Implementación de una microrred de energías renovables (solar, eólica y geotérmica) en el distrito salinero artesanal Barranca-La Villa de Cáhuil. Implementación de una planta piloto geotérmica de producción de sal y electrificación de bombas y planta de yodación comunitaria mediante energías renovables no convencionales.

En los últimos años, la electromovilidad a nivel mundial ha tenido un aumento significativo, el que ha sido motivado por la necesidad mundial de disminuir la dependencia de combustibles fósiles, para ir hacia una matriz energética basada en fuentes de energías más limpias, menos contaminantes y amigables con el medio ambiente. En recientes años ha habido un aumento significativo de vehículos híbridos y totalmente eléctricos transitando en las calles del mundo. Por ejemplo, el año 2021 hubieron cerca de 16.5 millones de este tipo de vehículos y se espera un aumento exponencial en los años siguientes. Chile no está ajeno a esta tendencia, teniéndose que la venta de modelos eléctricos en 2011 hasta agosto de 2022 ha sido de 1.522 vehículos 100% eléctricos (EV), a los que se suman 607 modelos híbridos Plug-In (PHEV), conformando un parque total de 2.129. Además, se espera que al 2030 el parque de vehículos eléctricos alcance las 80.000 unidades circulando.

Al analizar un vehículo eléctrico, se tiene que, de manera general, sus componentes son bastantes similares a los presentes en vehículos de combustión interna. La diferencia principal radica en que los vehículos totalmente eléctricos o híbridos tienen incorporado un banco de baterías, el que se compone de cientos de celdas de baterías de ion litio interconectadas entre sí. En este sentido, la energía almacenada por un banco de baterías se caracteriza por su capacidad nominal. Notar que la capacidad de una batería va disminuyendo con su uso, por lo cual, es un indicador del nivel de degradación de la misma. Una práctica común en electromovilidad es reemplazar el banco de baterías cuando éste ha alcanzado ha alcanzado un 80% de su capacidad nominal. Notar que, en este contexto, si bien el banco de baterías descartado no puede ser utilizado en aplicaciones de electromovilidad, si puede ser utilizado en otras aplicaciones menos demandantes como almacenamiento estático de energía.

Tomando en cuenta el auge de la electromovilidad en el mundo y que un banco de baterías de un vehículo eléctrico típicamente tiene una vida útil de 10 años, se tendrá en el corto plazo, a nivel mundial, un gran número de bancos de baterías desechados de aplicaciones de electromovilidad. En este escenario, en este proyecto, se detecta el problema de qué hacer con la gran cantidad de baterías desechadas que habrá a nivel mundial en pocos años. Notar que este tipo de baterías no pueden ser desechadas en vertederos de basura ya que contienen materiales peligrosos tanto para los seres humanos como para el medio ambiente. Además, no pueden ser almacenadas en los domicilios particulares de los dueños de los vehículos, ya que, si son manipulados incorrectamente, pueden explotar, generando fuego y gases nocivos. En base a esto, la oportunidad que se aborda con este proyecto es de valorizar este residuo (baterías desechadas) en un producto de valor para el mercado y la sociedad y que pueda ser utilizado como almacenamiento de energía en otras aplicaciones. En particular, proponemos una topología de electrónica de potencia capaz de integrar baterías de distintos tipos (voltaje nominal, capacidad, química, etc.) y mediante técnicas de control avanzadas, hacer funcionar el dispositivo como una sola entidad desde el punto de vista de la aplicación y/o usuario final y al mismo tiempo, gestionar internamente los estados (estado de carga, nivel de degradación, etc.) de todas las baterías integradas por la topología (para optimizar el funcionamiento y autonomía del dispositivo).

Un tercio del consumo energético final en Chile corresponde al sector del transporte, lo que representa aproximadamente el 20% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero (GEI) del país. Los vehículos eléctricos presentan una interesante oportunidad pues contribuyen a reducir las emisiones de GEI al obtener su energía de fuentes limpias. Actualmente la participación de Chile en el mercado automotriz, especialmente en vehículos eléctricos, es baja, por lo que se han generado políticas públicas para fomentar el desarrollo de la electromovilidad. Se espera que para el año 2035, el 100% de los vehículos privados y el 100% de la flota de transporte público sean eléctricos. Esto plantea numerosos desafíos, especialmente en términos de infraestructura de carga, donde se estima que se necesitarán más de 130,000 puntos de carga para el año 2035.

En este contexto, este proyecto busca implementar una plataforma llamada “Configurable Electrical Vehicle Supply Equipment for Testing Electric Vehicles and Enhancing Interoperability with Smart Grids”, que consta de 4 unidades capaces de realizar pruebas de operación multiprotocolo y análisis de comunicaciones para evaluar interoperabilidad, protocolos, estándares de carga y aplicaciones de vehicle-to-grid y vehicle-to-vehicle. Cada unidad, llamada Charging Discovery System, puede emular vehículos eléctricos y cargadores, utilizando fuentes programables que no solo emulan los protocolos, sino que también generan transferencia de energía eléctrica, simulando el proceso de carga en tiempo real. Además, se complementará la plataforma con un vehículo eléctrico equipado con los protocolos de comunicación CCS2 y GBT, considerando el estándar chino de comunicaciones.

El equipo de investigación, liderado por la Universidad de Santiago de Chile, cuenta con la colaboración de la Universidad Andrés Bello, Universidad de O’Higgins y Universidad Austral de Chile, donde se instalarán las unidades de la plataforma. Asimismo, se cuenta con colaboraciones internacionales de la Universidad de Nottingham, Zurich U. of Applied Sciences y la Universidad de Costa Rica. El proyecto cuenta con el patrocinio del Ministerio de Energía del Gobierno de Chile y la Agencia de Sostenibilidad Energética, instituciones encargadas de promover políticas y desarrollar la electromovilidad a nivel nacional. También se ha establecido una colaboración con 4 liceos con el objetivo de difundir temas relacionados con la electromovilidad entre los estudiantes secundarios, quienes podrán visitar y utilizar el equipo en actividades de divulgación.

El equipo investigador cuenta con una sólida experiencia demostrada a través de proyectos en curso y publicaciones en el campo de estudio, destacando una amplia red de colaboración. La implementación de esta plataforma será una valiosa contribución para estudiantes y académicos asociados a 13 programas de pregrado y posgrado en universidades nacionales, así como a 9 programas académicos internacionales y hasta 8 proyectos de investigación vigentes hasta el 2025.

La instalación de esta plataforma permitirá generar publicaciones indexadas de alta calidad, ofrecer tesis de pregrado y posgrado, establecer redes de contacto, organizar eventos de divulgación y brindar servicios de asesoría técnica a la industria.

De esta manera, se contribuirá a dotar al país instalaciones únicas a nivel regional, fortaleciendo la capacidad de generar investigación y desarrollo en electromovilidad.

En particular, el proyecto instalará y desarrollará en la región de O’Higgins capacidades
humanas avanzadas y fortalecerá la cooperación internacional en temáticas
relacionadas con el uso de micro-redes en agricultura. También, se instalará un proyecto
piloto de micro-red eléctrica aplicado en cultivos bajo invernadero.

PROPOSAL ABSTRACT: Cyber-attacks in modular multilevel converters (MMCs)
Cyber-attacks on electrical systems are a major concern to many countries as they can have significant impacts on social well-being and economic prosperity. Recent examples of such attacks are (i) the cyber-attacks that targeted the supervisory control data acquisition (SCADA) system of the Ukrainian power grid, causing a power outage that affected approximately 225,000 customers, (ii) the cyber-attack that occurred in 2019 in Venezuela, affecting the power supply of Caracas city, and (iii) the cyber-attacks that affected battery control systems in Korea, resulting in fire and damage. These examples show that cyber-attacks can significantly affect the normal operation of electrical systems and have motivated much research around the world. Much of the published research deals with cyber-attack issues in electrical systems such as microgrids, smart grids and modern power systems. However, cyber-attacks in modular multilevel converters (MMCs) have received limited attention: a recent letter (2021, see introduction section) is the only article published in this area so far. The MMC is deemed to be a prominent solution for medium to high-voltage and high-power applications, with several commercial converters adopting this approach and numerous projects worldwide using this topology. This project aims to investigate cyber-attack issues in the MMC control system and addresses the lack of investigation in this area. In particular, this research will consider the MMC in the context of high voltage direct current (HVDC) transmission systems since this topology is a promising solution to transfer power over long distances. It has been widely used in commercial projects (Trans Bay Cable, Dolwin2, Nano3-terminal DC grid, etc.).
In this project, distributed control schemes for controlling the MMC are considered. For this control approach, low-level control tasks are distributed among local controllers placed in the MMC submodules, while high-level control tasks are undertaken by a central controller. The computational burden for the central controller is therefore reduced. The distributed architecture is chosen since the MMC for HVDC applications requires a high number of submodules (SMs). In this case, if the traditional centralised control scheme is used, where a central controller is in charge of processing all the information required for implementing the whole control system, the execution time may not be sufficient for each control cycle to perform all the control tasks, limiting the modularity, flexibility and expandability of this topology (in terms of software development).
This project will investigate and quantify the impacts, in terms of operation and stability, of the type of cyber-attack named “false data injection attacks” (FDIAs ) on distributed control systems used for MMCs. Particular focus will be centred on designing strategies for detecting these cyber-attacks and locating the vulnerable sub-modules in the MMC. Also, novel cyber-attack-resilient distributed control schemes will be proposed. It must be pointed out that all the methods derived in this project will be validated through simulation and experimental results.
To this end, the cyber-attack detection methods will be based on state observers (Kalman filter, particle filter, etc.) and artificial intelligence (AI) based observers. Note that these detection methods should operate in a distributed architecture, meaning the state estimation should be performed based on partial information of the system. They should be able to be implemented on the SMs local controllers. Finally, once the cyber-attacks are identified, control schemes to neutralise those attacks will be investigated, generating cyber-attack-resilient distributed control schemes for the MMC.
The objectives of this proposal are (i) Analyse and quantify the effects of cyber-attacks on the standard distributed control strategies proposed for MMCs and the ones recently proposed based on the consensus theory, (ii) Design distributed methods for the detection of the cyber-attacks considered in this project, (iii) Design of cyber-attacks-resilient distributed control schemes for the MMC, and (iv) Implement an experimental rig for testing and validate the proposals derived from this research. Since there is no literature regarding cyber-attacks in MMCs, the literature review will be focused on work dealing with cyber-attacks on other electrical systems such as microgrids, smart grid and modern power systems. The aim will be to determine if the techniques proposed for these systems can be adapted for the MMC. A similar approach will be followed to address cyber-attack-resilient distributed control schemes.
The main contributions of this project will be:
1. The project will provide the foundation for research into cyber-attacks in MMC, as so far, there is very little information in the literature on this topic. Note that cyber-attacks are a hot topic in other electrical systems. Thus it should be investigated for the MMC.
2. Novel distributed methods for detecting cyber-attacks in MMCs will be proposed and validated through simulations and experiment.
3. Novel cyber-attack-resilient distributed control schemes for the MMC will be proposed and validated through simulations and experiment.
4. An experimental rig to analyse and validate the points mentioned above will be designed and built. It will be composed of a central controller and local controllers placed in each SM of the MMC.

Estudio e implementación de métodos híbridos para la resolución computacional de EDP aplicadas a Ciencia de Datos.

Esta propuesta está dedicada al estudio de problemas locales y no locales, elípticos y parabólicos, en Ecuaciones en Derivadas Parciales (EDP). Se espera obtener resultados de existencia para los problemas planteados, son 3 los problemas que se quieren estudiar: El primer modelo involucra al Laplaciano Fraccionario con singularidades no lineales (Ecuación Fraccionaria de Burger ver (3)). En este problema queremos probar la existencia y la no unicidad de soluciones débiles de (3), teniendo en cuenta que las soluciones de entropía son soluciones débiles, el primer paso será probar existencia de soluciones de entropía, para esto usaremos el método de sub y supersoluciones, donde probaremos los resultados de los principios de Comparación y L1-Contracción. Una vez teniendo la existencia de solución de entropía, pasaremos a construir una solución débil que no sea solución de entropía, donde esta solución débil se obtendrá como límite de soluciones a problemas regularizados estacionarios, en donde usaremos métodos variacionales para resolver el problema regularizado.
El segundo problema, es una extensión al caso no local del problema estudiado en [L. Jeanjean and V. Radulescu, Nonhomogeneous quasilinear elliptic problems: linear and sublinear cases, Journal d’Analyse Mathématique (2021)]. Para probar existencia de soluciones aplicaremos estudios de mínimos locales y el teorema del paso de montaña para el funcional de energía asociado.
Para finalizar nuestra propuesta, queremos encontrar soluciones periódicas para sistemas de EDP de cuarto orden (tipo Fisher-Kolmogorov generalizado, ver (9). Siguiendo las técnicas en [P. Smyrnelis, Connecting orbits in Hilbert Spaces and application to PDEs, Comm. Pure Appl Anal 19 (5): 2897–2818 (2020)], usaremos métodos variacionales para probar la existencia de órbitas conectadas en espacios de Hilbert. Construiremos órbitas periódicas usando la construcción desarrollada por Alessio, Montecchiari y Zúñiga en [F. Alessio and P. Montecchiari and A. Zuniga, Prescribed energy connecting orbits for gradient systems, Discr. Cont. Dyn. Systems 39 (8): 4895–4928 (2019].

Aplicación de técnicas variacionales y de Ecuaciones Diferenciales Parciales en grafos para problemas de agrupación de datos y para segmentación de imágenes

En los campos de investigación de Análisis, Ecuaciones en Derivadas Parciales y Geometría, así como en otras áreas como la Física Experimental, Física Teórica y Ciencias de los Materiales, un gran foco de atención se pone en explorar las cuestiones de existencia y descripción cualitativa de puntos críticos a problemas variacionales, los cuales dependen de parámetros que surgen naturalmente en el modelamiento de fenómenos en los campos antes mencionados. Igualmente importante es el entendimiento de las propiedades de rigidez de estos modelos, a saber, decidir si la existencia y propiedades cualitativas de tales puntos críticos se mantienen, o cambian abruptamente, cuando los valores de los parámetros varían.

En las últimas décadas, se ha logrado un gran progreso en estas direcciones – desde el punto de vista del análisis matemático – en dos clases de problemas variacionales que comparten “características de isotropía sin pesos”: los funcionales son construídos de manera que, a grandes rasgos, las funciones/conjuntos son penalizados independientemente de la posición, y no hay direcciones preferidas o distinguidas. El primer problema corresponde al modelo de gotas líquidas de Gamow, el cual es un problema isoperimétrico con un término adicional no-local de tipo Riesz, propuesto originalmente para describir la existencia/no-existencia y características geométricas del núcleo atómico, en física nuclear, dependiendo de un parámetro de masa. El segundo, es sobre el estudio de existencia y propiedades cualitativas de vórtices para la energía de Ginzburg-Landau (GLE), usada para describir defectos en superfluídos y física de materia condensada. En los años recientes, los investigadores se han dedicado a proponer y explorar variantes del modelo variacional antes descrito, donde el funcional de energía asociado adquiere pesos o anisotropías, en un intento por capturar fenómenos más finos y delicados encontrados en experimentos, así como para extender la teoría matemática a contextos más generales.

Los objetivos principales del proyecto son el estudio de existencia, y propiedades cualitativas así como de rigidez para: (1) versiones con pesos del modelo de gotas líquidas, donde un funcional de perímetro reemplaza al perímetro usual en el sentido de De Giorgi, y (2) una version anisotrópica de la energía de Ginzburg-Landau derivada del modelamiento de defectos umbilicales en un límite 3D a 2D de cristales líquidos nemáticos, en un régimen físico que favorece el comportamiento anisotrópico.

Concretamente, la primera parte del proyecto buscar establecer existencia, acotamiento y regularidad optimal para conjuntos que minimizan el funcional isoperimétrico con pesos más un potencial no-local, para una clase de pesos continuos que se asumen degenerados (valen cero en una cantidad finita de puntos) y coercivos en infinito. Además, esperamos probar una propiedad de rigidez en cuanto a la forma del minimizantes (unicidad): debe ser una bola, para un rango adecuado del parámetro de masa. Adicionalmente, planeamos argumentar rigurosamente el fenómeno de fragmentación infinita, cuando los valores del parámetro de masa tienden a cero. Esto requiere del entendimiento y adaptación de multiples heramientas profundas y sofisticadas en la teoría de medida geométrica y el cálculo de variaciones, que incluye: una versión geométrica del principio de concentración compacidad de Frank y Lieb; la teoría de regularidad estándar para conjuntos quasi-minimizantes en el contexto sin pesos, así como la adaptación de resultados de regularidad muy recientes de Pratelli y Saracco para conjuntos isoperimétricos con pesos (sin término no-local); la celebrada desigualdad isoperimétrica cuantitativa ajustada de Fusco, Maggi and Pratelli y la estrategia de Acerbi, Fusco and Morini para mostrar rigidez de minimizadores (en el marco isotrópico), entre otros. A este respecto, resaltamos un resultado reciente obtenido por el Investigador Principal sobre la existencia y regularidad de funciones con menor gradiente con pesos, un problema que está muy relacionado con el problema isoperimétrico con pesos.

Concerniendo la segunda parte del proyecto, nuestro punto de partida es el trabajo de Clerc-Dávila-Vidal Henríquez-Kowalczyk quienes derivaron una version anistrópica de la energía GLE y estudiaron como la anisotropía quiebra algunas invarianzas de la asociada ecuación de GL. Las soluciones tipo-vórtice ahora consisten de un conjunto discreto (restricción en la fase), y para cada una ellos argumentan heurísticamente su estabilidad/inestabilidad, como una función del parámetro de anisotropía. El objectivo principal de este parte del proyecto es analizar rigurosamente la propiedades de estabilidad/inestabilidad lineal de soluciones tipo-vórtice simétricas (defectos puntuales) para la GLE anisotrópica, dependiendo del tamaño del núcleo de la solución. Para lograr estas metas se propone adaptar herramientas clave en el análisis de estabilidad de la energía, tales como “Fourier-splitting” y ortogonalidad de formas cuadráticas, de Mironescu; y el approach de del Pino-Felmer-Kowalczyk basado en decomposiciones tipo-Hardy, usado para argumentar la no-degeneracia de la forma cuadrática asociado al vórtice de grado-uno de GL; entre otros. Al IP le gustaría extender el análisis de estabilidad para soluciones de tipo-vórtice para la GLE anisotrópica que no son simétricas (vórtices con “carga topológica” negativa). Este es un problema mucho más desafiante, ya que la representación polar de la solución no se desacopla en una parte radial y otra angular, de manera uni-dimensional. Finalmente, otro resultado de interés independente consiste en establecer existencia de soluciones tipo-vórtice generales para la GLE anisotrópica sin restricción en la fase; esto causa que el perfil radial sea a valores complejos, una característica fundamentalmente distinta comparada con aquella del caso isotrópico.

En resumen, este proyecto buscar dar una contribución sustancial a la teoría de problemas variacionales geométricos con pesos y a la teoría de estabilidad de soluciones tipo-vórtice para versiones anisotrópicas de energías tipo Ginzburg-Landau, las cuales se estan convirtiendo en una foco de investigación profusa en la comunidad de Análisis No-Lineal. El desarrollo de herramientas y la adaptación de nuevas técnicas del Análisis nos permitirá obtener un mayor entendimiento sobre los mecanismos que influencian la existencia, propiedades cualitativas y de rigidez, en la presencia de pesos y anisotropías para los tipos de problemas variacionales propuestos. Esperamos esto llevaré a nuevas direcciones de investigación en problemas relacionados dentro del Cálculo de Variaciones, Teoría de Medida Geométrica, y Ecuaciones en Derivadas Parciales.