A cyber-physical approach to combined HW-SW monitoring for improving energy efficiency in data centers

High-Performance Computing, Cloud computing and next-generation applications such e-Health or Smart Cities have dramatically increased the computational demand of Data Centers. The huge energy consumption, increasing levels of CO2 and the economic costs of these facilities represent a challenge for industry and researchers alike. Recent research trends propose the usage of holistic optimization techniques to jointly minimize Data Center computational and cooling costs from a multilevel perspective. This paper presents an analysis on the parameters needed to integrate the Data Center in a holistic optimization framework and leverages the usage of Cyber-Physical systems to gather workload, server and environmental data via software techniques and by deploying a non-intrusive Wireless Sensor Net- work (WSN). This solution tackles data sampling, retrieval and storage from a reconfigurable perspective, reducing the amount of data generated for optimization by a 68% without information loss, doubling the lifetime of the WSN nodes and allowing runtime energy minimization techniques in a real scenario.

A Dynamically Adaptable Bus Architecture for Trading-Off Among Performance, Consumption and Dependability in Cyber-Physical Systems

Cyber-Physical Systems need to handle increasingly complex tasks, which additionally, may have variable operating conditions over time. Therefore, dynamic resource management to adapt the system to different needs is required. In this paper, a new bus-based architecture, called ARTICo3, which by means of Dynamic Partial Reconfiguration, allows the replication of hardware tasks to support module redundancy, multi-thread operation or dual-rail solutions for enhanced side-channel attack protection is presented. A configuration-aware data transaction unit permits data dispatching to more than one module in parallel, or provide coalesced data dispatching among different units to maximize the advantages of burst transactions. The selection of a given configuration is application independent but context-aware, which may be achieved by the combination of a multi-thread model similar to the CUDA kernel model specification, combined with a dynamic thread/task/kernel scheduler. A multi-kernel application for face recognition is used as an application example to show one scenario of the ARTICo3 architecture.

Self-adaptive strategy based on fuzzy control systems for improving performance in wireless sensors networks

The solutions to cope with new challenges that societies have to face nowadays involve providing smarter daily systems. To achieve this, technology has to evolve and leverage physical systems automatic interactions, with less human intervention. Technological paradigms like Internet of Things (IoT) and Cyber-Physical Systems (CPS) are providing reference models, architectures, approaches and tools that are to support cross-domain solutions. Thus, CPS based solutions will be applied in different application domains like e-Health, Smart Grid, Smart Transportation and so on, to assure the expected response from a complex system that relies on the smooth interaction and cooperation of diverse networked physical systems. The Wireless Sensors Networks (WSN) are a well-known wireless technology that are part of large CPS. The WSN aims at monitoring a physical system, object, (e.g., the environmental condition of a cargo container), and relaying data to the targeted processing element. The WSN communication reliability, as well as a restrained energy consumption, are expected features in a WSN. This paper shows the results obtained in a real WSN deployment, based on SunSPOT nodes, which carries out a fuzzy based control strategy to improve energy consumption while keeping communication reliability and computational resources usage among boundaries.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Pre-investigation of water electrolysis for flexible energy storage at large scales: the case of the Spanish power system

This report analyzes the basis of hydrogen and power integration strategies, by using water electrolysis processes as a means of flexible energy storage at large scales. It is a prospective study, where the scope is to describe the characteristics of current power systems (like the generation technologies, load curves and grid constraints), and define future scenarios of hydrogen for balancing the electrical grids, considering the efficiency, economy and easiness of operations. We focus in the "Spanish case", which is a good example for planning the transition from a power system holding large reserve capacities, high penetration of renewable energies and limited interconnections, to a more sustainable energy system being capable to optimize the volumes, the regulation modes, the utilization ratios and the impacts of the installations. Thus, we explore a novel aspect of the "hydrogen economy" which is based in the potentials of existing power systems and the properties of hydrogen as energy carrier, by considering the electricity generation and demand globally and determining the optimal size and operation of the hydrogen production processes along the country; e.g. the cost production of hydrogen becomes viable for a base-load scenario with 58 TWh/year of power surplus at 0.025 V/kWh, and large number electrolyzer plants (50 MW) running in variable mode (1-12 kA/m2)

Comparisson of hydrogen applications for storage and energy vector

For the decades to come can be foreseen that electricity and water will keep be playing a key role in the countries development, both can be considered the most important energy vectors and its control can be crucial for governments, companies and leaders in general. Energy is essential for all human activities and its availability is critical to economic and social development. In particular, electricity, a form of energy, is required to produce goods, to provide medical assistance and basic civic services in education, to assure availability of clean water, to create conducive environment for prosperity and improvement, and to keep an acceptable quality of life. The way in which electricity is generated from different resources varies through the different countries. Nuclear energy controlled within reactors to steam production, gas, fuel-oil and coal fired in power stations, water, solar and wind energy among others are employed, sometimes not very efficiently, to produce electricity. The so call energy mix of an individual country is formed up by the contribution of each resource or form of energy to the electricity generation market of the so country. During the last decade the establishment of proper energy mixes for countries has gained much importance, and energy drivers should enforce long term plans and policies. Hints, reports and guides giving tracks on energy resources contribution are been developed by noticeable organisations like the IEA (International Energy Agency) or the IAEA (International Atomic Energy Agency) and the WEC (World Energy Council). This paper evaluates energy issues the market and countries are facing today regarding energy mix scheduling and panorama. This paper revises and seeks to improve methodology available that are applicable on energy mix plan definition. Key Factors are identified, established and assessed through this paper for the common implementation, the themes driving the future energy mix methodology proposal. Those have a clear influence and are closely related to future environmental policies. Key Factors take into consideration sustainability, energy security, social and economic growth, climate change, air quality and social stability. The strength of the Key Factors application on energy system planning to different countries is contingent on country resources, location, electricity demand and electricity generation industry, technology available, economic situation and prospects, energy policy and regulation

Josef Albers : la Interacción de la Matière en el arte y en la arquitectura

La materia se presenta ante nosotros en multiplicidad de formas o “apariencias”. A lo largo de la historia se ha reflexionado sobre la relación entre la materia y la forma en distintos campos desde la filosofía hasta la ciencia, pasando por el arte y la arquitectura, moviéndose entre disciplinas desde las más prácticas a las más artísticas, generando posicionamientos opuestos, como el materialismo-idealismo. El concepto de materia a su vez ha ido cambiando a medida que la conciencia humana y la ciencia han ido evolucionando, pasando de considerarse materia como un ente con “masa” a la materia vacía, donde la “masa” es una ilusión que se nos “aparece” dependiendo de la frecuencia con la que vibra su sistema energético. A partir del concepto de “matière” , Josef Albers desarrolla su metodología docente. La matière es más que el aspecto, la “apariencia” que va más allá de la forma cristalizada. Es la forma cambiante que puede adoptar la materia cuando es transformada por el ser humano, dejando su huella sobre ella. Las tres cualidades de la “matière” que el profesor Albers propone en sus ejercicios del Curso Preliminar para desarrollar la “visión” con la “matière” desde la Bauhaus hasta la Universidad de Yale son: Estructural, Factural y Textural. Al desarrollar la observación, teniendo en cuenta estas tres referencias, se descubriá la desvinculación entre lo material y su apariencia desde la honradez. “La discrepancia entre los hechos físicos y el efecto psíquico”. En un proceso constante de ensayo y error se desarrollará la sensibilización individual hacia el material y la evaluación y critica gracias a la dinámica del taller que permite por comparación, aprender y evolucionar como individuo dentro de una sociedad. Esa metodología inductiva regulada por la economía de recursos, promueve el pensamiento creativo, fundamental para producir a través de la articulación un nuevo lenguaje que por medio de la formulación visual exprese nuestra relación con el mundo, con la vida. La vida que constantemente fluye y oscila entre dos polos opuestos, generando interrelaciones que tejen el mundo. Esas interacciones son las que dan vida a la obra artísitica de Albers. PALABRAS CLAVE: materia y matière, estructural factural y textural, vision, hecho físico y efectos psiquico, pensamiento creativo, vida. The matter stands before us in multiple ways or "appearances". Throughout history the relationship between matter and form has been thought out from different fields, from philosophy to science, including art and architecture, moving between disciplines from the most practical to the most artistic generating positions opposites, as materialism-idealism . The concept of matter in turn has changed as the humna consciousness and science have evolved, from being considered as a matter of "mass" to the empty field where the "mass" is an illusion that we "appears" depending on the frequency with which vibrates its energy system. Using the concept of "matière", Josef Albers develops its teaching methodology. The matière is more than the look, the "appearance" that goes beyond the crystallized form. It is the changing form that may take the matter when it is transformed by humans, leaving their mark on it. The three qualities of "matière" that Professor Albers exercises proposed in the Preliminary Course to develop a "vision" with the "matière" from the Bauhaus to Yale are: Structural, Factural and Textural. To develop observation, taking into account these three references, the separation between the material and its appearance was discovered from honesty. "The discrepancy between physical fact and psychic effect." In an ongoing process by trial and error to develop individual sensitzing towards material and critical evaluation through dynamic workshop. The workshop allows for comparison, learn and evolve as an individual within a society. That inductive methodology regulated by the economy of resources, promotes creative thinking, essential to produce through articulation a new language through visual formulation expresses our relationship with the world, with life. Life constantly flowing, oscillates between two opposite poles, creating relationships that weave the world. These interactions are what give life to the artistic work of Albers. KEYWORDS:

ICT Road map for supporting energy systems in smart cities

This paper introduces a road map for ICTs (Information and communication technologies) supporting planning, operation and management of energy systems in smart cities. The road map summarises different elements that form energy systems in cities and proposes research and technical development (RTD) and innovation activities for the development and innovation of ICTs for holistic design, planning and operation of energy systems. In addition, synergies with other ICT systems for smart cities are considered. There are four main target groups for the road map: 1) citizen; 2) building sector; 3) energy sector; and 4) municipality level. As an example for enabling active participation of citizens, the road map proposes how ICT can enable citizens? involvement among others into building design. The building sector roadmap proposes how ICTs can support the planning of buildings and renovations in the future, as well as how to manage building energy systems. The energy sector road map focuses on city?s energy systems and their planning and management, including e.g. demand side management, management of different district level energy systems, energy performance validation and management, energy data models, and smarter use of open energy data. Moreover, the municipality level road map proposes among others ICTs for better integration of city systems and city planning enabling maximised energy efficiency. In addition, one road map section suggests development needs related to open energy data, including among others the use of energy data and the development and harmonisation of energy data models. The road map has been assembled in the READY4SmartCities project (funded by EU 7th Framework Programme), which focuses on the energy system at the city level, consisting of centralised energy systems and connections to the national level energy grids, as well as interconnections to the neighbourhood and building level energy systems.

Fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos

Los sistemas fotovoltaicos autónomos, es decir, sistemas que carecen de conexión a la red eléctrica, presentan una gran utilidad para poder llevar a cabo la electrificación de lugares remotos donde no hay medios de acceder a la energía eléctrica. El continuo avance en el número de sistemas instalados por todo el mundo y su continua difusión técnica no significa que la implantación de estas instalaciones no presente ninguna problemática. A excepción del panel fotovoltaico que presenta una elevada fiabilidad, el resto de elementos que forman el sistema presentan numerosos problemas y dependencias, por tanto el estudio de las fiabilidades de estos elementos es obligado. En este proyecto se pretende analizar y estudiar detalladamente la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos aislados. Primeramente, el presente documento ofrece una introducción sobre la situación mundial de las energías renovables, así como una explicación detallada de la energía fotovoltaica. Esto incluye una explicación técnica de los diferentes elementos que forman el sistema energético (módulo fotovoltaico, batería, regulador de carga, inversor, cargas, cableado y conectores). Por otro lado, se hará un estudio teórico del concepto de fiabilidad, con sus definiciones y parámetros más importantes. Llegados a este punto, el proyecto aplica la teoría de fiabilidad comentada a los sistemas fotovoltaicos autónomos, profundizando en la fiabilidad de cada elemento del sistema así como evaluando el conjunto. Por último, se muestran datos reales de fiabilidad de programas de electrificación, demostrando la variedad de resultados sujetos a los distintos emplazamientos de las instalaciones y por tanto distintas condiciones de trabajo. Se destaca de esta forma la importancia de la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos, pues normalmente este tipo de instalaciones se localizan en emplazamientos remotos, sin personal cualificado de mantenimiento cercano ni grandes recursos logísticos y económicos. También se resalta en el trabajo la dependencia de la radiación solar y el perfil de consumo a la hora de dimensionar el sistema. Abstract Stand-alone photovoltaic systems which are not connected to the utility grid. These systems are very useful to carry out the electrification of remote locations where is no easy to access to electricity. The number increased of systems installed worldwide and their continued dissemination technique does not mean that these systems doesn´t fails. With the exception of the photovoltaic panel with a high reliability, the remaining elements of the system can to have some problems and therefore the study of the reliabilities of these elements is required. This project tries to analyze and study the detaila of the reliability of standalone PV systems. On the one hand, this paper provides an overview of the global situation of renewable energy, as well as a detailed explanation of photovoltaics. This includes a technical detail of the different elements of the energy system (PV module, battery, charge controller, inverter, loads, wiring and connectors). In addition, there will be a theoricall study of the concept of reliability, with the most important definitions and key parameters. On the other hand, the project applies the reliability concepts discussed to the stand-alone photovoltaic systems, analyzing the reliability of each element of the system and analyzing the entire system. Finally, this document shows the most important data about reliability of some electrification programs, checking the variety of results subject to different places and different conditions. As a conclussion, the importance of reliability of stand-alone photovoltaic systems because usually these are located in remote locations, without qualified maintenance and financial resources.These systems operate under dependence of solar radiation and the consumption profile.

Testing a GIS-based methodology for optimal location of Pumped Storage power plants in Norway

Europe needs to restructure its energy system. The aim to decrease the reliance on fossil fuels to a higher dependence on renewable energy has now been imposed by The European Commission. In order to achieve this goal there is a great interest in Norway to become "The Green Battery of Europe". In the pursuit of this goal a GIS-tool was created to investigate the pump storage potential in Norway. The tool searches for possible connections between existing reservoirs and dams with the criteria selected by the user. The aim of this thesis was to test the tool and see if the results suggested were plausible, develop a cost calculation method for the PSH lines, and make suggestions for further development of the tool. During the process the tool presented many non-feasible pumped storage hydropower (PSH) connections. The area of Telemark was chosen for the more detailed study. The results were discussed and some improvements were suggested for further development of the tool. Also a sensitivity test was done to see which of the parameters set by the user are the most relevant for the PSH connection suggestion. From a range of the most promising PSH plants suggested by the tool, the one between Songavatn and Totak was chosen for a case study, where there already exists a power plant between both reservoirs. A new Pumped Storage Plant was designed with a power production of 1200 MW. There are still many topics open to discussion, such as how to deal with environmental restrictions, or how to deal with inflows and outflows of the reservoirs from the existing power plants. Consequently the GIS-tool can be a very useful tool to establish the best possible connections between existing reservoirs and dams, but it still needs a deep study and the creation of new parameters for the user.

Aplicación de energía geotérmica de muy baja entalpia para la climatización de un edificio de oficinas en Alcorcón, Madrid

El presente Proyecto tiene como propósito el estudio de la viabilidad de la implantación de energía geotérmica de muy baja entalpia para la climatización de un edificio empresarial en Madrid. Para ello se emplearon cálculos teóricos y simulaciones realizadas mediante programas informaticos especializados con el fin de estimar los parámetros técnicos necesarios para su viabilidad. Se estimo el suministro de la potencia necesaria a través de tres bombas de calor tipo agua-agua que sustituyen a las bombas de calor aire-agua individuales anteriormente instaladas. El intercambio de calor se realiza a través de sondas geotérmicas U-Simple. Se dimensionaron los colectores, bombas de circulación, deposito de inercia y vaso de expansión necesarios para funcionamiento del sistema. El estudio económico determino la necesidad de una alta inversión inicial, con una rentabilidad a medio plazo. Además de los beneficios económicos se realizo un estudio de las emisiones de gases de efecto invernadero demostrando la reducción de los mismos, lo que refleja que además de ser una tecnología económicamente viable es una energía limpia. ABSTRACT The objective of the present project is to evaluate the viability of the imposition of a low-enthalpy geothermal energy system for air conditioning in a business building in Madrid. In this study, both theoretical calculations and numerical simulations in specialized programs were used in order to estimate the technical parameters needed for its viability. We estimated the necessary power supply, which is delivered by three heat water-water pumps that substitute the individual heat air-water pumps previously installed. The heat exchange is achieved through geothermal vertical simple-U probes. Also in this work we have measured the collectors, flow pumps, inertia deposit and the water expansion vessel needed for the proper operation of the system. The economic study determined the need of a high initial investment with mid-term profit. In addition to the economic benefits, the greenhouse gases emissions were evaluated, finding that the geothermal energy system implies a reduction of these emissions. This reflects the fact that, in addition to being economically viable, the geothermal energy is considered a clean energy.

A free real-time hourly tilted solar irradiation data Website for Europe

The engineering of solar power applications, such as photovoltaic energy (PV) or thermal solar energy requires the knowledge of the solar resource available for the solar energy system. This solar resource is generally obtained from datasets, and is either measured by ground-stations, through the use of pyranometers, or by satellites. The solar irradiation data are generally not free, and their cost can be high, in particular if high temporal resolution is required, such as hourly data. In this work, we present an alternative method to provide free hourly global solar tilted irradiation data for the whole European territory through a web platform. The method that we have developed generates solar irradiation data from a combination of clear-sky simulations and weather conditions data. The results are publicly available for free through Soweda, a Web interface. To our knowledge, this is the first time that hourly solar irradiation data are made available online, in real-time, and for free, to the public. The accuracy of these data is not suitable for applications that require high data accuracy, but can be very useful for other applications that only require a rough estimate of solar irradiation.

Valorización energética de biomasas en el marco de la política energética española. Incentivos económico-financieros y políticos, aportación de valor añadido y prospectiva estratégica de desarrollo

El modelo económico actual basado en el consumo y en la búsqueda permanente de una mayor calidad de vida, unido a una población mundial en aumento, contribuye a incrementar la demanda de servicios energéticos para cubrir las necesidades de energía de las personas y las industrias. Desde finales del siglo XIX la energía se ha generado fundamentalmente a partir de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas), convertidos en el suministro energético predominante mundialmente. Las emisiones de gases de efecto invernadero que genera la prestación de servicios energéticos han contribuido considerablemente al aumento histórico de las concentraciones de esos gases en la atmósfera, hasta el punto de que el consumo de combustibles fósiles es responsable de la mayoría de las emisiones antropogénicas (IPCC, 2012). Existen diversas opciones para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero del sector energético y con ello contribuir a mitigar el cambio climático, entre otras sería viable aumentar la eficiencia energética y sustituir combustibles de origen fósil por combustibles de origen renovable, pudiendo garantizar un suministro de energía sostenible, competitivo y seguro. De todas las energías renovables susceptibles de formar parte de una cartera de opciones de mitigación, esta tesis se centra en la bioenergía generada a partir de la valorización energética de las biomasas agrícolas, forestales, ganaderas o de otro tipo, con fines eléctricos y térmicos. Con objeto de mostrar su capacidad para contribuir a mitigar el cambio climático y su potencial contribución al desarrollo socioeconómico, a la generación de energía distribuida y a reducir determinados efectos negativos sobre el medio ambiente, se ha analizado minuciosamente el sector español de la biomasa en su conjunto. Desde el recurso biomásico que existe en España, las formas de extraerlo y procesarlo, las tecnologías de valorización energética, sus usos energéticos principales y la capacidad de implementación del sector en España. Asimismo se ha examinado el contexto energético tanto internacional y europeo como nacional, y se han analizado pormenorizadamente los instrumentos de soporte que han contribuido de manera directa e indirecta al desarrollo del sector en España. Además, la tesis integra el análisis de los resultados obtenidos mediante dos metodologías diferentes con fines también distintos. Por un lado se han obtenido los resultados medioambientales y socioeconómicos de los análisis de ciclo de vida input-output generados a partir de las cinco tecnologías biomásicas más ampliamente utilizadas en España. Y por otro lado, en base a los objetivos energéticos y medioambientales establecidos, se han obtenido distintas proyecciones de la implementación del sector a medio plazo, en forma de escenarios energéticos con horizonte 2035, mediante el modelo TIMES-Spain. La tesis ofrece también una serie de conclusiones y recomendaciones que podrían resultar pertinentes para los agentes que constituyen la cadena de valor del propio sector e interesados, así como para la formulación de políticas y mecanismos de apoyo para los agentes decisores, tanto del ámbito de la Administración General del Estado como autonómico y regional, sobre las características y ventajas de determinadas formas de valorización, sobre los efectos sociales y medioambientales que induce su uso, y sobre la capacidad de sector para contribuir a determinadas políticas más allá de las puramente energéticas. En todo caso, esta tesis doctoral aspira a contribuir a la toma de decisiones idóneas tanto a los agentes del sector como a responsables públicos, con objeto de adoptar medidas orientadas a fomentar modificaciones del sistema energético que incrementen la proporción de energía renovable y, de esta forma, contribuir a mitigar la amenaza que supone el cambio climático no solo en la actualidad, sino especialmente en los próximos años para las generaciones venideras. ABSTRACT The current economic model based on both, consumption and the constant search for greater quality of life, coupled with a growing world population, contribute to increase the demand for energy services in order to meet the energy needs of people and industries. Since the late nineteenth century, energy has been basically generated from fossil fuels (coal, oil and gas), which converted fossil fuels into the predominant World energy supply source. Emissions of greenhouse gases generated by the provision of energy services have contributed significantly to the historical increase in the concentrations of these gases in the atmosphere, to the extent that the consumption of fossil fuels is responsible for most of the anthropogenic emissions (IPCC, 2012). There are several options to reduce emissions of greenhouse gases in the energy sector and, thereby, to contribute to mitigate climate change. Among others, would be feasible to increase energy efficiency and progressively replacing fossil fuels by renewable fuels, which are able to ensure a sustainable, competitive and secure energy supply. Of all the renewable energies likely to form part of a portfolio of mitigation options, this thesis focuses on bioenergy generated from agricultural, forestry, farming or other kind of biomass, with electrical and thermal purposes. In order to show their ability to contribute to mitigate climate change and its potential contribution to socio-economic development, distributed energy generation and to reduce certain negative effects on the environment, the Spanish biomass sector as a whole has been dissected. From the types of biomass resources that exist in Spain, ways of extracting and processing them, energy production technologies, its main energy uses and the implementation capacity of the sector in Spain. It has also examined the international, European and national energy context, and has thoroughly analyzed the support instruments that have contributed directly and indirectly to the development of the sector in Spain, so far. Furthermore, the thesis integrates the analysis of results obtained using two different methodologies also with different purposes. On the one hand, the environmental and socio-economic results of the analysis of input-output cycle life generated from the five biomass technologies most widely used in Spain, have been obtained. On the other hand, different projections of the implementation of the sector in the medium term, as energy scenarios with horizon 2035, have been obtained by the model TIMES-Spain, based on several energy and environmental objectives. The thesis also offers a series of conclusions and recommendations that could be relevant to the agents that constitute the value chain of the biomass sector itself and other stakeholders. As well as policy and support mechanisms for decision-makers, from both: The Central and Regional Governments, on the characteristics and advantages of certain forms of valorization, on the social and environmental effects that induce their use, and the ability of the biomass sector to contribute to certain policies beyond the purely energy ones. In any case, this thesis aims to contribute to decision making, suitable for both: Industry players and to public officials. In order to adopt measures to promote significant changes in the energy system that increase the proportion of renewable energy and, consequently, that contribute to mitigate the threat of climate change; not only today but in the coming years, especially for future generations.

Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental

La presente tesis doctoral, “Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental”, desarrolla la valorización energética de los residuos del carbón, estériles de carbón, producidos durante las etapas de extracción y lavado del carbón. El sistema energético se encuentra en una encrucijada, estamos asistiendo a un cambio en el paradigma energético y, en concreto, en el sector de la generación eléctrica. Se precipita un cambio en la generación y el consumo eléctricos. Una mayor concienciación por la salud está forzando la contención y eliminación de agentes contaminantes que se generan por la utilización de combustibles fósiles de la forma en la que se viene haciendo. Aumenta la preocupación por el cambio climático y por contener en 2°C el aumento de la temperatura de la Tierra para final de este siglo, circunstancia que está impulsando el desarrollo e implantación definitiva de tecnología de control y reducción de emisiones CO2. Generar electricidad de una manera sostenible se está convirtiendo en una obligación. Esto se materializa en generar electricidad respetando el medioambiente, de una forma eficiente en la utilización de los recursos naturales y a un coste competitivo, pensando en el desarrollo de la sociedad y en el beneficio de las personas. En la actualidad, el carbón es la principal fuente de energía utilizada para generar electricidad, y su empleo presenta la forma de energía más barata para mejorar el nivel de vida de cualquier grupo y sociedad. Además, se espera que el carbón siga presente en el mix de generación eléctrica, manteniendo una significativa presencia y extrayéndose en elevadas cantidades. Pero la producción de carbón lleva asociada la generación de un residuo, estéril, que se produce durante la extracción y el lavado del mineral de carbón. Durante décadas se ha estudiado la posibilidad de utilizar el estéril y actualmente se utiliza, en un limitado porcentaje, en la construcción de carreteras, terraplenes y rellenos, y en la producción de algunos materiales de construcción. Esta tesis doctoral aborda la valorización energética del estéril, y analiza el potencial aprovechamiento del residuo para generar electricidad, en una instalación que integre tecnología disponible para minimizar el impacto medioambiental. Además, persigue aprovechar el significativo contenido en azufre que presenta el estéril para producir ácido sulfúrico (H2SO4) como subproducto de la instalación, un compuesto químico muy demandado por la industria de los fertilizantes y con multitud de aplicaciones en otros mercados. Se ha realizado el análisis de caracterización del estéril, los parámetros significativos y los valores de referencia para su empleo como combustible, encontrándose que su empleo como combustible para generar electricidad es posible. Aunque en España se lleva extrayendo carbón desde principios del siglo XVIII, se ha evaluado para un período más reciente la disponibilidad del recurso en España y la normativa existente que condiciona su aplicación en el territorio nacional. Para el período evaluado, se ha calculado que podrían estar disponibles más de 68 millones de toneladas de estéril susceptibles de ser valorizados energéticamente. Una vez realizado el análisis de la tecnología disponible y que podría considerarse para emplear el estéril como combustible, se proponen cuatro configuraciones posibles de planta, tres de ellas basadas en un proceso de combustión y una de ellas en un proceso de gasificación. Tras evaluar las cuatro configuraciones por su interés tecnológico, innovador y económico, se desarrolla el análisis conceptual de una de ellas, basada en un proceso de combustión. La instalación propuesta tiene una capacidad de 65 MW y emplea como combustible una mezcla de carbón y estéril en relación 20/80 en peso. La instalación integra tecnología para eliminar en un 99,8% el SO2 presente en el gas de combustión y en más de un 99% las partículas generadas. La instalación incorpora una unidad de producción de H2SO4, capaz de producir 18,5 t/h de producto, y otra unidad de captura para retirar un 60% del CO2 presente en la corriente de gases de combustión, produciendo 48 tCO2/h. La potencia neta de la planta es 49,7 MW. Se ha calculado el coste de inversión de la instalación, y su cálculo resulta en un coste de inversión unitario de 3.685 €/kW. ABSTRACT The present doctoral thesis, “Thermal utilisation of waste coal for electricity generation by deployment of efficient combustion and gasification technologies with minimum environmental impact”, develops an innovative waste-to-energy concept of waste coals produced during coal mining and washing. The energy system is at a dilemma, we are witnessing a shift in the energy paradigm and specifically in the field of electricity generation. A change in the generation and electrical consumption is foreseen. An increased health consciousness is forcing the containment and elimination of pollutants that are generated by the use of fossil fuels in the way that is being done. Increasing concern about climate change and to contain the rise of global temperature by 2°C by the end of this century, is promoting the development and final implementation of technology to control and reduce the CO2 emission. Electricity generation in a sustainable manner is becoming an obligation. This concept materialised in generating electricity while protecting the environment and deployment of natural resources at a competitive cost, considering the development of society and people´s benefit. Currently, coal is the main source of energy employ to generate electricity, and its use represents the most cost competitive form of energy to increase the standard of living of any group or society. Moreover, coal will keep playing a key role in the global electricity generation mix, maintaining a significant presence and being extracting in large amounts. However, coal production implies the production of waste, termed waste coal or culm in Pennsylvania anthracite extraction, produced during coal mining and coal washing activities. During the last decades, the potential use of waste coal has been studied, and currently, in a limited amount, waste coal is used in roads construction, embankments and fillings, and to produce some construction materials. This doctoral thesis evaluates the waste to energy of waste coals and assesses its potential use to generate electricity, implementing available technology to minimise the environment impact. Additionally, it pursues the significant advantage that presents sulphur content in waste coal to produce sulphuric acid (H2SO4) as a byproduct of the waste-to-energy process, a chemical compound highly demanded by the fertiliser industry and many applications in other markets. It analyses the characteristics of waste coal, and assesses the significant parameters and reference values for its use as fuel, being its fuel use for electricity generation very possible. While mining coal is taking place in Spain since the 1700s, it has been evaluated for a more recent period the waste coal available in Spain and the existing legislation that affects its application and deploy to generate electricity in the country. For the evaluation period has been calculated that may be available more than 68 million tons of waste coal that can be waste-toenergy. The potential available technology to deploy waste coal as fuel has been evaluated and assessed. After considering this, the doctoral thesis proposes four innovative alternatives of facility configuration, three of them based on a combustion process and one in a gasification process. After evaluating the four configurations for its technological, innovative and economic interest, the conceptual analysis of one of alternatives, based on a combustion process, takes place. The proposed alternative facility developed has a capacity of 65 MW, using as fuel a mixture of coal and waste coal 80/20 by weight. The facility comprises technology to remove 99.8% SO2 present in the flue gas and more than 99% of the particles. The facility includes a unit capable of producing 18.5 t/h of H2SO4, and another capture facility, removing 60% of CO2 present in the flue gas stream, producing 48 tCO2/h. The net capacity of the power station is 49.7 MW. The facility unitary cost of investment is 3,685 €/kW.

La construcción del espacio litoral : el caso de la costa de Cartagena

El litoral ha constituido a lo largo de la historia una importante fuente de recursos económicos además de un punto estratégico para la defensa del territorio. El comercio, la pesca o la industria de la sal han propiciado la formación de poblaciones y ciudades al borde del mar. La costa funcionó como un ámbito defensivo, peligroso e insalubre durante siglos donde el mar modulaba el frente costero sin grandes interacciones con un entorno prácticamente deshabitado. A mediados del siglo XIX, las innovaciones técnicas y la pacificación definitiva del Mediterráneo permiten poner en valor sus características naturales y de oportunidad. Sin perder del todo su valor defensivo, el litoral resurge como recurso productivo y como lugar de ocio y disfrute de la población. El valor estratégico de la costa quedará también reflejado en el marco normativo. El derecho civil moderno recuperará el concepto de Dominio público Marítimo Terrestre a través de la Ley de Aguas de 1866 que regulará también los usos y las limitaciones en la propiedad privada litoral. Desde ese momento, las transformaciones económicas, sociales, jurídicas y ambientales van a provocar un cambio significativo en la relación entre la sociedad y la costa que dará paso a la construcción del espacio litoral que hemos heredado. Desde la triple perspectiva del litoral como sistema físico ambiental, sistema económico, productivo y cultural, y sistema administrativo y legal, el principal objetivo de la tesis será reconstruir el proceso de transformación del litoral consecuencia de la evolución en la forma de producción del espacio, de área defensiva a recurso productivo, y desde mediados del siglo XIX hasta principios del siglo XXI. Sin embargo, la construcción del litoral no ha sido homogénea ni constante a lo largo del tiempo. Ha estado sujeta a los distintos vaivenes económicos y sociales pero también a los cambios en el modelo territorial definido por el marco legal vigente, así como a los reajustes del propio sistema físico. Como instrumento sociopolítico, el marco legal regula las presiones del sistema económico sobre el medio, apostando por una visión frente a otra, y posibilitando el grado de transformación final. Así, el conocimiento sobre el territorio en el que se interviene y la definición del modelo de litoral por parte de los poderes públicos irán configurando el espacio físico, económico y social desarrollado en la costa. Para la reconstrucción del proceso de construcción del litoral, la tesis define cuatro fases diferentes y aplica las hipótesis y la metodología a la costa de Cartagena. Se presenta gráficamente la evolución en los tres sistemas en cada una de las fases, y se recompone el relato histórico a través de los hitos más relevantes para el proceso. En cada una de las fases, el nuevo modelo intentará dar respuesta a todo aquello que no funcionó o se quedó a medias en el periodo anterior. Las crisis económicas provocan la ralentización de la actividad productiva y, consecuentemente, de las transformaciones en el territorio. Servirán para establecer, en principio, un cambio de paradigma en la lectura y gestión del litoral que acabará traduciéndose en un nuevo texto legislativo en materia de costas (1969, 1988 y 2013). La reforma de la normativa responde a una nueva forma de entender, ordenar, gestionar e intervenir en el territorio, donde se modulan las pautas pero también la intensidad en la intervención. Pero nace condicionada por el litoral heredado: los derechos generados durante la vigencia del marco legal anterior; el modelo económico y sus presiones y expectativas sobre el litoral; y el medio físico en el que se acumulan los procesos de degradación no resueltos y los nuevos riesgos. Así, las conclusiones de la tesis ponen de manifiesto la necesidad de una visión compleja e integral sobre el litoral, en la que el urbanismo y la ordenación del territorio serán fundamentales para afrontar los nuevos retos en su construcción a futuro. ABSTRACT The littoral has been throughout history an important source of economic resources and a strategic point for the defense of territory. Trade, fishing or salt industry have led to the formation of towns and cities on the edge of the sea. The coast served as a defensive, dangerous and unhealthy place where the sea modulated for centuries the waterfront without major interactions with a virtually uninhabited environment. In the mid-nineteenth century, technical innovations and the final pacification of the Mediterranean allowed to value its natural features and opportunities. Without entirely losing its defensive value, the coast emerges as a productive resource and as a place of leisure and enjoyment of people. The strategic value of the coast will also be reflected in the legal framework. The concept of maritime-terrestrial public domain will be recovered by the modern civil law and the law of waters of 1866 governs the uses and limitations of private ownership of the coast. Since then, the economic, social, legal and environmental changes will to cause a significant change in the relationship between society and the coast that will give way to the construction of littoral space inherited. From the triple perspective of the littoral as a physical environmental system, an economic, productive and cultural system, and an administrative and legal system, the main objective of the thesis is to rebuild its process of transformation, as a result of the evolution in the way that space is produced, from defensive zone to productive resource, and from the middle of the nineteenth century until the beginning of the twenty-first century. However, the construction of the coast has not been uniform nor constant over time. It has been subject to different economic and social fluctuations and also to changes in the territorial model defined by the legal framework in force, as well as to readjustments of the physical system itself. As socio-political instrument, the legal framework regulates the pressure of the economic system on the environment, it bets on a vision over another and facilitates the final degree of transformation. Thus, the knowledge on the territory that is being intervened and the definition of the model of shoreline by public authorities will configure the physical, economic and social space developed on the coast. For the reconstruction of the littoral building process, the thesis defines four different phases and applies the hypothesis and methodology to the coast of Cartagena. It introduces graphically the evolution of the three systems in each of the phases and it recomposes the historical account through of the most important milestones for the process. In each phase, the new model will attempt to answer everything that did not work or was half in the previous period. Economic crises cause a slowdown in productive activity and, consequently, in the changes of territory. They serve to establish, in principle, a paradigm shift for reading and managing the littoral, eventually resulting in new legal texts on coasts matter (1969, 1988 and 2013). The reform of legislation responds to a new way for understanding, arranging, managing and intervening on the territory, where the guidelines and also the intervention intensity are modulated. But it is born conditioned by the inherited coast: the rights generated under previous legal framework; the economic model and its pressures and expectations on the littoral; and the physical environment which accumulates degradation processes unresolved and new risks. Thus, the thesis conclusions highlight the need for a complex and comprehensive view on the littoral, where urban planning and land-use planning will be key to meet the future challenges in its construction.