta significativas ventajas en términos de elevada eficiencia energética y estimulación de la economía. El sector de la edificación representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea. La reducción del consumo energético en este área es, por tanto, una prioridad de acuerdo con los objetivos "20-20-20" en eficiencia energética. La Directiva 2010/31/EU del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010 sobre el comportamiento energético de edificaciones contempla la instalación de sistemas de suministro energético a partir de fuentes renovables en las edificaciones de nuevo diseño. Actualmente existe una escasez de conocimiento científico y tecnológico acerca de la geometría óptima de las edificaciones para la explotación de la energía eólica en entornos urbanos. El campo tecnológico de estudio de la presente Tesis Doctoral es la generación de energía eólica en entornos urbanos. Específicamente, la optimization de la geometría de las cubiertas de edificaciones desde el punto de vista de la explotación del recurso energético eólico. Debido a que el flujo del viento alrededor de las edificaciones es exhaustivamente investigado en esta Tesis empleando herramientas de simulación numérica, la mecánica de fluidos computacional (CFD en inglés) y la aerodinámica de edificaciones son los campos científicos de estudio. El objetivo central de esta Tesis Doctoral es obtener una geometría de altas prestaciones (u óptima) para la explotación de la energía eólica en cubiertas de edificaciones de gran altura. Este objetivo es alcanzado mediante un análisis exhaustivo de la influencia de la forma de la cubierta del edificio en el flujo del viento desde el punto de vista de la explotación energética del recurso eólico empleando herramientas de simulación numérica (CFD). Adicionalmente, la geometría de la edificación convencional (edificio prismático) es estudiada, y el posicionamiento adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores es propuesto. La compatibilidad entre el aprovechamiento de las energías solar fotovoltaica y eólica también es analizado en este tipo de edificaciones. La investigación prosigue con la optimización de la geometría de la cubierta. La metodología con la que se obtiene la geometría óptima consta de las siguientes etapas: - Verificación de los resultados de las geometrías previamente estudiadas en la literatura. Las geometrías básicas que se someten a examen son: cubierta plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica. - Análisis de la influencia de la forma de las aristas de la cubierta sobre el flujo del viento. Esta tarea se lleva a cabo mediante la comparación de los resultados obtenidos para la arista convencional (esquina sencilla) con un parapeto, un voladizo y una esquina curva. - Análisis del acoplamiento entre la cubierta y los cerramientos verticales (paredes) mediante la comparación entre diferentes variaciones de una cubierta esférica en una edificación de gran altura: cubierta esférica estudiada en la literatura, cubierta esférica integrada geométricamente con las paredes (planta cuadrada en el suelo) y una cubierta esférica acoplada a una pared cilindrica. El comportamiento del flujo sobre la cubierta es estudiado también considerando la posibilidad de la variación en la dirección del viento incidente. - Análisis del efecto de las proporciones geométricas del edificio sobre el flujo en la cubierta. - Análisis del efecto de la presencia de edificaciones circundantes sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las contribuciones de la presente Tesis Doctoral pueden resumirse en: - Se demuestra que los modelos de turbulencia RANS obtienen mejores resultados para la simulación del viento alrededor de edificaciones empleando los coeficientes propuestos por Crespo y los propuestos por Bechmann y Sórensen que empleando los coeficientes estándar. - Se demuestra que la estimación de la energía cinética turbulenta del flujo empleando modelos de turbulencia RANS puede ser validada manteniendo el enfoque en la cubierta de la edificación. - Se presenta una nueva modificación del modelo de turbulencia Durbin k — e que reproduce mejor la distancia de recirculación del flujo de acuerdo con los resultados experimentales. - Se demuestra una relación lineal entre la distancia de recirculación en una cubierta plana y el factor constante involucrado en el cálculo de la escala de tiempo de la velocidad turbulenta. Este resultado puede ser empleado por la comunidad científica para la mejora del modelado de la turbulencia en diversas herramientas computacionales (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - La compatibilidad entre las energías solar fotovoltaica y eólica en cubiertas de edificaciones es analizada. Se demuestra que la presencia de los módulos solares provoca un descenso en la intensidad de turbulencia. - Se demuestran conflictos en el cambio de escala entre simulaciones de edificaciones a escala real y simulaciones de modelos a escala reducida (túnel de viento). Se demuestra que para respetar las limitaciones de similitud (número de Reynolds) son necesarias mediciones en edificaciones a escala real o experimentos en túneles de viento empleando agua como fluido, especialmente cuando se trata con geometrías complejas, como es el caso de los módulos solares. - Se determina el posicionamiento más adecuado para los diferentes tipos de aerogeneradores tomando en consideración la velocidad e intensidad de turbulencia del flujo. El posicionamiento de aerogeneradores es investigado en las geometrías de cubierta más habituales (plana, a dos aguas, inclinada, abovedada y esférica). - Las formas de aristas más habituales (esquina, parapeto, voladizo y curva) son analizadas, así como su efecto sobre el flujo del viento en la cubierta de un edificio de gran altura desde el punto de vista del aprovechamiento eólico. - Se propone una geometría óptima (o de altas prestaciones) para el aprovechamiento de la energía eólica urbana. Esta optimización incluye: verificación de las geometrías estudiadas en el estado del arte, análisis de la influencia de las aristas de la cubierta en el flujo del viento, estudio del acoplamiento entre la cubierta y las paredes, análisis de sensibilidad del grosor de la cubierta, exploración de la influencia de las proporciones geométricas de la cubierta y el edificio, e investigación del efecto de las edificaciones circundantes (considerando diferentes alturas de los alrededores) sobre el flujo del viento en la cubierta del edificio objetivo. Las investigaciones comprenden el análisis de la velocidad, la energía cinética turbulenta y la intensidad de turbulencia en todos los casos. ABSTRACT The HORIZON2020 European program in Future Smart Cities aims to have 20% of electricity produced by renewable sources. This goal implies the necessity to enhance the wind energy generation, both with large and small wind turbines. Wind energy drastically reduces carbon emissions and avoids geo-political risks associated with supply and infrastructure constraints, as well as energy dependence from other regions. Additionally, distributed energy generation (generation at the consumption site) offers significant benefits in terms of high energy efficiency and stimulation of the economy. The buildings sector represents 40% of the European Union total energy consumption. Reducing energy consumption in this area is therefore a priority under the "20-20-20" objectives on energy efficiency. The Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings aims to consider the installation of renewable energy supply systems in new designed buildings. Nowadays, there is a lack of knowledge about the optimum building shape for urban wind energy exploitation. The technological field of study of the present Thesis is the wind energy generation in urban environments. Specifically, the improvement of the building-roof shape with a focus on the wind energy resource exploitation. Since the wind flow around buildings is exhaustively investigated in this Thesis using numerical simulation tools, both computational fluid dynamics (CFD) and building aerodynamics are the scientific fields of study. The main objective of this Thesis is to obtain an improved (or optimum) shape of a high-rise building for the wind energy exploitation on the roof. To achieve this objective, an analysis of the influence of the building shape on the behaviour of the wind flow on the roof from the point of view of the wind energy exploitation is carried out using numerical simulation tools (CFD). Additionally, the conventional building shape (prismatic) is analysed, and the adequate positions for different kinds of wind turbines are proposed. The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies is also analysed for this kind of buildings. The investigation continues with the buildingroof optimization. The methodology for obtaining the optimum high-rise building roof shape involves the following stages: - Verification of the results of previous building-roof shapes studied in the literature. The basic shapes that are compared are: flat, pitched, shed, vaulted and spheric. - Analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow. This task is carried out by comparing the results obtained for the conventional edge shape (simple corner) with a railing, a cantilever and a curved edge. - Analysis of the roof-wall coupling by testing different variations of a spherical roof on a high-rise building: spherical roof studied in the litera ture, spherical roof geometrically integrated with the walls (squared-plant) and spherical roof with a cylindrical wall. The flow behaviour on the roof according to the variation of the incident wind direction is commented. - Analysis of the effect of the building aspect ratio on the flow. - Analysis of the surrounding buildings effect on the wind flow on the target building roof. The contributions of the present Thesis can be summarized as follows: - It is demonstrated that RANS turbulence models obtain better results for the wind flow around buildings using the coefficients proposed by Crespo and those proposed by Bechmann and S0rensen than by using the standard ones. - It is demonstrated that RANS turbulence models can be validated for turbulent kinetic energy focusing on building roofs. - A new modification of the Durbin k — e turbulence model is proposed in order to obtain a better agreement of the recirculation distance between CFD simulations and experimental results. - A linear relationship between the recirculation distance on a flat roof and the constant factor involved in the calculation of the turbulence velocity time scale is demonstrated. This discovery can be used by the research community in order to improve the turbulence modeling in different solvers (OpenFOAM, Fluent, CFX, etc.). - The compatibility of both photovoltaic-solar and wind energies on building roofs is demonstrated. A decrease of turbulence intensity due to the presence of the solar panels is demonstrated. - Scaling issues are demonstrated between full-scale buildings and windtunnel reduced-scale models. The necessity of respecting the similitude constraints is demonstrated. Either full-scale measurements or wind-tunnel experiments using water as a medium are needed in order to accurately reproduce the wind flow around buildings, specially when dealing with complex shapes (as solar panels, etc.). - The most adequate position (most adequate roof region) for the different kinds of wind turbines is highlighted attending to both velocity and turbulence intensity. The wind turbine positioning was investigated for the most habitual kind of building-roof shapes (flat, pitched, shed, vaulted and spherical). - The most habitual roof-edge shapes (simple edge, railing, cantilever and curved) were investigated, and their effect on the wind flow on a highrise building roof were analysed from the point of view of the wind energy exploitation. - An optimum building-roof shape is proposed for the urban wind energy exploitation. Such optimization includes: state-of-the-art roof shapes test, analysis of the influence of the roof-edge shape on the wind flow, study of the roof-wall coupling, sensitivity analysis of the roof width, exploration of the aspect ratio of the building-roof shape and investigation of the effect of the neighbouring buildings (considering different surrounding heights) on the wind now on the target building roof. The investigations comprise analysis of velocity, turbulent kinetic energy and turbulence intensity for all the cases.