Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

La reutilización de efluentes depurados en España: retrospectiva, desarrollo del marco normativo, estudio de las tecnologías de regeneración frente a los biorreactores de membrana y sus costes en función del uso

La reutilización de efluentes depurados siempre ha sido una opción en lugares con déficit coyuntural o estructural de recursos hídricos, se haya o no procedido a la regulación y planificación de esta práctica. La necesidad se crea a partir de las demandas de una zona, normalmente riego agrícola, que ven un mejor desarrollo de su actividad por contar con este recurso. España es el país de la UE que más caudal reutiliza, y está dentro de los diez primeros a nivel mundial. La regulación de esta práctica por el RD 1620/2007, ayudó a incorporar la reutilización de efluentes depurados a la planificación hidrológica como parte de los programas de medidas, con objeto de mitigar presiones, como son las extracciones de agua superficial y subterránea, o mejoras medioambientales evitando un vertido. El objeto de este trabajo es conocer la situación de la reutilización de efluentes depurados en España, los diferentes escenarios y planteamientos de esta actividad, el desarrollo del marco normativo y su aplicabilidad, junto a los tratamientos que permiten alcanzar los límites de calidad establecidos en la normativa vigente, en función de los distintos usos. Además, se aporta un análisis de costes de las distintas unidades de tratamiento y tipologías de líneas de regeneración, tanto de las utilizadas después de un tratamiento secundario como de otras opciones de depuración, como son los biorreactores de membrana (MBRs). Para el desarrollo de estos objetivos, en primer lugar, se aborda el conocimiento de la situación de la reutilización en España a través de una base de datos diseñada para cubrir todos los aspectos de esta actividad: datos de la estación depuradora de aguas residuales (EDAR), de la estación regeneradora (ERA), caudales depurados, reutilizados, volúmenes utilizados y ubicación de los distintos usos, tipos de líneas de tratamiento, calidades del agua reutilizada, etc. Las principales fuentes de información son las Confederaciones Hidrográficas (CCHH) a través de las concesiones de uso del agua depurada, las entidades de saneamiento y depuración de las distintas comunidades autónomas (CCAA), ayuntamientos, Planes Hidrológicos de Cuenca (PHC) y visitas a las zonas más emblemáticas. Además, se revisan planes y programas con el fin de realizar una retrospectiva de cómo se ha ido consolidando y desarrollando esta práctica en las distintas zonas de la geografía española. Se han inventariado 322 sistemas de reutilización y 216 tratamientos de regeneración siendo el más extendido la filtración mediante filtro arena seguido de una desinfección mediante hipoclorito, aunque este tratamiento se ha ido sustituyendo por un físico-químico con decantación lamelar, filtro de arena y radiación ultravioleta, tratamiento de regeneración convencional (TRC), y otros tratamientos que pueden incluir membranas, tratamientos de regeneración avanzados (TRA), con dosificación de hipoclorito como desinfección residual, para adaptarse al actual marco normativo. El uso más extendido es el agrícola con el 70% del caudal total reutilizado, estimado en 408 hm3, aunque la capacidad de los tratamientos de regeneración esperada para 2015, tras el Plan Nacional de Reutilización de Aguas (PNRA), es tres veces superior. Respecto al desarrollo normativo, en las zonas donde la reutilización ha sido pionera, las administraciones competentes han ido desarrollando diferentes recomendaciones de calidad y manejo de este tipo de agua. El uso agrícola, y en zonas turísticas, el riego de campos de golf, fueron los dos primeros usos que tuvieron algún tipo de recomendación incluso reglamentación. Esta situación inicial, sin una normativa a nivel estatal ni recomendaciones europeas, creó cierta incertidumbre en el avance de la reutilización tanto a nivel de concesiones como de planificación. En la actualidad sigue sin existir una normativa internacional para la reutilización y regeneración de efluentes depurados. Las recomendaciones de referencia a nivel mundial, y en concreto para el uso agrícola, son las de la OMS (Organización Mundial de la Salud) publicadas 1989, con sus posteriores revisiones y ampliaciones (OMS, 2006). Esta norma combina tratamientos básicos de depuración y unas buenas prácticas basadas en diferentes niveles de protección para evitar problemas sanitarios. Otra normativa que ha sido referencia en el desarrollo del marco normativo en países donde se realiza esta práctica, son las recomendaciones dadas por la Agencia Medioambiente Estadunidense (USEPA, 2012) o las publicadas por el Estado de California (Título 22, 2001). Estas normas establecen unos indicadores y valores máximos dónde el tratamiento de regeneración es el responsable de la calidad final en función del uso. Durante 2015, la ISO trabajaba en un documento para el uso urbano donde se muestra tanto los posibles parámetros que habría que controlar como la manera de actuar para evitar posibles riesgos. Por otro lado, la Comisión Europea (CE) viene impulsando desde el 2014 la reutilización de aguas depuradas dentro del marco de la Estrategia Común de Implantación de la Directiva Marco del Agua, y fundamentalmente a través del grupo de trabajo de “Programas de medidas”. Para el desarrollo de esta iniciativa se está planteando sacar para 2016 una guía de recomendaciones que podría venir a completar el marco normativo de los distintos Estados Miembros (EM). El Real Decreto 1620/2007, donde se establece el marco jurídico de la reutilización de efluentes depurados, tiende más a la filosofía implantada por la USEPA, aunque la UE parece más partidaria de una gestión del riesgo, donde se establecen unos niveles de tolerancia y unos puntos de control en función de las condiciones socioeconómicas de los distintos Estados, sin entrar a concretar indicadores, valores máximos o tratamientos. Sin embargo, en la normativa estadounidense se indican una serie de tratamientos de regeneración, mientras que, en la española, se hacen recomendaciones a este respecto en una Guía sin validez legal. Por tanto, queda sin regular los procesos para alcanzar estos estándares de calidad, pudiendo ser éstos no apropiados para esta práctica. Es el caso de la desinfección donde el uso de hipoclorito puede generar subproductos indeseables. En la Guía de recomendaciones para la aplicación del RD, publicada por el Ministerio de Agricultura y Medioambiente (MAGRAMA) en 2010, se aclaran cuestiones frecuentes sobre la aplicación del RD, prescripciones técnicas básicas para los sistemas de reutilización, y buenas prácticas en función del uso. Aun así, el RD sigue teniendo deficiencias en su aplicación siendo necesaria una revisión de la misma, como en las frecuencias de muestreo incluso la omisión de algunos parámetros como huevos de nematodos que se ha demostrado ser inexistentes tras un tratamiento de regeneración convencional. En este sentido, existe una tendencia a nivel mundial a reutilizar las aguas con fines de abastecimiento, incluir indicadores de presencia de virus o protozoos, o incluir ciertas tecnologías como las membranas u oxidaciones avanzadas para afrontar temas como los contaminantes emergentes. Otro de los objetivos de este trabajo es el estudio de tipologías de tratamiento en función de los usos establecidos en el RD 1620/2007 y sus costes asociados, siendo base de lo establecido a este respecto en la Guía y PNRA anteriormente indicados. Las tipologías de tratamiento propuestas se dividen en líneas con capacidad de desalar y las que no cuentan con una unidad de desalación de aguas salobres de ósmosis inversa o electrodiálisis reversible. Se realiza esta división al tener actuaciones en zonas costeras donde el agua de mar entra en los colectores, adquiriendo el agua residual un contenido en sales que es limitante en algunos usos. Para desarrollar este objetivo se han estudiado las unidades de tratamiento más implantadas en ERAs españolas en cuanto a fiabilidad para conseguir determinada calidad y coste, tanto de implantación como de explotación. El TRC, tiene un coste de implantación de 28 a 48 €.m-3.d y de explotación de 0,06 a 0,09 €. m-3, mientras que, si se precisara desalar, este coste se multiplica por diez en la implantación y por cinco en la explotación. En caso de los usos que requieren de TRA, como los domiciliarios o algunos industriales, los costes serían de 185 a 398 €.m-3.d en implantación y de 0,14 a 0,20 €.m-3 en explotación. En la selección de tecnologías de regeneración, la capacidad del tratamiento en relación al coste es un indicador fundamental. Este trabajo aporta curvas de tendencia coste-capacidad que sirven de herramienta de selección frente a otros tratamientos de regeneración de reciente implantación como son los MBR, u otros como la desalación de agua de mar o los trasvases entre cuencas dentro de la planificación hidrológica. En España, el aumento de las necesidades de agua de alta calidad en zonas con recursos escasos, aumento de zonas sensibles como puntos de captación para potables, zonas de baño o zonas de producción piscícola, y en ocasiones, el escaso terreno disponible para la implantación de nuevas plantas depuradoras (EDARs), han convertido a los MBRs, en una opción dentro del marco de la reutilización de aguas depuradas. En este trabajo, se estudia esta tecnología frente a los TRC y TRA, aportando igualmente curvas de tendencia coste-capacidad, e identificando cuando esta opción tecnológica puede ser más competitiva frente a los otros tratamientos de regeneración. Un MBR es un tratamiento de depuración de fangos activos donde el decantador secundario es sustituido por un sistema de membranas de UF o MF. La calidad del efluente, por tanto, es la misma que el de una EDAR seguida de un TRA. Los MBRs aseguran una calidad del efluente para todos los usos establecidos en el RD, incluso dan un efluente que permite ser directamente tratado por las unidades de desalación de OI o EDR. La implantación de esta tecnología en España ha tenido un crecimiento exponencial, pasando de 13 instalaciones de menos de 5.000 m3. d-1 en el 2006, a más de 55 instalaciones en operación o construcción a finales del 2014, seis de ellas con capacidades por encima de los 15.000 m3. d-1. Los sistemas de filtración en los MBR son los que marcan la operación y diseño de este tipo de instalaciones. El sistema más implantado en España es de membrana de fibra hueca (MFH), sobre todo para instalaciones de gran capacidad, destacando Zenon que cuenta con el 57% de la capacidad total instalada. La segunda casa comercial con mayor número de plantas es Kubota, con membranas de configuración placa plana (MPP), que cuenta con el 30 % de la capacidad total instalada. Existen otras casas comerciales implantadas en MBR españoles como son Toray, Huber, Koch o Microdym. En este documento se realiza la descripción de los sistemas de filtración de todas estas casas comerciales, aportando información de sus características, parámetros de diseño y operación más relevantes. El estudio de 14 MBRs ha posibilitado realizar otro de los objetivos de este trabajo, la estimación de los costes de explotación e implantación de este tipo de sistemas frente a otras alternativas de tratamiento de regeneración. En este estudio han participado activamente ACA y ESAMUR, entidades públicas de saneamiento y depuración de Cataluña y Murcia respectivamente, que cuentan con una amplia experiencia en la explotación de este tipo de sistemas. Este documento expone los problemas de operación encontrados y sus posibles soluciones, tanto en la explotación como en los futuros diseños de este tipo de plantas. El trabajo concluye que los MBRs son una opción más para la reutilización de efluentes depurados, siendo ventajosos en costes, tanto de implantación como de explotación, respecto a EDARs seguidas de TRA en capacidades por encima de los 10.000 m3.d-1. ABSTRACT The reuse of treated effluent has always been an option in places where a situational or structural water deficit exists, whether regulatory and/or planning efforts are completed or not. The need arises from the demand of a sector, commonly agricultural irrigation, which benefits of this new resource. Within the EU, Spain is ahead in the annual volume of reclaimed water, and is among the top ten countries at a global scale. The regulation of this practice through the Royal Decree 1620/2007 has helped to incorporate the water reuse to the hydrological plans as a part of the programme of measures to mitigate pressures such as surface or ground water extraction, or environmental improvements preventing discharges. The object of this study is to gain an overview of the state of the water reuse in Spain, the different scenarios and approaches to this activity, the development of the legal framework and its enforceability, together with the treatments that achieve the quality levels according to the current law, broken down by applications. Additionally, a cost analysis of technologies and regeneration treatment lines for water reclamation is performed, whereas the regeneration treatment is located after a wastewater treatment or other options such as membrane bioreactors (MBR). To develop the abovementioned objectives, the state of water reuse in Spain is studied by means of a database designed to encompass all aspects of the activity: data from the wastewater treatment plants (WWTP), from the water reclamation plants (WRP), the use of reclaimed water, treated water and reclaimed water annual volumes and qualities, facilities and applications, geographic references, technologies, regeneration treatment lines, etc. The main data providers are the River Basin authorities, through the concession or authorization for water reuse, (sanitary and wastewater treatment managers from the territorial governments, local governments, Hydrological Plans of the River Basins and field visits to the main water reuse systems. Additionally, a review of different plans and programmes on wastewater treatment or water reuse is done, aiming to put the development and consolidation process of this activity in the different regions of Spain in perspective. An inventory of 322 reuse systems and 216 regeneration treatments has been gathered on the database, where the most extended regeneration treatment line was sand filtration followed by hypochlorite disinfection, even though recently it is being replaced by physical–chemical treatment with a lamella settling system, depth sand filtration, and a disinfection with ultraviolet radiation and hypochlorite as residual disinfectant, named conventional regeneration treatment (CRT), and another treatment that may include a membrane process, named advanced regeneration treatment (ART), to adapt to legal requirements. Agricultural use is the most extended, accumulating 70% of the reclaimed demand, estimated at 408 hm3, even though the expected total capacity of WRPs for 2015, after the implementation of the National Water Reuse Plan (NWRP) is three times higher. According to the development of the water reuse legal framework, there were pioneer areas where competent authorities developed different quality and use recommendations for this new resource. Agricultural use and golf course irrigation in touristic areas were the first two uses with recommendations and even legislation. The initial lack of common legislation for water reuse at a national or European level created some doubts which affected the implementation of water reuse, both from a planning and a licensing point of view. Currently there is still a lack of common international legislation regarding water reuse, technologies and applications. Regarding agricultural use, the model recommendations at a global scale are those set by the World Health Organization published in 1989, and subsequent reviews and extensions about risk prevention (WHO, 2006). These documents combine wastewater treatments with basic regeneration treatments reinforced by good practices based on different levels of protection to avoid deleterious health effects. Another relevant legal reference for this practices has been the Environmental Protection Agency of the US (USEPA, 2012), or those published by the State of California (Title 22, 2001). These establish indicator targets and maximum thresholds where regeneration treatment lines are responsible for the final quality according to the different uses. During 2015, the ISO has worked on a document aimed at urban use, where the possible parameters to be monitored together with risk prevention have been studied. On the other hand, the European Commission has been promoting the reuse of treated effluents within the Common Implementation Strategy of the Water Framework Directive, mainly through the work of the Programme of Measures Working Group. Within this context, the publication of a recommendation guide during 2016 is intended, as a useful tool to fill in the legal gaps of different Member States on the matter. The Royal Decree 1620/2007, where the water reuse regulation is set, resembles the principles of the USEPA more closely, even though the EU shows a tendency to prioritize risk assessment by establishing tolerance levels and thresholds according to socioeconomic conditions of the different countries, without going into details of indicators, maximum thresholds or treatments. In contrast, in the US law, regeneration treatments are indicated, while in the Spanish legislation, the only recommendations to this respect are compiled in a non-compulsory guide. Therefore, there is no regulation on the different treatment lines used to achieve the required quality standards, giving room for inappropriate practices in this respect. This is the case of disinfection, where the use of hypochlorite may produce harmful byproducts. In the recommendation Guide for the application of the Royal Decree (RD), published by the Ministry of Agriculture and Environment (MAGRAMA) in 2010, clarifications of typical issues that may arise from the application of the RD are given, as well as basic technical parameters to consider in reuse setups, or good practices according to final use. Even so, the RD still presents difficulties in its application and requires a review on issues such as the sampling frequency of current quality parameters or even the omission of nematode eggs indicator, which have been shown to be absent after CRT. In this regard, there is a global tendency to employ water reuse for drinking water, including indicators for the presence of viruses and protozoans, or to include certain technologies such as membranes or advanced oxidation processes to tackle problems like emerging pollutants. Another of the objectives of this study is to provide different regeneration treatment lines to meet the quality requirements established in the RD 1620/2007 broken down by applications, and to estimate establishment and operational costs. This proposal has been based on what is established in the above mentioned Guide and NWRP. The proposed treatment typologies are divided in treatment trains with desalination, like reverse osmosis or reversible electrodialisis, and those that lack this treatment for brackish water. This separation is done due to coastal facilities, where sea water may permeate the collecting pipes, rising salt contents in the wastewater, hence limiting certain uses. To develop this objective a study of the most common treatment units set up in Spanish WRPs is conducted in terms of treatment train reliability to obtain an acceptable relationship between the required quality and the capital and operational costs. The CRT has an establishment cost of 28 to 48 €.m-3.d and an operation cost of 0.06 to 0.09 €.m-3, while, if desalination was required, these costs would increase tenfold for implementation and fivefold for operation. In the cases of uses that require ART, such as residential or certain industrial uses, the costs would be of 185 to 398 €.m-3.d for implementation and of 0.14 to 0.20 €.m-3 for operation. When selecting regeneration treatment lines, the relation between treatment capacity and cost is a paramount indicator. This project provides cost-capacity models for regeneration treatment trains. These may serve as a tool when selecting between different options to fulfill water demands with MBR facilities, or others such as sea water desalination plants or inter-basin water transfer into a water planning framework. In Spain, the requirement for high quality water in areas with low resource availability, the increasing number of sensitive zones, such as drinking water extraction, recreational bathing areas, fish protected areas and the lack of available land to set up new WWTPs, have turned MBRs into a suitable option for water reuse. In this work this technology is analyzed in contrast to CRT and ART, providing cost-capacity models, and identifying when and where this treatment option may outcompete other regeneration treatments. An MBR is an activated sludge treatment where the secondary settling is substituted by a membrane system of UF or MF. The quality of the effluent is, therefore, comparable to that of a WWTP followed by an ART. MBRs ensure a sufficient quality level for the requirements of the different uses established in the RD, even producing an effluent that can be directly treated in OI or EDR processes. The implementation of this technology in Spain has grown exponentially, growing from 13 facilities with less than 5000 m3.d-1 in 2006 to above 55 facilities operating by the end of 2014, 6 of them with capacities over 15000 m3.d-1. The membrane filtration systems for MBR are the ones that set the pace of operation and design of this type of facilities. The most widespread system in Spain is the hollow fiber membrane configuration, especially on high flow capacities, being Zenon commercial technology, which mounts up to 57% of the total installed capacity, the main contributor. The next commercial technology according to plant number is Kubota, which uses flat sheet membrane configuration, which mounts up to 30% of the total installed capacity. Other commercial technologies exist within the Spanish MBR context, such as Toray, Huber, Koch or Microdym. In this document an analysis of all of these membrane filtration systems is done, providing information about their characteristics and relevant design and operation parameters. The study of 14 full scale running MBRs has enabled to pursue another of the objectives of this work: the estimation of the implementation and operation costs of this type of systems in contrast to other regeneration alternatives. Active participation of ACA and ESAMUR, public wastewater treatment and reuse entities of Cataluña and Murcia respectively, has helped attaining this objective. A number of typical operative problems and their possible solutions are discussed, both for operation and plant design purposes. The conclusion of this study is that MBRs are another option to consider for water reuse, being advantageous in terms of both implementation and operational costs, when compared with WWTPs followed by ART, when considering flow capacities above 10000 m3.d-1.

Método experimental para la caracterización de las diferentes tecnologías de integración arquitectónica de la energía fotovoltaica en condiciones de funcionamiento real = Experimental method for characterization of several building integrated photovoltaic technologies under real working conditions

Hoy en día, el proceso de un proyecto sostenible persigue realizar edificios de elevadas prestaciones que son, energéticamente eficientes, saludables y económicamente viables utilizando sabiamente recursos renovables para minimizar el impacto sobre el medio ambiente reduciendo, en lo posible, la demanda de energía, lo que se ha convertido, en la última década, en una prioridad. La Directiva 2002/91/CE "Eficiencia Energética de los Edificios" (y actualizaciones posteriores) ha establecido el marco regulatorio general para el cálculo de los requerimientos energéticos mínimos. Desde esa fecha, el objetivo de cumplir con las nuevas directivas y protocolos ha conducido las políticas energéticas de los distintos países en la misma dirección, centrándose en la necesidad de aumentar la eficiencia energética en los edificios, la adopción de medidas para reducir el consumo, y el fomento de la generación de energía a través de fuentes renovables. Los edificios de energía nula o casi nula (ZEB, Zero Energy Buildings ó NZEB, Net Zero Energy Buildings) deberán convertirse en un estándar de la construcción en Europa y con el fin de equilibrar el consumo de energía, además de reducirlo al mínimo, los edificios necesariamente deberán ser autoproductores de energía. Por esta razón, la envolvente del edifico y en particular las fachadas son importantes para el logro de estos objetivos y la tecnología fotovoltaica puede tener un papel preponderante en este reto. Para promover el uso de la tecnología fotovoltaica, diferentes programas de investigación internacionales fomentan y apoyan soluciones para favorecer la integración completa de éstos sistemas como elementos arquitectónicos y constructivos, los sistemas BIPV (Building Integrated Photovoltaic), sobre todo considerando el próximo futuro hacia edificios NZEB. Se ha constatado en este estudio que todavía hay una falta de información útil disponible sobre los sistemas BIPV, a pesar de que el mercado ofrece una interesante gama de soluciones, en algunos aspectos comparables a los sistemas tradicionales de construcción. Pero por el momento, la falta estandarización y de una regulación armonizada, además de la falta de información en las hojas de datos técnicos (todavía no comparables con las mismas que están disponibles para los materiales de construcción), hacen difícil evaluar adecuadamente la conveniencia y factibilidad de utilizar los componentes BIPV como parte integrante de la envolvente del edificio. Organizaciones internacionales están trabajando para establecer las normas adecuadas y procedimientos de prueba y ensayo para comprobar la seguridad, viabilidad y fiabilidad estos sistemas. Sin embargo, hoy en día, no hay reglas específicas para la evaluación y caracterización completa de un componente fotovoltaico de integración arquitectónica de acuerdo con el Reglamento Europeo de Productos de la Construcción, CPR 305/2011. Los productos BIPV, como elementos de construcción, deben cumplir con diferentes aspectos prácticos como resistencia mecánica y la estabilidad; integridad estructural; seguridad de utilización; protección contra el clima (lluvia, nieve, viento, granizo), el fuego y el ruido, aspectos que se han convertido en requisitos esenciales, en la perspectiva de obtener productos ambientalmente sostenibles, saludables, eficientes energéticamente y económicamente asequibles. Por lo tanto, el módulo / sistema BIPV se convierte en una parte multifuncional del edificio no sólo para ser física y técnicamente "integrado", además de ser una oportunidad innovadora del diseño. Las normas IEC, de uso común en Europa para certificar módulos fotovoltaicos -IEC 61215 e IEC 61646 cualificación de diseño y homologación del tipo para módulos fotovoltaicos de uso terrestre, respectivamente para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y de lámina delgada- atestan únicamente la potencia del módulo fotovoltaico y dan fe de su fiabilidad por un período de tiempo definido, certificando una disminución de potencia dentro de unos límites. Existe también un estándar, en parte en desarrollo, el IEC 61853 (“Ensayos de rendimiento de módulos fotovoltaicos y evaluación energética") cuyo objetivo es la búsqueda de procedimientos y metodologías de prueba apropiados para calcular el rendimiento energético de los módulos fotovoltaicos en diferentes condiciones climáticas. Sin embargo, no existen ensayos normalizados en las condiciones específicas de la instalación (p. ej. sistemas BIPV de fachada). Eso significa que es imposible conocer las efectivas prestaciones de estos sistemas y las condiciones ambientales que se generan en el interior del edificio. La potencia nominal de pico Wp, de un módulo fotovoltaico identifica la máxima potencia eléctrica que éste puede generar bajo condiciones estándares de medida (STC: irradición 1000 W/m2, 25 °C de temperatura del módulo y distribución espectral, AM 1,5) caracterizando eléctricamente el módulo PV en condiciones específicas con el fin de poder comparar los diferentes módulos y tecnologías. El vatio pico (Wp por su abreviatura en inglés) es la medida de la potencia nominal del módulo PV y no es suficiente para evaluar el comportamiento y producción del panel en términos de vatios hora en las diferentes condiciones de operación, y tampoco permite predecir con convicción la eficiencia y el comportamiento energético de un determinado módulo en condiciones ambientales y de instalación reales. Un adecuado elemento de integración arquitectónica de fachada, por ejemplo, debería tener en cuenta propiedades térmicas y de aislamiento, factores como la transparencia para permitir ganancias solares o un buen control solar si es necesario, aspectos vinculados y dependientes en gran medida de las condiciones climáticas y del nivel de confort requerido en el edificio, lo que implica una necesidad de adaptación a cada contexto específico para obtener el mejor resultado. Sin embargo, la influencia en condiciones reales de operación de las diferentes soluciones fotovoltaicas de integración, en el consumo de energía del edificio no es fácil de evaluar. Los aspectos térmicos del interior del ambiente o de iluminación, al utilizar módulos BIPV semitransparentes por ejemplo, son aún desconocidos. Como se dijo antes, la utilización de componentes de integración arquitectónica fotovoltaicos y el uso de energía renovable ya es un hecho para producir energía limpia, pero también sería importante conocer su posible contribución para mejorar el confort y la salud de los ocupantes del edificio. Aspectos como el confort, la protección o transmisión de luz natural, el aislamiento térmico, el consumo energético o la generación de energía son aspectos que suelen considerarse independientemente, mientras que todos juntos contribuyen, sin embargo, al balance energético global del edificio. Además, la necesidad de dar prioridad a una orientación determinada del edificio, para alcanzar el mayor beneficio de la producción de energía eléctrica o térmica, en el caso de sistemas activos y pasivos, respectivamente, podría hacer estos últimos incompatibles, pero no necesariamente. Se necesita un enfoque holístico que permita arquitectos e ingenieros implementar sistemas tecnológicos que trabajen en sinergia. Se ha planteado por ello un nuevo concepto: "C-BIPV, elemento fotovoltaico consciente integrado", esto significa necesariamente conocer los efectos positivos o negativos (en términos de confort y de energía) en condiciones reales de funcionamiento e instalación. Propósito de la tesis, método y resultados Los sistemas fotovoltaicos integrados en fachada son a menudo soluciones de vidrio fácilmente integrables, ya que por lo general están hechos a medida. Estos componentes BIPV semitransparentes, integrados en el cerramiento proporcionan iluminación natural y también sombra, lo que evita el sobrecalentamiento en los momentos de excesivo calor, aunque como componente estático, asimismo evitan las posibles contribuciones pasivas de ganancias solares en los meses fríos. Además, la temperatura del módulo varía considerablemente en ciertas circunstancias influenciada por la tecnología fotovoltaica instalada, la radiación solar, el sistema de montaje, la tipología de instalación, falta de ventilación, etc. Este factor, puede suponer un aumento adicional de la carga térmica en el edificio, altamente variable y difícil de cuantificar. Se necesitan, en relación con esto, más conocimientos sobre el confort ambiental interior en los edificios que utilizan tecnologías fotovoltaicas integradas, para abrir de ese modo, una nueva perspectiva de la investigación. Con este fin, se ha diseñado, proyectado y construido una instalación de pruebas al aire libre, el BIPV Env-lab "BIPV Test Laboratory", para la caracterización integral de los diferentes módulos semitransparentes BIPV. Se han definido también el método y el protocolo de ensayos de caracterización en el contexto de un edificio y en condiciones climáticas y de funcionamiento reales. Esto ha sido posible una vez evaluado el estado de la técnica y la investigación, los aspectos que influyen en la integración arquitectónica y los diferentes tipos de integración, después de haber examinado los métodos de ensayo para los componentes de construcción y fotovoltaicos, en condiciones de operación utilizadas hasta ahora. El laboratorio de pruebas experimentales, que consiste en dos habitaciones idénticas a escala real, 1:1, ha sido equipado con sensores y todos los sistemas de monitorización gracias a los cuales es posible obtener datos fiables para evaluar las prestaciones térmicas, de iluminación y el rendimiento eléctrico de los módulos fotovoltaicos. Este laboratorio permite el estudio de tres diferentes aspectos que influencian el confort y consumo de energía del edificio: el confort térmico, lumínico, y el rendimiento energético global (demanda/producción de energía) de los módulos BIPV. Conociendo el balance de energía para cada tecnología solar fotovoltaica experimentada, es posible determinar cuál funciona mejor en cada caso específico. Se ha propuesto una metodología teórica para la evaluación de estos parámetros, definidos en esta tesis como índices o indicadores que consideran cuestiones relacionados con el bienestar, la energía y el rendimiento energético global de los componentes BIPV. Esta metodología considera y tiene en cuenta las normas reglamentarias y estándares existentes para cada aspecto, relacionándolos entre sí. Diferentes módulos BIPV de doble vidrio aislante, semitransparentes, representativos de diferentes tecnologías fotovoltaicas (tecnología de silicio monocristalino, m-Si; de capa fina en silicio amorfo unión simple, a-Si y de capa fina en diseleniuro de cobre e indio, CIS) fueron seleccionados para llevar a cabo una serie de pruebas experimentales al objeto de demostrar la validez del método de caracterización propuesto. Como resultado final, se ha desarrollado y generado el Diagrama Caracterización Integral DCI, un sistema gráfico y visual para representar los resultados y gestionar la información, una herramienta operativa útil para la toma de decisiones con respecto a las instalaciones fotovoltaicas. Este diagrama muestra todos los conceptos y parámetros estudiados en relación con los demás y ofrece visualmente toda la información cualitativa y cuantitativa sobre la eficiencia energética de los componentes BIPV, por caracterizarlos de manera integral. ABSTRACT A sustainable design process today is intended to produce high-performance buildings that are energy-efficient, healthy and economically feasible, by wisely using renewable resources to minimize the impact on the environment and to reduce, as much as possible, the energy demand. In the last decade, the reduction of energy needs in buildings has become a top priority. The Directive 2002/91/EC “Energy Performance of Buildings” (and its subsequent updates) established a general regulatory framework’s methodology for calculation of minimum energy requirements. Since then, the aim of fulfilling new directives and protocols has led the energy policies in several countries in a similar direction that is, focusing on the need of increasing energy efficiency in buildings, taking measures to reduce energy consumption, and fostering the use of renewable sources. Zero Energy Buildings or Net Zero Energy Buildings will become a standard in the European building industry and in order to balance energy consumption, buildings, in addition to reduce the end-use consumption should necessarily become selfenergy producers. For this reason, the façade system plays an important role for achieving these energy and environmental goals and Photovoltaic can play a leading role in this challenge. To promote the use of photovoltaic technology in buildings, international research programs encourage and support solutions, which favors the complete integration of photovoltaic devices as an architectural element, the so-called BIPV (Building Integrated Photovoltaic), furthermore facing to next future towards net-zero energy buildings. Therefore, the BIPV module/system becomes a multifunctional building layer, not only physically and functionally “integrated” in the building, but also used as an innovative chance for the building envelope design. It has been found in this study that there is still a lack of useful information about BIPV for architects and designers even though the market is providing more and more interesting solutions, sometimes comparable to the existing traditional building systems. However at the moment, the lack of an harmonized regulation and standardization besides to the non-accuracy in the technical BIPV datasheets (not yet comparable with the same ones available for building materials), makes difficult for a designer to properly evaluate the fesibility of this BIPV components when used as a technological system of the building skin. International organizations are working to establish the most suitable standards and test procedures to check the safety, feasibility and reliability of BIPV systems. Anyway, nowadays, there are no specific rules for a complete characterization and evaluation of a BIPV component according to the European Construction Product Regulation, CPR 305/2011. BIPV products, as building components, must comply with different practical aspects such as mechanical resistance and stability; structural integrity; safety in use; protection against weather (rain, snow, wind, hail); fire and noise: aspects that have become essential requirements in the perspective of more and more environmentally sustainable, healthy, energy efficient and economically affordable products. IEC standards, commonly used in Europe to certify PV modules (IEC 61215 and IEC 61646 respectively crystalline and thin-film ‘Terrestrial PV Modules-Design Qualification and Type Approval’), attest the feasibility and reliability of PV modules for a defined period of time with a limited power decrease. There is also a standard (IEC 61853, ‘Performance Testing and Energy Rating of Terrestrial PV Modules’) still under preparation, whose aim is finding appropriate test procedures and methodologies to calculate the energy yield of PV modules under different climate conditions. Furthermore, the lack of tests in specific conditions of installation (e.g. façade BIPV devices) means that it is difficult knowing the exact effective performance of these systems and the environmental conditions in which the building will operate. The nominal PV power at Standard Test Conditions, STC (1.000 W/m2, 25 °C temperature and AM 1.5) is usually measured in indoor laboratories, and it characterizes the PV module at specific conditions in order to be able to compare different modules and technologies on a first step. The “Watt-peak” is not enough to evaluate the panel performance in terms of Watt-hours of various modules under different operating conditions, and it gives no assurance of being able to predict the energy performance of a certain module at given environmental conditions. A proper BIPV element for façade should take into account thermal and insulation properties, factors as transparency to allow solar gains if possible or a good solar control if necessary, aspects that are linked and high dependent on climate conditions and on the level of comfort to be reached. However, the influence of different façade integrated photovoltaic solutions on the building energy consumption is not easy to assess under real operating conditions. Thermal aspects, indoor temperatures or luminance level that can be expected using building integrated PV (BIPV) modules are not well known. As said before, integrated photovoltaic BIPV components and the use of renewable energy is already a standard for green energy production, but would also be important to know the possible contribution to improve the comfort and health of building occupants. Comfort, light transmission or protection, thermal insulation or thermal/electricity power production are aspects that are usually considered alone, while all together contribute to the building global energy balance. Besides, the need to prioritize a particular building envelope orientation to harvest the most benefit from the electrical or thermal energy production, in the case of active and passive systems respectively might be not compatible, but also not necessary. A holistic approach is needed to enable architects and engineers implementing technological systems working in synergy. A new concept have been suggested: “C-BIPV, conscious integrated BIPV”. BIPV systems have to be “consciously integrated” which means that it is essential to know the positive and negative effects in terms of comfort and energy under real operating conditions. Purpose of the work, method and results The façade-integrated photovoltaic systems are often glass solutions easily integrable, as they usually are custommade. These BIPV semi-transparent components integrated as a window element provides natural lighting and shade that prevents overheating at times of excessive heat, but as static component, likewise avoid the possible solar gains contributions in the cold months. In addition, the temperature of the module varies considerably in certain circumstances influenced by the PV technology installed, solar radiation, mounting system, lack of ventilation, etc. This factor may result in additional heat input in the building highly variable and difficult to quantify. In addition, further insights into the indoor environmental comfort in buildings using integrated photovoltaic technologies are needed to open up thereby, a new research perspective. This research aims to study their behaviour through a series of experiments in order to define the real influence on comfort aspects and on global energy building consumption, as well as, electrical and thermal characteristics of these devices. The final objective was to analyze a whole set of issues that influence the global energy consumption/production in a building using BIPV modules by quantifying the global energy balance and the BIPV system real performances. Other qualitative issues to be studied were comfort aspect (thermal and lighting aspects) and the electrical behaviour of different BIPV technologies for vertical integration, aspects that influence both energy consumption and electricity production. Thus, it will be possible to obtain a comprehensive global characterization of BIPV systems. A specific design of an outdoor test facility, the BIPV Env-lab “BIPV Test Laboratory”, for the integral characterization of different BIPV semi-transparent modules was developed and built. The method and test protocol for the BIPV characterization was also defined in a real building context and weather conditions. This has been possible once assessed the state of the art and research, the aspects that influence the architectural integration and the different possibilities and types of integration for PV and after having examined the test methods for building and photovoltaic components, under operation conditions heretofore used. The test laboratory that consists in two equivalent test rooms (1:1) has a monitoring system in which reliable data of thermal, daylighting and electrical performances can be obtained for the evaluation of PV modules. The experimental set-up facility (testing room) allows studying three different aspects that affect building energy consumption and comfort issues: the thermal indoor comfort, the lighting comfort and the energy performance of BIPV modules tested under real environmental conditions. Knowing the energy balance for each experimented solar technology, it is possible to determine which one performs best. A theoretical methodology has been proposed for evaluating these parameters, as defined in this thesis as indices or indicators, which regard comfort issues, energy and the overall performance of BIPV components. This methodology considers the existing regulatory standards for each aspect, relating them to one another. A set of insulated glass BIPV modules see-through and light-through, representative of different PV technologies (mono-crystalline silicon technology, mc-Si, amorphous silicon thin film single junction, a-Si and copper indium selenide thin film technology CIS) were selected for a series of experimental tests in order to demonstrate the validity of the proposed characterization method. As result, it has been developed and generated the ICD Integral Characterization Diagram, a graphic and visual system to represent the results and manage information, a useful operational tool for decision-making regarding to photovoltaic installations. This diagram shows all concepts and parameters studied in relation to each other and visually provides access to all the results obtained during the experimental phase to make available all the qualitative and quantitative information on the energy performance of the BIPV components by characterizing them in a comprehensive way.