Design and Simulation of Deep Nanometer SRAM Cells under Energy, Mismatch, and Radiation Constraints

La fiabilidad está pasando a ser el principal problema de los circuitos integrados según la tecnología desciende por debajo de los 22nm. Pequeñas imperfecciones en la fabricación de los dispositivos dan lugar ahora a importantes diferencias aleatorias en sus características eléctricas, que han de ser tenidas en cuenta durante la fase de diseño. Los nuevos procesos y materiales requeridos para la fabricación de dispositivos de dimensiones tan reducidas están dando lugar a diferentes efectos que resultan finalmente en un incremento del consumo estático, o una mayor vulnerabilidad frente a radiación. Las memorias SRAM son ya la parte más vulnerable de un sistema electrónico, no solo por representar más de la mitad del área de los SoCs y microprocesadores actuales, sino también porque las variaciones de proceso les afectan de forma crítica, donde el fallo de una única célula afecta a la memoria entera. Esta tesis aborda los diferentes retos que presenta el diseño de memorias SRAM en las tecnologías más pequeñas. En un escenario de aumento de la variabilidad, se consideran problemas como el consumo de energía, el diseño teniendo en cuenta efectos de la tecnología a bajo nivel o el endurecimiento frente a radiación. En primer lugar, dado el aumento de la variabilidad de los dispositivos pertenecientes a los nodos tecnológicos más pequeños, así como a la aparición de nuevas fuentes de variabilidad por la inclusión de nuevos dispositivos y la reducción de sus dimensiones, la precisión del modelado de dicha variabilidad es crucial. Se propone en la tesis extender el método de inyectores, que modela la variabilidad a nivel de circuito, abstrayendo sus causas físicas, añadiendo dos nuevas fuentes para modelar la pendiente sub-umbral y el DIBL, de creciente importancia en la tecnología FinFET. Los dos nuevos inyectores propuestos incrementan la exactitud de figuras de mérito a diferentes niveles de abstracción del diseño electrónico: a nivel de transistor, de puerta y de circuito. El error cuadrático medio al simular métricas de estabilidad y prestaciones de células SRAM se reduce un mínimo de 1,5 veces y hasta un máximo de 7,5 a la vez que la estimación de la probabilidad de fallo se mejora en varios ordenes de magnitud. El diseño para bajo consumo es una de las principales aplicaciones actuales dada la creciente importancia de los dispositivos móviles dependientes de baterías. Es igualmente necesario debido a las importantes densidades de potencia en los sistemas actuales, con el fin de reducir su disipación térmica y sus consecuencias en cuanto al envejecimiento. El método tradicional de reducir la tensión de alimentación para reducir el consumo es problemático en el caso de las memorias SRAM dado el creciente impacto de la variabilidad a bajas tensiones. Se propone el diseño de una célula que usa valores negativos en la bit-line para reducir los fallos de escritura según se reduce la tensión de alimentación principal. A pesar de usar una segunda fuente de alimentación para la tensión negativa en la bit-line, el diseño propuesto consigue reducir el consumo hasta en un 20 % comparado con una célula convencional. Una nueva métrica, el hold trip point se ha propuesto para prevenir nuevos tipos de fallo debidos al uso de tensiones negativas, así como un método alternativo para estimar la velocidad de lectura, reduciendo el número de simulaciones necesarias. Según continúa la reducción del tamaño de los dispositivos electrónicos, se incluyen nuevos mecanismos que permiten facilitar el proceso de fabricación, o alcanzar las prestaciones requeridas para cada nueva generación tecnológica. Se puede citar como ejemplo el estrés compresivo o extensivo aplicado a los fins en tecnologías FinFET, que altera la movilidad de los transistores fabricados a partir de dichos fins. Los efectos de estos mecanismos dependen mucho del layout, la posición de unos transistores afecta a los transistores colindantes y pudiendo ser el efecto diferente en diferentes tipos de transistores. Se propone el uso de una célula SRAM complementaria que utiliza dispositivos pMOS en los transistores de paso, así reduciendo la longitud de los fins de los transistores nMOS y alargando los de los pMOS, extendiéndolos a las células vecinas y hasta los límites de la matriz de células. Considerando los efectos del STI y estresores de SiGe, el diseño propuesto mejora los dos tipos de transistores, mejorando las prestaciones de la célula SRAM complementaria en más de un 10% para una misma probabilidad de fallo y un mismo consumo estático, sin que se requiera aumentar el área. Finalmente, la radiación ha sido un problema recurrente en la electrónica para aplicaciones espaciales, pero la reducción de las corrientes y tensiones de los dispositivos actuales los está volviendo vulnerables al ruido generado por radiación, incluso a nivel de suelo. Pese a que tecnologías como SOI o FinFET reducen la cantidad de energía colectada por el circuito durante el impacto de una partícula, las importantes variaciones de proceso en los nodos más pequeños va a afectar su inmunidad frente a la radiación. Se demuestra que los errores inducidos por radiación pueden aumentar hasta en un 40 % en el nodo de 7nm cuando se consideran las variaciones de proceso, comparado con el caso nominal. Este incremento es de una magnitud mayor que la mejora obtenida mediante el diseño de células de memoria específicamente endurecidas frente a radiación, sugiriendo que la reducción de la variabilidad representaría una mayor mejora. ABSTRACT Reliability is becoming the main concern on integrated circuit as the technology goes beyond 22nm. Small imperfections in the device manufacturing result now in important random differences of the devices at electrical level which must be dealt with during the design. New processes and materials, required to allow the fabrication of the extremely short devices, are making new effects appear resulting ultimately on increased static power consumption, or higher vulnerability to radiation SRAMs have become the most vulnerable part of electronic systems, not only they account for more than half of the chip area of nowadays SoCs and microprocessors, but they are critical as soon as different variation sources are regarded, with failures in a single cell making the whole memory fail. This thesis addresses the different challenges that SRAM design has in the smallest technologies. In a common scenario of increasing variability, issues like energy consumption, design aware of the technology and radiation hardening are considered. First, given the increasing magnitude of device variability in the smallest nodes, as well as new sources of variability appearing as a consequence of new devices and shortened lengths, an accurate modeling of the variability is crucial. We propose to extend the injectors method that models variability at circuit level, abstracting its physical sources, to better model sub-threshold slope and drain induced barrier lowering that are gaining importance in FinFET technology. The two new proposed injectors bring an increased accuracy of figures of merit at different abstraction levels of electronic design, at transistor, gate and circuit levels. The mean square error estimating performance and stability metrics of SRAM cells is reduced by at least 1.5 and up to 7.5 while the yield estimation is improved by orders of magnitude. Low power design is a major constraint given the high-growing market of mobile devices that run on battery. It is also relevant because of the increased power densities of nowadays systems, in order to reduce the thermal dissipation and its impact on aging. The traditional approach of reducing the voltage to lower the energy consumption if challenging in the case of SRAMs given the increased impact of process variations at low voltage supplies. We propose a cell design that makes use of negative bit-line write-assist to overcome write failures as the main supply voltage is lowered. Despite using a second power source for the negative bit-line, the design achieves an energy reduction up to 20% compared to a conventional cell. A new metric, the hold trip point has been introduced to deal with new sources of failures to cells using a negative bit-line voltage, as well as an alternative method to estimate cell speed, requiring less simulations. With the continuous reduction of device sizes, new mechanisms need to be included to ease the fabrication process and to meet the performance targets of the successive nodes. As example we can consider the compressive or tensile strains included in FinFET technology, that alter the mobility of the transistors made out of the concerned fins. The effects of these mechanisms are very dependent on the layout, with transistor being affected by their neighbors, and different types of transistors being affected in a different way. We propose to use complementary SRAM cells with pMOS pass-gates in order to reduce the fin length of nMOS devices and achieve long uncut fins for the pMOS devices when the cell is included in its corresponding array. Once Shallow Trench isolation and SiGe stressors are considered the proposed design improves both kinds of transistor, boosting the performance of complementary SRAM cells by more than 10% for a same failure probability and static power consumption, with no area overhead. While radiation has been a traditional concern in space electronics, the small currents and voltages used in the latest nodes are making them more vulnerable to radiation-induced transient noise, even at ground level. Even if SOI or FinFET technologies reduce the amount of energy transferred from the striking particle to the circuit, the important process variation that the smallest nodes will present will affect their radiation hardening capabilities. We demonstrate that process variations can increase the radiation-induced error rate by up to 40% in the 7nm node compared to the nominal case. This increase is higher than the improvement achieved by radiation-hardened cells suggesting that the reduction of process variations would bring a higher improvement.

Energy and power aware scheduling algorithm modeling for battery powered embedded systems

Energy management has always been recognized as a challenge in mobile systems, especially in modern OS-based mobile systems where multi-functioning are widely supported. Nowadays, it is common for a mobile system user to run multiple applications simultaneously while having a target battery lifetime in mind for a specific application. Traditional OS-level power management (PM) policies make their best effort to save energy under performance constraint, but fail to guarantee a target lifetime, leaving the painful trading off between the total performance of applications and the target lifetime to the user itself. This thesis provides a new way to deal with the problem. It is advocated that a strong energy-aware PM scheme should first guarantee a user-specified battery lifetime to a target application by restricting the average power of those less important applications, and in addition to that, maximize the total performance of applications without harming the lifetime guarantee. As a support, energy, instead of CPU or transmission bandwidth, should be globally managed as the first-class resource by the OS. As the first-stage work of a complete PM scheme, this thesis presents the energy-based fair queuing scheduling, a novel class of energy-aware scheduling algorithms which, in combination with a mechanism of battery discharge rate restricting, systematically manage energy as the first-class resource with the objective of guaranteeing a user-specified battery lifetime for a target application in OS-based mobile systems. Energy-based fair queuing is a cross-application of the traditional fair queuing in the energy management domain. It assigns a power share to each task, and manages energy by proportionally serving energy to tasks according to their assigned power shares. The proportional energy use establishes proportional share of the system power among tasks, which guarantees a minimum power for each task and thus, avoids energy starvation on any task. Energy-based fair queuing treats all tasks equally as one type and supports periodical time-sensitive tasks by allocating each of them a share of system power that is adequate to meet the highest energy demand in all periods. However, an overly conservative power share is usually required to guarantee the meeting of all time constraints. To provide more effective and flexible support for various types of time-sensitive tasks in general purpose operating systems, an extra real-time friendly mechanism is introduced to combine priority-based scheduling into the energy-based fair queuing. Since a method is available to control the maximum time one time-sensitive task can run with priority, the power control and time-constraint meeting can be flexibly traded off. A SystemC-based test-bench is designed to assess the algorithms. Simulation results show the success of the energy-based fair queuing in achieving proportional energy use, time-constraint meeting, and a proper trading off between them. La gestión de energía en los sistema móviles está considerada hoy en día como un reto fundamental, notándose, especialmente, en aquellos terminales que utilizando un sistema operativo implementan múltiples funciones. Es común en los sistemas móviles actuales ejecutar simultaneamente diferentes aplicaciones y tener, para una de ellas, un objetivo de tiempo de uso de la batería. Tradicionalmente, las políticas de gestión de consumo de potencia de los sistemas operativos hacen lo que está en sus manos para ahorrar energía y satisfacer sus requisitos de prestaciones, pero no son capaces de proporcionar un objetivo de tiempo de utilización del sistema, dejando al usuario la difícil tarea de buscar un compromiso entre prestaciones y tiempo de utilización del sistema. Esta tesis, como contribución, proporciona una nueva manera de afrontar el problema. En ella se establece que un esquema de gestión de consumo de energía debería, en primer lugar, garantizar, para una aplicación dada, un tiempo mínimo de utilización de la batería que estuviera especificado por el usuario, restringiendo la potencia media consumida por las aplicaciones que se puedan considerar menos importantes y, en segundo lugar, maximizar las prestaciones globales sin comprometer la garantía de utilización de la batería. Como soporte de lo anterior, la energía, en lugar del tiempo de CPU o el ancho de banda, debería gestionarse globalmente por el sistema operativo como recurso de primera clase. Como primera fase en el desarrollo completo de un esquema de gestión de consumo, esta tesis presenta un algoritmo de planificación de encolado equitativo (fair queueing) basado en el consumo de energía, es decir, una nueva clase de algoritmos de planificación que, en combinación con mecanismos que restrinjan la tasa de descarga de una batería, gestionen de forma sistemática la energía como recurso de primera clase, con el objetivo de garantizar, para una aplicación dada, un tiempo de uso de la batería, definido por el usuario, en sistemas móviles empotrados. El encolado equitativo de energía es una extensión al dominio de la energía del encolado equitativo tradicional. Esta clase de algoritmos asigna una reserva de potencia a cada tarea y gestiona la energía sirviéndola de manera proporcional a su reserva. Este uso proporcional de la energía garantiza que cada tarea reciba una porción de potencia y evita que haya tareas que se vean privadas de recibir energía por otras con un comportamiento más ambicioso. Esta clase de algoritmos trata a todas las tareas por igual y puede planificar tareas periódicas en tiempo real asignando a cada una de ellas una reserva de potencia que es adecuada para proporcionar la mayor de las cantidades de energía demandadas por período. Sin embargo, es posible demostrar que sólo se consigue cumplir con los requisitos impuestos por todos los plazos temporales con reservas de potencia extremadamente conservadoras. En esta tesis, para proporcionar un soporte más flexible y eficiente para diferentes tipos de tareas de tiempo real junto con el resto de tareas, se combina un mecanismo de planificación basado en prioridades con el encolado equitativo basado en energía. En esta clase de algoritmos, gracias al método introducido, que controla el tiempo que se ejecuta con prioridad una tarea de tiempo real, se puede establecer un compromiso entre el cumplimiento de los requisitos de tiempo real y el consumo de potencia. Para evaluar los algoritmos, se ha diseñado en SystemC un banco de pruebas. Los resultados muestran que el algoritmo de encolado equitativo basado en el consumo de energía consigue el balance entre el uso proporcional a la energía reservada y el cumplimiento de los requisitos de tiempo real.

Electrodynamic Tether at Jupiter I: Capture operation and constraints

Tethered spacecraft missions to the Jovian system suit the use of electrodynamic tethers because: 1) magnetic stresses are 100 times greater than at the Earth; 2) the stationary orbit is one-third the relative distance for Earth; and 3) moon Io is a nearby giant plasma source. The (bare) tether is a reinforced aluminum foil with tens of kilometer length L and a fraction of millimeter thickness h, which collects electrons as an efficient Langmuir probe and can tap Jupiter’s rotational energy for both propulsion and power. In this paper, the critical capture operation is explicitly formulated in terms of orbit geometry and established magnetic and thermal plasma models. The design parameters L and h and capture perijove radius rp face opposite criteria independent of tape width. Efficient capture requires a low rp and a high L 3/2/h ratio. However, combined bounds on tether bowing and tether tensile stress, arising from a spin made necessary by the low Jovian gravity gradient, require a high rp and a low L 5/2/h ratio. Bounds on tether temperature again require a high rp and a low L 3/8/(tether emissivity)1/4 ratio. Optimal design values are discussed.

On-the-fly dynamic reprogramming mechanism for increasing the energy efficiency and supporting multi-experimental capabilities in WSNs

Remote reprogramming capabilities are one of the major concerns in WSN platforms due to the limitations and constraints that low power wireless nodes poses, especially when energy efficiency during the reprogramming process is a critical factor for extending the battery life of the devices. Moreover, WSNs are based on low-rate protocols in which as greater the amount of data is sent, the more the possibility to lose packets during the transmitting process is. In order to overcome these limitations, in this work a novel on-the-fly reprogramming technique for modifying and updating the application running on the wireless sensor nodes is designed and implemented, based on a partial reprogramming mechanism that significantly reduces the size of the files to be downloaded to the nodes, therefore diminishing their power/time consumption. This powerful mechanism also addresses multi-experimental capabilities because it provides the possibility to download, manage, test and debug multiple applications into the wireless nodes, based on a memory map segmentation of the core. Being an on-the-fly reprogramming process, no additional resources to store and download the configuration file are needed.

Energy Management Module for Mobile Robots in Hostile Environments

In hostile environments at CERN and other similar scientific facilities, having a reliable mobile robot system is essential for successful execution of robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy. Because of environmental constraints, such mobile robots are usually battery-powered and hence energy management and optimization is one of the key challenges in this field. The ability to know beforehand the energy consumed by various elements of the robot (such as locomotion, sensors, controllers, computers and communication) will allow flexibility in planning or managing the tasks to be performed by the robot.

A game theory based strategy for reducing energy consumption in cognitive WSN

Wireless sensor networks (WSNs) are one of the most important users of wireless communication technologies in the coming years and some challenges in this area must be addressed for their complete development. Energy consumption and spectrum availability are two of the most severe constraints of WSNs due to their intrinsic nature. The introduction of cognitive capabilities into these networks has arisen to face the issue of spectrum scarcity but could be used to face energy challenges too due to their new range of communication possibilities. In this paper a new strategy based on game theory for cognitive WSNs is discussed. The presented strategy improves energy consumption by taking advantage of the new change-communication-channel capability. Based on game theory, the strategy decides when to change the transmission channel depending on the behavior of the rest of the network nodes. The strategy presented is lightweight but still has higher energy saving rates as compared to noncognitive networks and even to other strategies based on scheduled spectrum sensing. Simulations are presented for several scenarios that demonstrate energy saving rates of around 65% as compared to WSNs without cognitive techniques.

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.

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)