Core physics and safety analysis of Generation-IV Sodium Fast Reactors using existing and newly developed computational tools

El futuro de la energía nuclear de fisión dependerá, entre otros factores, de la capacidad que las nuevas tecnologías demuestren para solventar los principales retos a largo plazo que se plantean. Los principales retos se pueden resumir en los siguientes aspectos: la capacidad de proporcionar una solución final, segura y fiable a los residuos radiactivos; así como dar solución a la limitación de recursos naturales necesarios para alimentar los reactores nucleares; y por último, una mejora robusta en la seguridad de las centrales que en definitiva evite cualquier daño potencial tanto en la población como en el medio ambiente como consecuencia de cualquier escenario imaginable o más allá de lo imaginable. Siguiendo estas motivaciones, la Generación IV de reactores nucleares surge con el compromiso de proporcionar electricidad de forma sostenible, segura, económica y evitando la proliferación de material fisible. Entre los sistemas conceptuales que se consideran para la Gen IV, los reactores rápidos destacan por su capacidad potencial de transmutar actínidos a la vez que permiten una utilización óptima de los recursos naturales. Entre los refrigerantes que se plantean, el sodio parece una de las soluciones más prometedoras. Como consecuencia, esta tesis surgió dentro del marco del proyecto europeo CP-ESFR con el principal objetivo de evaluar la física de núcleo y seguridad de los reactores rápidos refrigerados por sodio, al tiempo que se desarrollaron herramientas apropiadas para dichos análisis. Efectivamente, en una primera parte de la tesis, se abarca el estudio de la física del núcleo de un reactor rápido representativo, incluyendo el análisis detallado de la capacidad de transmutar actínidos minoritarios. Como resultado de dichos análisis, se publicó un artículo en la revista Annals of Nuclear Energy [96]. Por otra parte, a través de un análisis de un hipotético escenario nuclear español, se evalúo la disponibilidad de recursos naturales necesarios en el caso particular de España para alimentar una flota específica de reactores rápidos, siguiendo varios escenarios de demanda, y teniendo en cuenta la capacidad de reproducción de plutonio que tienen estos sistemas. Como resultado de este trabajo también surgió una publicación en otra revista científica de prestigio internacional como es Energy Conversion and Management [97]. Con objeto de realizar esos y otros análisis, se desarrollaron diversos modelos del núcleo del ESFR siguiendo varias configuraciones, y para diferentes códigos. Por otro lado, con objeto de poder realizar análisis de seguridad de reactores rápidos, son necesarias herramientas multidimensionales de alta fidelidad específicas para reactores rápidos. Dichas herramientas deben integrar fenómenos relacionados con la neutrónica y con la termo-hidráulica, entre otros, mediante una aproximación multi-física. Siguiendo este objetivo, se evalúo el código de difusión neutrónica ANDES para su aplicación a reactores rápidos. ANDES es un código de resolución nodal que se encuentra implementado dentro del sistema COBAYA3 y está basado en el método ACMFD. Por lo tanto, el método ACMFD fue sometido a una revisión en profundidad para evaluar su aptitud para la aplicación a reactores rápidos. Durante ese proceso, se identificaron determinadas limitaciones que se discutirán a lo largo de este trabajo, junto con los desarrollos que se han elaborado e implementado para la resolución de dichas dificultades. Por otra parte, se desarrolló satisfactoriamente el acomplamiento del código neutrónico ANDES con un código termo-hidráulico de subcanales llamado SUBCHANFLOW, desarrollado recientemente en el KIT. Como conclusión de esta parte, todos los desarrollos implementados son evaluados y verificados. En paralelo con esos desarrollos, se calcularon para el núcleo del ESFR las secciones eficaces en multigrupos homogeneizadas a nivel nodal, así como otros parámetros neutrónicos, mediante los códigos ERANOS, primero, y SERPENT, después. Dichos parámetros se utilizaron más adelante para realizar cálculos estacionarios con ANDES. Además, como consecuencia de la contribución de la UPM al paquete de seguridad del proyecto CP-ESFR, se calcularon mediante el código SERPENT los parámetros de cinética puntual que se necesitan introducir en los típicos códigos termo-hidráulicos de planta, para estudios de seguridad. En concreto, dichos parámetros sirvieron para el análisis del impacto que tienen los actínidos minoritarios en el comportamiento de transitorios. Concluyendo, la tesis presenta una aproximación sistemática y multidisciplinar aplicada al análisis de seguridad y comportamiento neutrónico de los reactores rápidos de sodio de la Gen-IV, usando herramientas de cálculo existentes y recién desarrolladas ad' hoc para tal aplicación. Se ha empleado una cantidad importante de tiempo en identificar limitaciones de los métodos nodales analíticos en su aplicación en multigrupos a reactores rápidos, y se proponen interesantes soluciones para abordarlas. ABSTRACT The future of nuclear reactors will depend, among other aspects, on the capability to solve the long-term challenges linked to this technology. These are the capability to provide a definite, safe and reliable solution to the nuclear wastes; the limitation of natural resources, needed to fuel the reactors; and last but not least, the improved safety, which would avoid any potential damage on the public and or environment as a consequence of any imaginable and beyond imaginable circumstance. Following these motivations, the IV Generation of nuclear reactors arises, with the aim to provide sustainable, safe, economic and proliferationresistant electricity. Among the systems considered for the Gen IV, fast reactors have a representative role thanks to their potential capacity to transmute actinides together with the optimal usage of natural resources, being the sodium fast reactors the most promising concept. As a consequence, this thesis was born in the framework of the CP-ESFR project with the generic aim of evaluating the core physics and safety of sodium fast reactors, as well as the development of the approppriated tools to perform such analyses. Indeed, in a first part of this thesis work, the main core physics of the representative sodium fast reactor are assessed, including a detailed analysis of the capability to transmute minor actinides. A part of the results obtained have been published in Annals of Nuclear Energy [96]. Moreover, by means of the analysis of a hypothetical Spanish nuclear scenario, the availability of natural resources required to deploy an specific fleet of fast reactor is assessed, taking into account the breeding properties of such systems. This work also led to a publication in Energy Conversion and Management [97]. In order to perform those and other analyses, several models of the ESFR core were created for different codes. On the other hand, in order to perform safety studies of sodium fast reactors, high fidelity multidimensional analysis tools for sodium fast reactors are required. Such tools should integrate neutronic and thermal-hydraulic phenomena in a multi-physics approach. Following this motivation, the neutron diffusion code ANDES is assessed for sodium fast reactor applications. ANDES is the nodal solver implemented inside the multigroup pin-by-pin diffusion COBAYA3 code, and is based on the analytical method ACMFD. Thus, the ACMFD was verified for SFR applications and while doing so, some limitations were encountered, which are discussed through this work. In order to solve those, some new developments are proposed and implemented in ANDES. Moreover, the code was satisfactorily coupled with the thermal-hydraulic code SUBCHANFLOW, recently developed at KIT. Finally, the different implementations are verified. In addition to those developments, the node homogenized multigroup cross sections and other neutron parameters were obtained for the ESFR core using ERANOS and SERPENT codes, and employed afterwards by ANDES to perform steady state calculations. Moreover, as a result of the UPM contribution to the safety package of the CP-ESFR project, the point kinetic parameters required by the typical plant thermal-hydraulic codes were computed for the ESFR core using SERPENT, which final aim was the assessment of the impact of minor actinides in transient behaviour. All in all, the thesis provides a systematic and multi-purpose approach applied to the assessment of safety and performance parameters of Generation-IV SFR, using existing and newly developed analytical tools. An important amount of time was employed in identifying the limitations that the analytical nodal diffusion methods present when applied to fast reactors following a multigroup approach, and interesting solutions are proposed in order to overcome them.

Localization and Tracking in Energy-Constrained Networks with Dynamic Connectivity

Systems used for target localization, such as goods, individuals, or animals, commonly rely on operational means to meet the final application demands. However, what would happen if some means were powered up randomly by harvesting systems? And what if those devices not randomly powered had their duty cycles restricted? Under what conditions would such an operation be tolerable in localization services? What if the references provided by nodes in a tracking problem were distorted? Moreover, there is an underlying topic common to the previous questions regarding the transfer of conceptual models to reality in field tests: what challenges are faced upon deploying a localization network that integrates energy harvesting modules? The application scenario of the system studied is a traditional herding environment of semi domesticated reindeer (Rangifer tarandus tarandus) in northern Scandinavia. In these conditions, information on approximate locations of reindeer is as important as environmental preservation. Herders also need cost-effective devices capable of operating unattended in, sometimes, extreme weather conditions. The analyses developed are worthy not only for the specific application environment presented, but also because they may serve as an approach to performance of navigation systems in absence of reasonably accurate references like the ones of the Global Positioning System (GPS). A number of energy-harvesting solutions, like thermal and radio-frequency harvesting, do not commonly provide power beyond one milliwatt. When they do, battery buffers may be needed (as it happens with solar energy) which may raise costs and make systems more dependent on environmental temperatures. In general, given our problem, a harvesting system is needed that be capable of providing energy bursts of, at least, some milliwatts. Many works on localization problems assume that devices have certain capabilities to determine unknown locations based on range-based techniques or fingerprinting which cannot be assumed in the approach considered herein. The system presented is akin to range-free techniques, but goes to the extent of considering very low node densities: most range-free techniques are, therefore, not applicable. Animal localization, in particular, uses to be supported by accurate devices such as GPS collars which deplete batteries in, maximum, a few days. Such short-life solutions are not particularly desirable in the framework considered. In tracking, the challenge may times addressed aims at attaining high precision levels from complex reliable hardware and thorough processing techniques. One of the challenges in this Thesis is the use of equipment with just part of its facilities in permanent operation, which may yield high input noise levels in the form of distorted reference points. The solution presented integrates a kinetic harvesting module in some nodes which are expected to be a majority in the network. These modules are capable of providing power bursts of some milliwatts which suffice to meet node energy demands. The usage of harvesting modules in the aforementioned conditions makes the system less dependent on environmental temperatures as no batteries are used in nodes with harvesters--it may be also an advantage in economic terms. There is a second kind of nodes. They are battery powered (without kinetic energy harvesters), and are, therefore, dependent on temperature and battery replacements. In addition, their operation is constrained by duty cycles in order to extend node lifetime and, consequently, their autonomy. There is, in turn, a third type of nodes (hotspots) which can be static or mobile. They are also battery-powered, and are used to retrieve information from the network so that it is presented to users. The system operational chain starts at the kinetic-powered nodes broadcasting their own identifier. If an identifier is received at a battery-powered node, the latter stores it for its records. Later, as the recording node meets a hotspot, its full record of detections is transferred to the hotspot. Every detection registry comprises, at least, a node identifier and the position read from its GPS module by the battery-operated node previously to detection. The characteristics of the system presented make the aforementioned operation own certain particularities which are also studied. First, identifier transmissions are random as they depend on movements at kinetic modules--reindeer movements in our application. Not every movement suffices since it must overcome a certain energy threshold. Second, identifier transmissions may not be heard unless there is a battery-powered node in the surroundings. Third, battery-powered nodes do not poll continuously their GPS module, hence localization errors rise even more. Let's recall at this point that such behavior is tight to the aforementioned power saving policies to extend node lifetime. Last, some time is elapsed between the instant an identifier random transmission is detected and the moment the user is aware of such a detection: it takes some time to find a hotspot. Tracking is posed as a problem of a single kinetically-powered target and a population of battery-operated nodes with higher densities than before in localization. Since the latter provide their approximate positions as reference locations, the study is again focused on assessing the impact of such distorted references on performance. Unlike in localization, distance-estimation capabilities based on signal parameters are assumed in this problem. Three variants of the Kalman filter family are applied in this context: the regular Kalman filter, the alpha-beta filter, and the unscented Kalman filter. The study enclosed hereafter comprises both field tests and simulations. Field tests were used mainly to assess the challenges related to power supply and operation in extreme conditions as well as to model nodes and some aspects of their operation in the application scenario. These models are the basics of the simulations developed later. The overall system performance is analyzed according to three metrics: number of detections per kinetic node, accuracy, and latency. The links between these metrics and the operational conditions are also discussed and characterized statistically. Subsequently, such statistical characterization is used to forecast performance figures given specific operational parameters. In tracking, also studied via simulations, nonlinear relationships are found between accuracy and duty cycles and cluster sizes of battery-operated nodes. The solution presented may be more complex in terms of network structure than existing solutions based on GPS collars. However, its main gain lies on taking advantage of users' error tolerance to reduce costs and become more environmentally friendly by diminishing the potential amount of batteries that can be lost. Whether it is applicable or not depends ultimately on the conditions and requirements imposed by users' needs and operational environments, which is, as it has been explained, one of the topics of this Thesis.

A novel methodology for planning reliable wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) have shown their potentials in various applications, which bring a lot of benefits to users from both research and industrial areas. For many setups, it is envisioned thatWSNs will consist of tens to hundreds of nodes that operate on small batteries. However due to the diversity of the deployed environments and resource constraints on radio communication, sensing ability and energy supply, it is a very challenging issue to plan optimized WSN topology and predict its performance before real deployment. During the network planning phase, the connectivity, coverage, cost, network longevity and service quality should all be considered. Therefore it requires designers coping with comprehensive and interdisciplinary knowledge, including networking, radio engineering, embedded system and so on, in order to efficiently construct a reliable WSN for any specific types of environment. Nowadays there is still a lack of the analysis and experiences to guide WSN designers to efficiently construct WSN topology successfully without many trials. Therefore, simulation is a feasible approach to the quantitative analysis of the performance of wireless sensor networks. However the existing planning algorithms and tools, to some extent, have serious limitations to practically design reliable WSN topology: Only a few of them tackle the 3D deployment issue, and an overwhelming number of works are proposed to place devices in 2D scheme. Without considering the full dimension, the impacts of environment to the performance of WSN are not completely studied, thus the values of evaluated metrics such as connectivity and sensing coverage are not sufficiently accurate to make proper decision. Even fewer planning methods model the sensing coverage and radio propagation by considering the realistic scenario where obstacles exist. Radio signals propagate with multi-path phenomenon in the real world, in which direct paths, reflected paths and diffracted paths contribute to the received signal strength. Besides, obstacles between the path of sensor and objects might block the sensing signals, thus create coverage hole in the application. None of the existing planning algorithms model the network longevity and packet delivery capability properly and practically. They often employ unilateral and unrealistic formulations. The optimization targets are often one-sided in the current works. Without comprehensive evaluation on the important metrics, the performance of planned WSNs can not be reliable and entirely optimized. Modeling of environment is usually time consuming and the cost is very high, while none of the current works figure out any method to model the 3D deployment environment efficiently and accurately. Therefore many researchers are trapped by this issue, and their algorithms can only be evaluated in the same scenario, without the possibility to test the robustness and feasibility for implementations in different environments. In this thesis, we propose a novel planning methodology and an intelligent WSN planning tool to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs. First of all, a new method is proposed to efficiently and automatically model the 3D indoor and outdoor environments. To the best of our knowledge, this is the first time that the advantages of image understanding algorithm are applied to automatically reconstruct 3D outdoor and indoor scenarios for signal propagation and network planning purpose. The experimental results indicate that the proposed methodology is able to accurately recognize different objects from the satellite images of the outdoor target regions and from the scanned floor plan of indoor area. Its mechanism offers users a flexibility to reconstruct different types of environment without any human interaction. Thereby it significantly reduces human efforts, cost and time spent on reconstructing a 3D geographic database and allows WSN designers concentrating on the planning issues. Secondly, an efficient ray-tracing engine is developed to accurately and practically model the radio propagation and sensing signal on the constructed 3D map. The engine contributes on efficiency and accuracy to the estimated results. By using image processing concepts, including the kd-tree space division algorithm and modified polar sweep algorithm, the rays are traced efficiently without detecting all the primitives in the scene. The radio propagation model iv is proposed, which emphasizes not only the materials of obstacles but also their locations along the signal path. The sensing signal of sensor nodes, which is sensitive to the obstacles, is benefit from the ray-tracing algorithm via obstacle detection. The performance of this modelling method is robust and accurate compared with conventional methods, and experimental results imply that this methodology is suitable for both outdoor urban scenes and indoor environments. Moreover, it can be applied to either GSM communication or ZigBee protocol by varying frequency parameter of the radio propagation model. Thirdly, WSN planning method is proposed to tackle the above mentioned challenges and efficiently deploy reliable WSNs. More metrics (connectivity, coverage, cost, lifetime, packet latency and packet drop rate) are modeled more practically compared with other works. Especially 3D ray tracing method is used to model the radio link and sensing signal which are sensitive to the obstruction of obstacles; network routing is constructed by using AODV protocol; the network longevity, packet delay and packet drop rate are obtained via simulating practical events in WSNet simulator, which to the best of our knowledge, is the first time that network simulator is involved in a planning algorithm. Moreover, a multi-objective optimization algorithm is developed to cater for the characteristics of WSNs. The capability of providing multiple optimized solutions simultaneously allows users making their own decisions accordingly, and the results are more comprehensively optimized compared with other state-of-the-art algorithms. iMOST is developed by integrating the introduced algorithms, to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs for different configurations. The abbreviated name iMOST stands for an Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool. iMOST contributes on: (1) Convenient operation with a user-friendly vision system; (2) Efficient and automatic 3D database reconstruction and fast 3D objects design for both indoor and outdoor environments; (3) It provides multiple multi-objective optimized 3D deployment solutions and allows users to configure the network properties, hence it can adapt to various WSN applications; (4) Deployment solutions in the 3D space and the corresponding evaluated performance are visually presented to users; and (5) The Node Placement Module of iMOST is available online as well as the source code of the other two rebuilt heuristics. Therefore WSN designers will be benefit from v this tool on efficiently constructing environment database, practically and efficiently planning reliable WSNs for both outdoor and indoor applications. With the open source codes, they are also able to compare their developed algorithms with ours to contribute to this academic field. Finally, solid real results are obtained for both indoor and outdoor WSN planning. Deployments have been realized for both indoor and outdoor environments based on the provided planning solutions. The measured results coincide well with the estimated results. The proposed planning algorithm is adaptable according to the WSN designer’s desirability and configuration, and it offers flexibility to plan small and large scale, indoor and outdoor 3D deployments. The thesis is organized in 7 chapters. In Chapter 1, WSN applications and motivations of this work are introduced, the state-of-the-art planning algorithms and tools are reviewed, challenges are stated out and the proposed methodology is briefly introduced. In Chapter 2, the proposed 3D environment reconstruction methodology is introduced and its performance is evaluated for both outdoor and indoor environment. The developed ray-tracing engine and proposed radio propagation modelling method are described in details in Chapter 3, their performances are evaluated in terms of computation efficiency and accuracy. Chapter 4 presents the modelling of important metrics of WSNs and the proposed multi-objective optimization planning algorithm, the performance is compared with the other state-of-the-art planning algorithms. The intelligent WSN planning tool iMOST is described in Chapter 5. RealWSN deployments are prosecuted based on the planned solutions for both indoor and outdoor scenarios, important data are measured and results are analysed in Chapter 6. Chapter 7 concludes the thesis and discusses about future works. vi Resumen en Castellano Las redes de sensores inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSNs) han demostrado su potencial en diversas aplicaciones que aportan una gran cantidad de beneficios para el campo de la investigación y de la industria. Para muchas configuraciones se prevé que las WSNs consistirán en decenas o cientos de nodos que funcionarán con baterías pequeñas. Sin embargo, debido a la diversidad de los ambientes para desplegar las redes y a las limitaciones de recursos en materia de comunicación de radio, capacidad de detección y suministro de energía, la planificación de la topología de la red y la predicción de su rendimiento es un tema muy difícil de tratar antes de la implementación real. Durante la fase de planificación del despliegue de la red se deben considerar aspectos como la conectividad, la cobertura, el coste, la longevidad de la red y la calidad del servicio. Por lo tanto, requiere de diseñadores con un amplio e interdisciplinario nivel de conocimiento que incluye la creación de redes, la ingeniería de radio y los sistemas embebidos entre otros, con el fin de construir de manera eficiente una WSN confiable para cualquier tipo de entorno. Hoy en día todavía hay una falta de análisis y experiencias que orienten a los diseñadores de WSN para construir las topologías WSN de manera eficiente sin realizar muchas pruebas. Por lo tanto, la simulación es un enfoque viable para el análisis cuantitativo del rendimiento de las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo, los algoritmos y herramientas de planificación existentes tienen, en cierta medida, serias limitaciones para diseñar en la práctica una topología fiable de WSN: Sólo unos pocos abordan la cuestión del despliegue 3D mientras que existe una gran cantidad de trabajos que colocan los dispositivos en 2D. Si no se analiza la dimensión completa (3D), los efectos del entorno en el desempeño de WSN no se estudian por completo, por lo que los valores de los parámetros evaluados, como la conectividad y la cobertura de detección, no son lo suficientemente precisos para tomar la decisión correcta. Aún en menor medida los métodos de planificación modelan la cobertura de los sensores y la propagación de la señal de radio teniendo en cuenta un escenario realista donde existan obstáculos. Las señales de radio en el mundo real siguen una propagación multicamino, en la que los caminos directos, los caminos reflejados y los caminos difractados contribuyen a la intensidad de la señal recibida. Además, los obstáculos entre el recorrido del sensor y los objetos pueden bloquear las señales de detección y por lo tanto crear áreas sin cobertura en la aplicación. Ninguno de los algoritmos de planificación existentes modelan el tiempo de vida de la red y la capacidad de entrega de paquetes correctamente y prácticamente. A menudo se emplean formulaciones unilaterales y poco realistas. Los objetivos de optimización son a menudo tratados unilateralmente en los trabajos actuales. Sin una evaluación exhaustiva de los parámetros importantes, el rendimiento previsto de las redes inalámbricas de sensores no puede ser fiable y totalmente optimizado. Por lo general, el modelado del entorno conlleva mucho tiempo y tiene un coste muy alto, pero ninguno de los trabajos actuales propone algún método para modelar el entorno de despliegue 3D con eficiencia y precisión. Por lo tanto, muchos investigadores están limitados por este problema y sus algoritmos sólo se pueden evaluar en el mismo escenario, sin la posibilidad de probar la solidez y viabilidad para las implementaciones en diferentes entornos. En esta tesis, se propone una nueva metodología de planificación así como una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas para ayudar a los diseñadores a planificar WSNs fiables de una manera eficiente. En primer lugar, se propone un nuevo método para modelar demanera eficiente y automática los ambientes interiores y exteriores en 3D. Según nuestros conocimientos hasta la fecha, esta es la primera vez que las ventajas del algoritmo de _image understanding_se aplican para reconstruir automáticamente los escenarios exteriores e interiores en 3D para analizar la propagación de la señal y viii la planificación de la red. Los resultados experimentales indican que la metodología propuesta es capaz de reconocer con precisión los diferentes objetos presentes en las imágenes satelitales de las regiones objetivo en el exterior y de la planta escaneada en el interior. Su mecanismo ofrece a los usuarios la flexibilidad para reconstruir los diferentes tipos de entornos sin ninguna interacción humana. De este modo se reduce considerablemente el esfuerzo humano, el coste y el tiempo invertido en la reconstrucción de una base de datos geográfica con información 3D, permitiendo así que los diseñadores se concentren en los temas de planificación. En segundo lugar, se ha desarrollado un motor de trazado de rayos (en inglés ray tracing) eficiente para modelar con precisión la propagación de la señal de radio y la señal de los sensores en el mapa 3D construido. El motor contribuye a la eficiencia y la precisión de los resultados estimados. Mediante el uso de los conceptos de procesamiento de imágenes, incluyendo el algoritmo del árbol kd para la división del espacio y el algoritmo _polar sweep_modificado, los rayos se trazan de manera eficiente sin la detección de todas las primitivas en la escena. El modelo de propagación de radio que se propone no sólo considera los materiales de los obstáculos, sino también su ubicación a lo largo de la ruta de señal. La señal de los sensores de los nodos, que es sensible a los obstáculos, se ve beneficiada por la detección de objetos llevada a cabo por el algoritmo de trazado de rayos. El rendimiento de este método de modelado es robusto y preciso en comparación con los métodos convencionales, y los resultados experimentales indican que esta metodología es adecuada tanto para escenas urbanas al aire libre como para ambientes interiores. Por otra parte, se puede aplicar a cualquier comunicación GSM o protocolo ZigBee mediante la variación de la frecuencia del modelo de propagación de radio. En tercer lugar, se propone un método de planificación de WSNs para hacer frente a los desafíos mencionados anteriormente y desplegar redes de sensores fiables de manera eficiente. Se modelan más parámetros (conectividad, cobertura, coste, tiempo de vida, la latencia de paquetes y tasa de caída de paquetes) en comparación con otros trabajos. Especialmente el método de trazado de rayos 3D se utiliza para modelar el enlace de radio y señal de los sensores que son sensibles a la obstrucción de obstáculos; el enrutamiento de la red se construye utilizando el protocolo AODV; la longevidad de la red, retardo de paquetes ix y tasa de abandono de paquetes se obtienen a través de la simulación de eventos prácticos en el simulador WSNet, y según nuestros conocimientos hasta la fecha, es la primera vez que simulador de red está implicado en un algoritmo de planificación. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo de optimización multi-objetivo para satisfacer las características de las redes inalámbricas de sensores. La capacidad de proporcionar múltiples soluciones optimizadas de forma simultánea permite a los usuarios tomar sus propias decisiones en consecuencia, obteniendo mejores resultados en comparación con otros algoritmos del estado del arte. iMOST se desarrolla mediante la integración de los algoritmos presentados, para ayudar de forma eficiente a los diseñadores en la planificación de WSNs fiables para diferentes configuraciones. El nombre abreviado iMOST (Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool) representa una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores con optimización multi-objetivo. iMOST contribuye en: (1) Operación conveniente con una interfaz de fácil uso, (2) Reconstrucción eficiente y automática de una base de datos con información 3D y diseño rápido de objetos 3D para ambientes interiores y exteriores, (3) Proporciona varias soluciones de despliegue optimizadas para los multi-objetivo en 3D y permite a los usuarios configurar las propiedades de red, por lo que puede adaptarse a diversas aplicaciones de WSN, (4) las soluciones de implementación en el espacio 3D y el correspondiente rendimiento evaluado se presentan visualmente a los usuarios, y (5) El _Node Placement Module_de iMOST está disponible en línea, así como el código fuente de las otras dos heurísticas de planificación. Por lo tanto los diseñadores WSN se beneficiarán de esta herramienta para la construcción eficiente de la base de datos con información del entorno, la planificación práctica y eficiente de WSNs fiables tanto para aplicaciones interiores y exteriores. Con los códigos fuente abiertos, son capaces de comparar sus algoritmos desarrollados con los nuestros para contribuir a este campo académico. Por último, se obtienen resultados reales sólidos tanto para la planificación de WSN en interiores y exteriores. Los despliegues se han realizado tanto para ambientes de interior y como para ambientes de exterior utilizando las soluciones de planificación propuestas. Los resultados medidos coinciden en gran medida con los resultados estimados. El algoritmo de planificación x propuesto se adapta convenientemente al deiseño de redes de sensores inalámbricas, y ofrece flexibilidad para planificar los despliegues 3D a pequeña y gran escala tanto en interiores como en exteriores. La tesis se estructura en 7 capítulos. En el Capítulo 1, se presentan las aplicaciones de WSN y motivaciones de este trabajo, se revisan los algoritmos y herramientas de planificación del estado del arte, se presentan los retos y se describe brevemente la metodología propuesta. En el Capítulo 2, se presenta la metodología de reconstrucción de entornos 3D propuesta y su rendimiento es evaluado tanto para espacios exteriores como para espacios interiores. El motor de trazado de rayos desarrollado y el método de modelado de propagación de radio propuesto se describen en detalle en el Capítulo 3, evaluándose en términos de eficiencia computacional y precisión. En el Capítulo 4 se presenta el modelado de los parámetros importantes de las WSNs y el algoritmo de planificación de optimización multi-objetivo propuesto, el rendimiento se compara con los otros algoritmos de planificación descritos en el estado del arte. La herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas, iMOST, se describe en el Capítulo 5. En el Capítulo 6 se llevan a cabo despliegues reales de acuerdo a las soluciones previstas para los escenarios interiores y exteriores, se miden los datos importantes y se analizan los resultados. En el Capítulo 7 se concluye la tesis y se discute acerca de los trabajos futuros.

Middleware architectures for the Smart Grid : survey and challenges in the foreseeable future

The traditional power grid is just a one-way supplier that gets no feedback data about the energy delivered, what tariffs could be the most suitable ones for customers, the shifting daily needs of electricity in a facility, etc. Therefore, it is only natural that efforts are being invested in improving power grid behavior and turning it into a Smart Grid. However, to this end, several components have to be either upgraded or created from scratch. Among the new components required, middleware appears as a critical one, for it will abstract all the diversity of the used devices for power transmission (smart meters, embedded systems, etc.) and will provide the application layer with a homogeneous interface involving power production and consumption management data that were not able to be provided before. Additionally, middleware is expected to guarantee that updates to the current metering infrastructure (changes in service or hardware availability) or any added legacy measuring appliance will get acknowledged for any future request. Finally, semantic features are of major importance to tackle scalability and interoperability issues. A survey on the most prominent middleware architectures for Smart Grids is presented in this paper, along with an evaluation of their features and their strong points and weaknesses.

Assessing urban mobility through participatory scenario building and combined utility-regret assessment

La planificación de la movilidad sostenible urbana es una tarea compleja que implica un alto grado de incertidumbre debido al horizonte de planificación a largo plazo, la amplia gama de paquetes de políticas posibles, la necesidad de una aplicación efectiva y eficiente, la gran escala geográfica, la necesidad de considerar objetivos económicos, sociales y ambientales, y la respuesta del viajero a los diferentes cursos de acción y su aceptabilidad política (Shiftan et al., 2003). Además, con las tendencias inevitables en motorización y urbanización, la demanda de terrenos y recursos de movilidad en las ciudades está aumentando dramáticamente. Como consecuencia de ello, los problemas de congestión de tráfico, deterioro ambiental, contaminación del aire, consumo de energía, desigualdades en la comunidad, etc. se hacen más y más críticos para la sociedad. Esta situación no es estable a largo plazo. Para enfrentarse a estos desafíos y conseguir un desarrollo sostenible, es necesario considerar una estrategia de planificación urbana a largo plazo, que aborde las necesarias implicaciones potencialmente importantes. Esta tesis contribuye a las herramientas de evaluación a largo plazo de la movilidad urbana estableciendo una metodología innovadora para el análisis y optimización de dos tipos de medidas de gestión de la demanda del transporte (TDM). La metodología nueva realizado se basa en la flexibilización de la toma de decisiones basadas en utilidad, integrando diversos mecanismos de decisión contrariedad‐anticipada y combinados utilidad‐contrariedad en un marco integral de planificación del transporte. La metodología propuesta incluye dos aspectos principales: 1) La construcción de escenarios con una o varias medidas TDM usando el método de encuesta que incorpora la teoría “regret”. La construcción de escenarios para este trabajo se hace para considerar específicamente la implementación de cada medida TDM en el marco temporal y marco espacial. Al final, se construyen 13 escenarios TDM en términos del más deseable, el más posible y el de menor grado de “regret” como resultado de una encuesta en dos rondas a expertos en el tema. 2) A continuación se procede al desarrollo de un marco de evaluación estratégica, basado en un Análisis Multicriterio de Toma de Decisiones (Multicriteria Decision Analysis, MCDA) y en un modelo “regret”. Este marco de evaluación se utiliza para comparar la contribución de los distintos escenarios TDM a la movilidad sostenible y para determinar el mejor escenario utilizando no sólo el valor objetivo de utilidad objetivo obtenido en el análisis orientado a utilidad MCDA, sino también el valor de “regret” que se calcula por medio del modelo “regret” MCDA. La función objetivo del MCDA se integra en un modelo de interacción de uso del suelo y transporte que se usa para optimizar y evaluar los impactos a largo plazo de los escenarios TDM previamente construidos. Un modelo de “regret”, llamado “referencedependent regret model (RDRM)” (modelo de contrariedad dependiente de referencias), se ha adaptado para analizar la contribución de cada escenario TDM desde un punto de vista subjetivo. La validación de la metodología se realiza mediante su aplicación a un caso de estudio en la provincia de Madrid. La metodología propuesta define pues un procedimiento técnico detallado para la evaluación de los impactos estratégicos de la aplicación de medidas de gestión de la demanda en el transporte, que se considera que constituye una herramienta de planificación útil, transparente y flexible, tanto para los planificadores como para los responsables de la gestión del transporte. Planning sustainable urban mobility is a complex task involving a high degree of uncertainty due to the long‐term planning horizon, the wide spectrum of potential policy packages, the need for effective and efficient implementation, the large geographical scale, the necessity to consider economic, social, and environmental goals, and the traveller’s response to the various action courses and their political acceptability (Shiftan et al., 2003). Moreover, with the inevitable trends on motorisation and urbanisation, the demand for land and mobility in cities is growing dramatically. Consequently, the problems of traffic congestion, environmental deterioration, air pollution, energy consumption, and community inequity etc., are becoming more and more critical for the society (EU, 2011). Certainly, this course is not sustainable in the long term. To address this challenge and achieve sustainable development, a long‐term perspective strategic urban plan, with its potentially important implications, should be established. This thesis contributes on assessing long‐term urban mobility by establishing an innovative methodology for optimizing and evaluating two types of transport demand management measures (TDM). The new methodology aims at relaxing the utility‐based decision‐making assumption by embedding anticipated‐regret and combined utilityregret decision mechanisms in an integrated transport planning framework. The proposed methodology includes two major aspects: 1) Construction of policy scenarios within a single measure or combined TDM policy‐packages using the survey method incorporating the regret theory. The purpose of building the TDM scenarios in this work is to address the specific implementation in terms of time frame and geographic scale for each TDM measure. Finally, 13 TDM scenarios are built in terms of the most desirable, the most expected and the least regret choice by means of the two‐round Delphi based survey. 2) Development of the combined utility‐regret analysis framework based on multicriteria decision analysis (MCDA). This assessment framework is used to compare the contribution of the TDM scenario towards sustainable mobility and to determine the best scenario considering not only the objective utility value obtained from the utilitybased MCDA, but also a regret value that is calculated via a regret‐based MCDA. The objective function of the utility‐based MCDA is integrated in a land use and transport interaction model and is used for optimizing and assessing the long term impacts of the constructed TDM scenarios. A regret based model, called referente dependent regret model (RDRM) is adapted to analyse the contribution of each TDM scenario in terms of a subjective point of view. The suggested methodology is implemented and validated in the case of Madrid. It defines a comprehensive technical procedure for assessing strategic effects of transport demand management measures, which can be useful, transparent and flexible planning tool both for planners and decision‐makers.

SMArc: a proposal for a smart, semantic middleware architecture focused on Smart City energy management

Among the main features that are intended to become part of what can be expected from the Smart City, one of them should be an improved energy management system, in order to benefit from a healthier relation with the environment, minimize energy expenses, and offer dynamic market opportunities. A Smart Grid seems like a very suitable infrastructure for this objective, as it guarantees a two-way information flow that will provide the means for energy management enhancement. However, to obtain all the required information, another entity must care about all the devices required to gather the data. What is more, this entity must consider the lifespan of the devices within the Smart Grid—when they are turned on and off or when new appliances are added—along with the services that devices are able to provide. This paper puts forward SMArc—an acronym for semantic middleware architecture—as a middleware proposal for the Smart Grid, so as to process the collected data and use it to insulate applications from the complexity of the metering facilities and guarantee that any change that may happen at these lower levels will be updated for future actions in the system.

Evaluation, energy optimization, and spectrum analysis of an artificial noise technique to improve CWSN security

This paper presents the security evaluation, energy consumption optimization, and spectrum scarcity analysis of artificial noise techniques to increase physical-layer security in Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs). These techniques introduce noise into the spectrum in order to hide real information. Nevertheless, they directly affect two important parameters in Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs), energy consumption and spectrum utilization. Both are affected because the number of packets transmitted by the network and the active period of the nodes increase. Security evaluation demonstrates that these techniques are effective against eavesdropper attacks, but also optimization allows for the implementation of these approaches in low-resource networks such as Cognitive Wireless Sensor Networks. In this work, the scenario is formally modeled and the optimization according to the simulation results and the impact analysis over the frequency spectrum are presented.

Energy Storage Systems for Electric Vehicles: Performance Comparison based on a Simple Equivalent Circuit and Experimental Tests

The decision to select the most suitable type of energy storage system for an electric vehicle is always difficult, since many conditionings must be taken into account. Sometimes, this study can be made by means of complex mathematical models which represent the behavior of a battery, ultracapacitor or some other devices. However, these models are usually too dependent on parameters that are not easily available, which usually results in nonrealistic results. Besides, the more accurate the model, the more specific it needs to be, which becomes an issue when comparing systems of different nature. This paper proposes a practical methodology to compare different energy storage technologies. This is done by means of a linear approach of an equivalent circuit based on laboratory tests. Via these tests, the internal resistance and the self-discharge rate are evaluated, making it possible to compare different energy storage systems regardless their technology. Rather simple testing equipment is sufficient to give a comparative idea of the differences between each system, concerning issues such as efficiency, heating and self-discharge, when operating under a certain scenario. The proposed methodology is applied to four energy storage systems of different nature for the sake of illustration.

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.

Analysis of Renewable Energy Policies Related to Repowering the Wind Energy Sector: the Spanish Case

In countries that started early with wind energy, the old wind turbines were located in places where the wind is often very good. Since the best places in which the wind is concerned are occupied by old wind turbines (with lower capacity than the more recent ones) the trend is to start replacing old turbines with new ones. With repowering, the first generation of wind turbines can be replaced by modern multi-megawatt wind turbines. The aim of this article is to analyze energy policies in the Spanish energy sector in the repowering of wind farms from the viewpoint of the current situation of the wind energy sector. The approach presented in this article is meant to explain what have been the policies related to the repowering sector making a brief analysis of the spectrum of different stimulii that are demanded by the market analyzing also the future perspectives of the repowering sector by establishing the new opportunities based on the new published regulations.

Método de análisis diacrónico para la intervención en el alojamiento con criterios ecológicos. El caso de Madrid 1940–2100

Las evidencias del impacto sobre el medio ambiente asociado al funcionamiento de las ciudades hacen que sea urgente proponer medidas que reduzcan este consumo y mejoren la eficiencia del metabolismo urbano. La existencia de límites en la disponibilidad de recursos materiales y energéticos, plantea actualmente un reto importante al ser humano: ¿son posibles otras formas de organización más adecuadas a esta condición de limitación? Para dar respuesta, resulta fundamental conocer cómo interactuarán nuestros sistemas urbanos en un modelo económico de continuo desarrollo, con la población que alojan, y si podrán adaptarse a la capacidad de carga limitada del Planeta, evitando futuras situaciones de colapso anunciadas desde distintos ámbitos científicos. En ese contexto, la tesis formula un método de análisis del alojamiento que, mediante la evaluación a largo plazo, permita proponer medidas de intervención para reducir el consumo de recursos asociado a su funcionamiento. Se parte de un enfoque ecológico para definir el alojamiento como una parte fundamental del sistema urbano, que está compuesto por tres elementos: habitantes, viviendas y recursos naturales; por tanto, para reducir los impactos asociados al alojamiento es necesario tener en cuenta la diferente naturaleza de estos elementos y el carácter dinámico de las relaciones que se producen entre ellos. La Ecología, a través del estudio de los ecosistemas, ha identificado estrategias de supervivencia y adaptación ante los cambios y perturbaciones. La similitud entre los elementos de un ecosistema (población y soporte) y los del alojamiento (habitantes, viviendas y recursos naturales) permite verificar que la aplicación de estas estrategias al alojamiento puede conducir a situaciones más deseables en la relación de los sistemas urbanos con su entorno A partir de esta hipótesis, se propone un método de análisis diacrónico1 o a largo plazo, para conocer la evolución en el tiempo del alojamiento a través de la cuantificación de una serie de indicadores descriptivos de los habitantes, las viviendas y los recursos naturales. La aplicación de este método a un sistema urbano permitiría conocer las características de los elementos del sistema y, para un ámbito temporal de futuro, prever su evolución, identificar escenarios no deseables y proponer medidas de intervención que corrijan anticipadamente estas situaciones y eviten impactos ambientales innecesarios. La validación del método de análisis se realiza mediante la aplicación al caso de Madrid en periodo retrospectivo (de 1940 a 2010) A partir del estudio de la evolución en Madrid de los indicadores seleccionados, se proponen medidas de intervención en el alojamiento basadas en estrategias ecológicas que habrían conducido a una evolución alternativa con un impacto menor sobre el medio ambiente que la situación actual. El método de análisis se aplica con carácter prospectivo definiendo tres escenarios de futuro para Madrid hasta 2100. Para cada uno de ellos se analiza la evolución previsible de los indicadores y se proponen diferentes medidas de intervención que, desde el punto de vista ecológico, conducirían a una situación más adecuada. La tesis concluye en el interés de este método de análisis diacrónico que permite estimar posibilidades en la evolución futura del alojamiento, identificar las necesidades de recursos para responder a las demandas de los habitantes y, desde un enfoque ecológico, definir, cuantificar y evaluar posibles medidas de intervención que reduzcan los impactos ambientales. El método, por tanto, es una herramienta de interés para la toma de decisiones en la intervención en el alojamiento y en la planificación urbana a largo plazo. ABSTRACT Evidence of the impact on the environment associated with the operation of cities make it urgent to propose measures to reduce energy consumption and improve the efficiency of urban metabolism. The limited availability of materials and energy resources currently poses a significant challenge to human beings: are more appropriate forms of organization for this limitation possible? In response, it is essential to know how our urban systems with the population they host will interact in an economic model of continuous development and whether they can adapt to the limited endurance capacity of the planet, thus avoiding future collapse situations which are being announced from different scientific fields. In this context, the thesis puts forward a method of housing analysis that by a long term assessment will enable to propose intervention measures to reduce resource consumption associated with its operation. The thesis is based on an ecological approach to identify housing as a fundamental part of the urban system, which is composed of three elements: inhabitants, homes and natural resources. Therefore, in order to reduce the impacts associated with housing it is necessary to consider the characteristics of these elements and the dynamic nature of the relationships among them. Ecology, through the analysis of ecosystems, has identified strategies for survival and adaptation to changes and disturbances. The similarity between the elements of an ecosystem (population and support) and housing (inhabitants, homes and natural resources) enables to verify that the implementation of these strategies to housing can lead to better situations in the relationship existing between urban systems with their environment. From this hypothesis, a diachronic or long term analysis method is proposed to know the evolution of housing over time through the quantification of a descriptive indicators series of inhabitants, homes and natural resources. The implementation of this method to a urban system would allow better knowledge of the characteristics of these elements and forecast their development, identify undesirable scenarios and propose early intervention measures to correct these situations and avoid unnecessary environmental impacts. The validation of the method of analysis has been proved in the city of Madrid for the years 1940-2010. From the analysis of the evolution of the indicators selected, accommodation intervention measures are proposed based on ecological strategies that would have led to an alternative development having less impact on the environment than that of the current situation. The analysis method is implemented prospectively defining three future scenarios for the city of Madrid until 2100. The likely evolution of the indicators are analyzed for each scenario and various intervention measures that would lead to a better situation from an ecological point of view are proposed. The thesis conclusion states the interest of this diachronic analysis method to estimate potential future developments in the housing field, identify resource requirements to meet the demands of the citizens and, from an ecological approach, define, quantify and assess possible intervention measures to reduce environmental impacts. The method, therefore, is an interesting tool for decision-making process as for the intervention in housing and urban planning in the long term.

El vidrio y la luz en la envolvente contemporánea

Los arquitectos se han sentido progresivamente inclinados a incorporar superficies de vidrio cada vez mayores en sus proyectos de arquitectura, en correspondencia con una percepción socio-cultural del vidrio vinculada al progreso, la contemporaneidad y el bienestar, así como por la versatilidad de este material para expresar aspectos de la identidad del proyecto, establecer comunicación con el entorno y actuar como un escaparate para las tecnologías emergentes. A pesar de esta receptividad para acoger los sistemas tecnológicos más avanzados, la envolvente de vidrio contemporánea muy raramente integra tecnología avanzada para el control de la luz natural. Desde la arquitectura, el proyecto de la luz natural a través de la superficie de vidrio se ha explorado muy escasamente, aún cuando en las últimas tres décadas se haya producido una gran diversidad de soluciones tecnológicas para este propósito. Uno de los motivos principales para esta falta de sinergia es la inconsistencia conceptual que impulsa a los procesos proyectuales de la arquitectura y a los desarrollos tecnológicos para la sostenibilidad. Por un lado, las especificaciones de las tecnologías del control de la luz natural se determinan fundamentalmente desde una perspectiva científica de la eficiencia, que no tiene en consideración otros intereses y preocupaciones arquitectónicos. Por otro lado, la práctica arquitectónica no ha asimilado un pensamiento técnico en torno a la luz natural que lo determine como un agente clave del proceso proyectual, incluso cuando la sostenibilidad se perfile como la fuerza que ha de liderar la arquitectura del futuro y, en este sentido, sea una prioridad absoluta minimizar las consecuencias económicas y ecológicas del impacto negativo del vidrio. Por medio del escrutinio de valores culturales, proyectuales, funcionales y ecológicos, esta tesis aborda el estudio del precario diálogo transdisciplinar entre la evolución de la envolvente de vidrio en la arquitectura contemporánea y el desarrollo de soluciones tecnológicas para el proyecto de la luz natural, e identifica sus principales puntos de divergencia como los temas centrales desde los que proyectar con vidrio en una arquitectura sostenible futura. Desde una perspectiva energética, este ejercicio es un paso crítico para concienciar sobre la gravedad de la situación presente y establecer los cimientos para líneas de intervención esenciales para hacer a ambos mundos converger. Desde la óptica arquitectónica, este estudio representa además de una oportunidad para entender los potenciales proyectuales de estas tecnologías y reflexionar sobre la relación vidrio-luz, un escenario desde el que comprender el estatus incongruente de la sostenibilidad tecnológica en la arquitectura actual, contribuyendo a que se genere una contextualización recíproca entre la investigación en energía y la práctica de la arquitectura futura. ABSTRACT Architects are increasingly demanded to incorporate extensive glazed areas in buildings in correspondence with a socio-cultural perception of glass linked with progress, contemporaneity and welfare, as well as for this material’s versatility to express identity features, establish communication with its environment, and perform as a showroom for emergent technologies. Despite this disposition to take cutting-edge technology in, the contemporary glass envelope very scarcely integrates advanced daylight control technology. From an architectural standpoint, the exploration of the manipulation of natural light through the glass surface has been very swallow, even though a wide range of technical solutions has being produced in the last three decades for this purpose. One of the core issues behind this inconsistency is the lack of established synergy between architectural design processes and sustainable technological developments. From one side, the specifications of daylighting technologies are primarily determined by a scientific perspective of efficiency and disregard fundamental architectural concerns and interests. From another, architectural practice does not conceive sustainable technologies as key active agents in the design process, despite the fact the concept of sustainability is constantly regarded as the driving force of the leading-edge architecture of the future, and in this sense, it becomes an absolute priority to minimize the ecological and economical consequences of glass decisive impact in buildings. Through the scrutiny of cultural, functional and ecological values, this thesis analyses the precarious transdisciplinary dialogue between the evolution of the glass envelope in contemporary architecture and the development of daylighting technological solutions, and identifies the core affairs necessary to a sustainable integration of glass facades into future architecture. From an energy point of view, this exercise is a critical step to raise awareness about the severity of the present situation, and to establish the underpinnings for new lines of intervention essential to make both worlds efficiently converge. Architecturally speaking, in addition to the opportunity to understand the design potentials of these technologies and reflect on the relationship glasslight, this study contributes with a scenario from which generate the reciprocal contextualization of energy building research to future architectural practices.

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

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

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

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

Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).