ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA ELECTRIFICACIÓN DE UN CONJUNTO DE VIVIENDAS EN NARIÑO CUNDINAMARCA
CRISTIAN FABIAN PARRA MAHECHA ANDRÉS EDUARDO SÁNCHEZ BELLO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA ELECTRIFICACIÓN DE UN CONJUNTO DE VIVIENDAS EN NARIÑO CUNDINAMARCA
CRISTIAN FABIAN PARRA MAHECHA ANDRÉS EDUARDO SÁNCHEZ BELLO
Trabajo de grado para optar el título de Ingeniero Eléctrico Director del proyecto
Ing. MSc. Yaqueline Garzón
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDÉUTICOS BOGOTÁ D.C.
Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos Exigidos por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas para optar el título de Ingeniero Eléctrico.
Firma del director del proyecto
___________________________ Ing. MSc. Yaqueline Garzón
Firma del Jurado
AGRADECIMIENTOS
Principalmente a Dios que me dio la constancia y sabiduría para afrontar todos los retos durante este ciclo.
A mis padres, aunque uno de ellos no esta fue parte vital para alcanzar tan anhelado logro.
“Deja ya de estar rezando y dándote golpes en el pecho! Lo que quiero que hagas es que salgas al mundo a disfrutar de tu vida. Quiero que goces, que cantes, que te diviertas y que disfrutes de todo lo que he hecho para ti.
¡Deja ya de ir a esos templos lúgubres, obscuros y fríos que tú mismo construiste y
que dices que son mi casa.
Mi casa está en las montañas, en los bosques, los ríos, los lagos, las playas. Ahí es en donde vivo y ahí expreso mi amor por ti.” Baruch Spinoza.
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, a Dios por darme salud, sabiduría e inteligencia para culminar este logro en mi vida.
A mi familia, quienes me apoyaron y motivaron cada día a ser mejor y no rendirme a pesar de las dificultades durante este proceso.
A la ingeniera y directora de tesis Yaqueline Garzón por orientarnos en la realización de esta tesis.
" I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only like a boy playing on the seashore and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of truth lay all undiscovered before me". Isaac Newton
ABREVIATURAS A: Área.
CO2: Dióxido de carbono.
COP: Peso Colombiano.
Cu: Consumo en valor por unidad [PU].
D: Número de días del respectivo mes.
E: Energía demandada [kW-h/mes].
Ft: Son los flujos de dinero en cada periodo [106$].
𝐹𝑠: Factor de seguridad.
H: Horas de brillo solar [h/mes].
I: Tasa con la que aumentara el kW-h.
IDEAM: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales.
IRENA: Agencia Internacional de Energía Renovable, (International Renewable Energy Agency).
Io: Es la inversión inicial.
. 𝐼𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙: Corriente nominal de cada panel.
IVA: Impuesto al Valor Agregado.
Ka: Auto descarga diaria de las baterías.
Kb: Perdida por rendimiento en las baterías.
Kc: Perdidas presentadas por el inversor.
Kv: Perdidas presentadas por factores varios.
NASA: National Aeronautics and Space Administration (Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio).
N: Numero de paneles empleados.
NTC: Norma técnica colombiana.
Opzs: Baterías tubulares de alto rendimiento.
PCI: Poder Calorífico Inferior [kJ/kg].
PCS: Poder Calorífico Superior [kJ/kg].
Pd: Profundidad de descarga baterías en %.
PU: Valor por unidad [PU].
R: Eficiencia del sistema.
SIN: Sistema Interconectado Nacional.
UPME: Unidad de Planeación Minero Energética.
TIR: Tasa Interna de Retorno.
V: Tensión nominal de las baterías.
VAN: Valor actual neto.
Vf: Valor futuro.
Vp: Valor presente.
VPN: Valor Presente Neto.
UNIDADES Ah: Amperios-hora.
h*W/𝑚2: Horas de irradiancia por unidad de superficie.
I: Corriente.
kVA: kilo Volta-Amperios
kW-h: kilovatio hora.
kW-h/día: kilovatio hora día.
kW-h/mes: kilovatio hora mes.
kW-h/año: kilovatio hora año.
tCO2: Toneladas de dióxido de carbono.
TJ/año: Tera julios al año.
V: Voltio
W: Vatio.
W/𝑚2: Vatios por metro cuadrado.
$
kW−h/día: Precio del kilovatio hora día.
$
kW−h/mes: Precio kilovatio hora mes.
$
kW−h/año: Precio kilovatio hora año.
∅ = 𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑢𝑔𝑎𝑟.
GLOSARIO
Azimut: Es el ángulo formado entre una dirección de referencia [1].
Biomasa: Es la cantidad de materia orgánica acumulada en un individuo, un nivel trófico, una población o un ecosistema [2].
Demanda: Puede ser definida como la cantidad de bienes y servicios que son adquiridos por consumidores a diferentes precios, a una unidad de tiempo específica (un día, un mes, un año, etc.) [3].
Energía eólica: Es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de energía para las actividades humanas [4].
Energía solar: Es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol [5].
Factibilidad: Disponibilidad de los recursos necesarios para llevar a cabo los objetivos o metas señaladas [3].
Irradiancia: Es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética [6].
Radiación solar: Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol [6].
Rentabilidad: La capacidad de producir o generar un beneficio adicional sobre la inversión o esfuerzo realizado [7].
Sistema fotovoltaico: Es una fuente de energía que produce electricidad de origen renovable, obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica [5].
Tasa interna de retorno: De una inversión es la media geométrica de los rendimientos futuros esperados de dicha inversión, y que implica por cierto el supuesto de una oportunidad para "reinvertir" [8].
TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO. ... 3
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 3
2.1 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE ELECTRIFICACIÓN PRESENTE EN LA UBICACIÓN EL PROYECTO. ... 5
2.2 PLANO ARQUITECTONICO DE UNA UNIDAD DE VIVIENDA DEL PROYECTO. ... 7
2.3 CUADRO DE CARGAS Y ESPECIFICACIÓNES DE ACOMETIDA. ... 9
2.4 CONSUMO DE ENERGÍA POR UNIDAD DE VIVIENDA. ... 9
3 OBJETIVOS DEL PROYECTO ... 12
3.1 OBJETIVO GENERAL: ... 12
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ... 12
4 ANÁLISIS DE FUENTES ENERGÉTICAS NO CONVENCIONALES Y CONVENCIONAL. ... 14
4.1 EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS DISPONIBLES EN LA ZONA. ... 14
4.2 ESTUDIO DE RADIACIÓN SOLAR EN NARIÑO CUNDINAMARCA. ... 14
4.2.1 CÁLCULO DE LA IRRADIANCIÓN O ENERGÍA POR UNIDAD DE SUPERFICIE. ... 17
4.3 ESTUDIO DE ENERGÍA EÓLICA EN NARIÑO CUNDINAMARCA. ... 18
4.4 ESTUDIO DE ENERGÍA CON BIOMASA EN NARIÑO CUNDINAMARCA... 19
4.5 TABLA COMPARATIVA DE RECURSOS ENERGÉTICOS DISPONIBLES EN LA ZONA. ... 20
4.6 ESTUDIO DE ENERGÍA CON ELECTRIFICACION CONVENCIONAL. ... 24
4.7 COSTOS PROYECTO DE MEDIA TENSIÓN A 13,2 kV... 26
4.8 FACTIBLIDAD ELECTRIFICACIÓN CON ENERGÍA CONVENCIONAL. ... 28
4.9 CARGO DE DISTRIBUCIÓN PARA EL OPERADOR DE RED. ... 28
5 DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO. ... 34
5.1 FACTOR DE PERDIDAS. ... 35
5.2 CANTIDAD DE PANELES SOLARES. ... 36
5.3 CÁLCULO DE LAS BATERÍAS. ... 38
5.3.1 CÁLCULO BATERÍAS TIPO GEL... 39
5.3.2 CALCULO BATERIAS TIPO OPZS. ... 39
5.4 CÁLCULO DEL REGULADOR DE CARGA ... 40
5.5 INVERSOR ... 41
5.6 ÁNGULO OPTIMO DE INCLINACION DE LOS MÓDULOS SOLARES. ... 41
6 COSTOS Y FACTIBILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO. ... 46
6.1 PARAMETROS DEL SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO CON DEMANDA CONSTANTE. ... 46
6.2 COSTOS DEL PROYECTO. ... 47
6.3 COSTOS DE INVERSION UTILIZANDO BATERIAS TIPO GEL. ... 48
6.4 COSTOS DE INVERSION UTILIZANDO BATERIAS TIPO OPZS. ... 48
6.5 DESCUENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO. ... 49
6.6 AHORRO POR UNIDAD DE VIVIENDA PRESCINDIENDO DE LOS SERVICIOS DEL OPERADOR DE RED CODENSA S.A E.S.P. ... 50
6.7 PRECIO DEL KILOVATIO HORA MES ($/kW-h). ... 50
6.8 FLUJO DE CAJA Y RENTABILIDAD DEL PROYECTO. ... 54
6.8.1 TASA DE DESCUENTO. ... 54
6.8.2 VALOR ACTUAL NETO (VAN). ... 55
6.8.3 TASA DE INTERNA DE RETORNO. ... 55
6.8.4 ESCENARIO 1: GRUPO ELECTRÓGENO VS SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO (BATERÍAS OPZS) ... 56
6.8.5 ESCENARIO 2: GRUPO ELECTRÓGENO VS SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO (BATERÍAS TIPO GEL). ... 57
6.9 BENEFICIOS POR NORMATIVIDAD Y LEYES COLOMBIANAS. ... 59
6.10 VERIFICACIÓN DE RESULTADOS EMPLEADO EL SOFTWARE RETScreen. ... 63
6.10.1 SOFTWARE RETScreen ... 63
6.10.2 FACTIBILIDAD EN RETScreen (BATERIAS TIPO GEL CON IVA INCLUIDO). ... 64
6.10.3 FACTIBILIDAD EN RETSCREEN (BATERÍAS OPZS CON DEMANDA CONSTANTE Y BENEFICIOS DE LEY 1715). ... 72
6.11 ANÁLISIS ... 74
7 CONCLUSIONES ... 76
LISTADO DE ANEXOS
LISTADO DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Distribución de las unidades de vivienda y área del proyecto. Elaboración: Propia... 2
Ilustración 2. Ubicación geográfica del proyecto. Fuente: [13]. ... 3
Ilustración 3. Diagrama de flujo para la caracterización de demanda de energía. Fuente: Propia. ... 4
Ilustración 4. Rediseño eléctrico de vivienda prototipo en AutoCAD. Fuente: Propia. ... 8
Ilustración 5. Caracterización de nevera por estrato [17]. ... 10
Ilustración 6. Temperatura anual en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia. Fuente: [20], [21]. ... 16
Ilustración 7. Radiación solar en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia. Fuente: [20], [21]. ... 16
Ilustración 8. Curva irradiación solar al día [25]. ... 17
Ilustración 9. Mapa del viento de Nariño, Cundinamarca. [27]. ... 18
Ilustración 10.Potencial energético biomasa en Nariño Cundinamarca. [30]. ... 19
Ilustración 11.Sitio a energizar, Atlas UPME. [34]. ... 24
Ilustración 12. Circuitos de media tensión próximos al proyecto. Fuente: CODENSA S.A ESP. ... 25
Ilustración 13. Costos tendido eléctrico para un circuito de Media Tensión a 13,2 kV en Nariño - Guataqui, área rural Fuente: Alcaldía municipal de Nariño. ... 27
Ilustración 14. Variación costo $/ kW-h (enero 2016-noviembre 2018). Fuente: Propia. ... 30
Ilustración 15. Diagrama de flujo. Elaboración: Propia. Fuente: [39]. ... 34
Ilustración 16.Panel solar de 320 W. [43]. ... 37
Ilustración 17. Optimizando el ángulo de incidencia [51]. ... 42
Ilustración 18.Sistema solar fotovoltaico por unidad de vivienda. Fuente: Propia. ... 43
Ilustración 19. Diagrama unifilar. Fuente: Propia. ... 45
Ilustración 20. Consumo promedio de energía para el estrato 1. Fuente: [52]. ... 47
Ilustración 21. Reducción de costos en sistemas fotovoltaicos. [61]. ... 49
Ilustración 22. Variación costo $/ kW-h (enero 2016-noviembre 2018). Fuente: [62]. ... 52
Ilustración 23. Curva de rentabilidad para el escenario 1. Fuente: Propia. ... 57
Ilustración 24. Curva de rentabilidad para el escenario 2. Fuente: Propia. ... 59
Ilustración 25. Curva de rentabilidad para el escenario 2 sin IVA. Fuente: Propia. ... 61
Ilustración 26. Curvas de rentabilidad del proyecto con baterías tipo Gel, con IVA y sin IVA. Fuente: Propia. ... 62
Ilustración 27. Captura de pantalla de la Interfaz del Software RETScreen 4 [65]. ... 64
Ilustración 28. Información del proyecto [65]. ... 65
Ilustración 29. Condiciones climáticas del proyecto [65]. ... 66
Ilustración 30. Características del proyecto [65]. ... 67
Ilustración 31. Demanda de energía del proyecto [65]... 67
Ilustración 32. Sistema eléctrico de potencia del sistema solar fotovoltaico [65]. ... 68
Ilustración 33. Información de los paneles solares y capacidad del regulador [65]. ... 69
Ilustración 34. Información de las coordenadas de posición de los paneles solares [65]. ... 69
Ilustración 35. Coordenadas de posición del panel solar. [66]. ... 70
Ilustración 36. Análisis de emisiones por gases de efecto invernadero [65]. ... 70
Ilustración 37. Análisis financiero en RETScreen (baterías tipo Gel, IVA incluido) [65]. ... 71
Ilustración 38. Curva de rentabilidad en RETScreen con IVA incluido [65]. ... 72
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Caracterización de la zona del proyecto y de su población. Elaboración: Propia. Fuente:
[12], [13]. ... 2
Tabla 2. Valores nominales del grupo electrógeno. Fuente: Propia. ... 5
Tabla 3. Características del grupo electrógeno. Elaboración: Propia. ... 6
Tabla 4. Cuadro de cargas. Fuente: Propia. ... 9
Tabla 5. Especificaciones de acometida. Fuente: Propia. ... 9
Tabla 6. Consumo energético diario por unidad de vivienda. Fuente: Propia. ... 11
Tabla 7. Niveles de radiación en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia, Fuente: [20], [21]. .. 15
Tabla 8. Características de las fuentes no convencionales en la ubicación del proyecto Elaboración: Propia. Fuentes: [30], [31], [32] y [33]. ... 23
Tabla 9. Historial del costo de energía ($/kW-h). Elaboración: Propia. ... 29
Tabla 10. Precio promedio $/kW-h para los próximos 20 años. Fuente: Propia. ... 31
Tabla 11. Facturación del cobro de energía para los próximos años. Fuente: Propia. ... 33
Tabla 12.Calculo factor de seguridad [40]... 36
Tabla 13.Número de paneles para diferentes potencias comerciales. Fuente: Propia. ... 38
Tabla 14. Número de baterías para diferentes capacidades. Fuente: Propia. ... 39
Tabla 15.Corriente nominales para diferentes paneles solares. Elaboración: Propia Fuente: [48].. 41
Tabla 16. Cálculo del ángulo optimo del módulo fotovoltaico. Fuente: Propia... 43
Tabla 17. consumo promedio de energía. Elaboración: Propia. Fuente: [52]. ... 46
Tabla 18. Costos por unidad de vivienda empleando baterías tipo Gel. Fuente: [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59]. ... 48
Tabla 19. Costos por unidad de vivienda empleando baterías tipo OPZS. Fuente: [53], [55], [56], [57], [58], [59], [60] ... 49
Tabla 20. Disminución de costo de baterías por unidad de vivienda. Fuente: Propia. ... 50
Tabla 21. Historial del costo de energía ($/kW-h). Fuente: [62]. ... 51
Tabla 22. Precio promedio $/kW-h para los próximos años. Fuente: Propia. ... 53
Tabla 23. Ahorro en $ para un usuario beneficiario del proyecto que deja de prescindir de los servicios del Operador de Red. Fuente: Propia. ... 54
Tabla 24. Flujo de caja para el escenario 1. Fuente: Propia. ... 56
Tabla 25. Flujo de caja para el escenario 2. Fuente: Propia. ... 58
Tabla 26. Flujo de caja para el escenario 2. Fuente: Propia. ... 61
RESUMEN
Se pretende realizar un estudio de factibilidad para la electrificación de un conjunto de viviendas en Nariño Cundinamarca, el proyecto contempla la necesidad de llevar a cabo un estudio donde se analicen los diferentes recursos naturales con los que cuenta la ubicación del proyecto, esto con el objetivo principal de realizar un análisis que detalle con precisión los diferentes tipos de electrificación que se tendrán en cuenta. A pesar de ser un área remota, se contempla la viabilidad de contratar los servicios de la Empresa de Energía de Cundinamarca como primer método de abastecimiento energético, sin embargo, dado que Nariño, Cundinamarca cuenta con una radiación solar media-alta (4,5-5,0 kW-h/m²) según el Atlas de Radiación Solar de la UPME [9], el estudio contempla la energía solar fotovoltaica como fuente principal de generación eléctrica, no obstante, se pretende analizar otros recursos de energía renovable como biomasa y eólica para determinar qué tipo de tecnología renovable es la más óptima desde el punto de vista energético, ambiental y económico.
Con base en la información obtenida, el planteamiento del problema y justificando la necesidad de llevar a cabo esta investigación se crea un diseño de un sistema eficiente de electrificación para este conjunto de viviendas, que contemple un análisis técnico-económico, rentabilidad, tiempo de recuperación de la inversión. Se ilustran bases teóricas de ingeniería, tecnología y financieras, además se modela el sistema con el Software RETScreen con el objetivo principal de demostrar la viabilidad técnico-económica del proyecto a llevar a cabo.
ABSTRACT
It is intended to carry out a feasibility study for the electrification of a group of houses in Nariño Cundinamarca, the project contemplates the need to carry out a study where the different natural resources with which the location of the project is analyzed are analyzed, this with the objective principal to carry out an analysis that accurately details the different types of electrification that will be taken into account. Despite being a remote area, the feasibility of hiring the services of the Energy Company of Cundinamarca as the first method of energy supply is contemplated, however, given that Nariño, Cundinamarca has high solar radiation , the study contemplates photovoltaic solar energy as the main source of electricity generation, however, it is intended to analyze other renewable energy resources such as biomass, wind and geothermal to determine what type of renewable technology is the most optimal from the energy, environmental and economic point of view. Based on the information obtained, the approach to the problem and justifying the need to carry out this research, a design of an efficient electrification system for this group of houses is created, which includes a technical-economic analysis, profitability, recovery time from the investment. Theoretical bases of engineering, technology and finance are illustrated, and the system is modeled with the RETScreen Software with the main objective of demonstrating the technical-economic viability of the project to be carried out.
1 INTRODUCCIÓN
La Ley 1715 de 2014 : "Integración de las energías renovables no convencionales al Sistema Energético Nacional" expedida por el Ministerio de Minas y Energía [10], incentiva a la inclusión de las energías renovables dentro del Sistema Interconectado Nacional (SIN), esto con el fin de estimular , la investigación, la inversión y el desarrollo para la producción y utilización de energía a partir de fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, esto con el objetivo principal de atender criterios de sostenibilidad a nivel ambiental, social y en el aspecto económico.
Nariño es un municipio de Cundinamarca que se encuentra a 149 km de la ciudad de Bogotá, su población es de al menos 2042 habitantes, algunas zonas remotas del municipio que están habitadas no cuentan con servicio de energía eléctrica, este trabajo pretende desarrollar el estudio de factibilidad para aproximadamente siete (7) viviendas que no cuentan con suministro de electricidad, algunas viviendas cuentan con un grupo electrógeno conformado por un motor diésel y un generador, no obstante, la mayor parte del tiempo está fuera de funcionamiento debido a la escasez de combustible en la zona; debido a la ubicación geográfica de esta urbanización donde la radiación solar es un recurso energético importante, y siendo una de las zonas de Cundinamarca que se ve afectada en gran manera por el fenómeno del niño [11], la implementación de un sistema solar fotovoltaico por unidad de vivienda puede ser una alternativa viable, sin descartar preliminarmente otras alternativas de generación. El proyecto además del estudio de electrificación se enfoca en dar solución a un problema social que puede beneficiar una población que cuenta con bajos recursos económicos, una investigación que aporte resultados eficientes podría incentivar la inversión de entidades públicas o privadas para la financiación del proyecto, uno de los objetivos esenciales de esta investigación es crear conciencia entre la población del uso de fuentes de energías alternativas tanto para el beneficio del medio ambiente como además un medio de economizar costos de consumo de energía eléctrica a mediano y largo plazo.
Ilustración 1. Distribución de las unidades de vivienda y área del proyecto. Elaboración: Propia.
La Tabla 1 muestra algunas características del proyecto, donde se resalta que la población beneficiada son 25 personas, las cuales una parte se dedica a la pesca debido a la cercanía de las viviendas al rio Magdalena, no obstante, la gran mayoría se dedica a trabajar en la ganadería y en la agricultura, siendo los cultivos de algodón, maíz y ajonjolí, los principales productos [12].
CARACTERISTICAS PRINCIPALES DEL PROYECTO
Población beneficiaria (Numero personas) 25
Economía principal pobladores Ganadería, pesca, agricultura[12]
Clima
Tropical. Temperatura promedio de 27 grados centígrados. [12]
Cultivos en la zona Algodón, maíz, ajonjolí [12]
Vías principales La Vega De Los Padres. [13]
Área [m²] 500
1.1 UBICACIÓN DEL PROYECTO.
La ubicación del proyecto de electrificación a llevar a cabo se encuentra a 2,8 km del municipio de Nariño, perteneciente al departamento de Cundinamarca y a una distancia de 153 km de la ciudad de Bogotá, limita al Este con Tocaima, al Noreste con Jerusalén, al Norte con Guataqui, al Oeste con Tolima y al Sureste con Girardot. Las coordenadas geográficas correspondientes son: 4º 42' de latitud norte y 74º 42' de longitud oeste de Greenwich [13].
Ilustración 2. Ubicación geográfica del proyecto. Fuente: [13].
2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Sietes unidades de vivienda de vocacion rural estrato 1, ubicadas en la perisferia del municipio de Nariño Cundinamarca, presentan Necesidades Básicas Insatisfechas (NBI), en lo que respecta a la prestación de servicios públicos como alcantarillado, energía y gas. En esta investigación se abarcará únicamente el estudio de factibilidad para la electrificación de estas viviendas.
Actualmente los 25 pobladores que habitan estas viviendas abastecen su demanda de energia electrica con un grupo electrogeno que funciona solo 6 horas al dia. Es por ende, que se pretende analizar diferentes alternativas de generacion electrica, como electrificacion convencional, y con fuentes de energia renovable (Eolica, Solar y Biomasa), esto con el fin de determinar cual sistema de generacion es mas eficiente en materia economica (factibilidad), para el abastecimiento de energia electrica de esta poblacion .
En la Ilustración 3 se observa el diagrama de flujo que muestra los pasos a seguir para la caracterización del consumo de energía eléctrica por unidad de vivienda. Los pasos se resumen a continuación:
Caracterización del grupo electrógeno Diseño eléctrico (plano AutoCAD) Caracterización de la potencia instalada
Cuadro de cargas y especificaciones de acometida
Caracterización del consumo de energía eléctrica por unidad de vivienda
2.1 CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE ELECTRIFICACIÓN PRESENTE EN LA UBICACIÓN EL PROYECTO.
Como se menciono anteriormente, las unidades de vivienda abastecen su demanda de energia electrica con un grupo electrogeno conformado por dos motores que funcionan con combustible Diesel, uno de ellos alimenta la carga instalada de 4 viviendas y el otro alimenta con energia electrica un grupo de 3 viviendas. Los dos motores funcionan 6 horas al día, y fueron entregados a esta población por parte de la alcaldía de Nariño en el año 2016, sin embargo, el combustible no es subsidiado por la alcaldía y por lo tanto debe ser adquirido por los usuarios beneficiados. La Tabla 2 muestra las características del motor que emplea el grupo electrógeno.
CARACTERISTICAS PLANTA ELÉCTRICA TRIFASICA
Motor Kofo Diésel 4 tiempos
Velocidad [RPM] 1800
Tensión [V] 220
Frecuencia [Hz] 60
Potencia Salida [kW] 16
Tabla 2. Valores nominales del grupo electrógeno. Fuente: Propia.
La Tabla 3 presenta algunas características del grupo electrógeno en lo que respecta a demanda de energía, al igual que los costos por consumo de combustible, mantenimiento y transporte.
GRUPO ELECTRÓGENO 1
GRUPO ELECTRÓGENO 2
Potencia salida [kW] 16 16
Horas al día de funcionamiento
[h/día] 6 6
Consumo combustible [lts/mes] 147 110,25
Costo combustible diésel [$/lts]
[14] $2.181 $2.181
Costo del combustible mes
[$/mes] $320.607,00 $240.455,25
Costo del combustible mensual
[$/mes] $ 12.618,98 $ 12.618,98
unidad de vivienda
Costo del transporte [$/mes] $30.000 $30.000
Costos de operación y
GRUPO ELECTRÓGENO 1
GRUPO ELECTRÓGENO 2
Energía producida [kW-h/día] 14,94 11,205
Energía producida [kW-h/mes] 448,2 336,15
Energía producida al año
[kW-h/año] 5378,4 4033,8
Costo del kW-h 825,35 $ / (kW-h/día)
825,35 $ / (kW-h/día) Tabla 3. Características del grupo electrógeno. Elaboración: Propia.
El costo del kW-h del grupo electrógeno se determinó empleando la Ecuación 1 [15]. Los costos por inversión se descartan, porque como se explicó anteriormente el grupo electrógeno fue adquirido por la alcaldía, y por lo tanto no representa un gasto para la población beneficiaria.
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑘𝑊 − ℎ = 𝐶 + 𝑂𝑀+ T Ecuación 1
Donde:
C: Cargo por combustible por unidad de vivienda para generar 1 kW-h.
T: Cargo por transporte de combustible.
OM: Cargo por costos de mantenimiento y operación por unidad de vivienda.
Según información de un habitante de una vivienda del proyecto, cuando el grupo electrógeno está en funcionamiento durante las 6 horas previstas, los usuarios aprovechan para hacer uso de gran parte de sus electrodomésticos por lo que el motor del grupo electrógeno 1 funciona casi al 93 de su potencia nominal de salida, esto equivale a 14,8kW, en cambio el motor del grupo electrógeno 2 que alimenta solo a 3 viviendas funciona al 70% de su potencia nominal, esto equivale a 11,28kW de salida. Como se asume la misma carga instalada para las 7 viviendas, y como los dos grupos electrógenos tienen los mismos valores nominales de funcionamiento, la relación de linealidad en el consumo de combustible es proporcional para los dos escenarios, por lo tanto, el costo del kW-h se calculará con la información suministrada para el grupo electrógeno 1.
𝑋 =4,9𝑙𝑡𝑠 ∗ 1𝑘𝑊ℎ
16𝑘𝑊ℎ = 0,306 𝑙𝑡𝑠
Según el valor calculado anteriormente, se sabe que se necesitan 0,306 litros para generar 1kW-h. Ahora según la Tabla 3 se sabe que el precio del litro de combustible diésel para el mes de diciembre es de $2181.09 por lo que se calcula el costo para los 0,306litros, ese valor corresponde al parámetro C en la Ecuación 1:
𝐶 =0,306 𝑙𝑡𝑠 ∗ $2181
1𝑙𝑡𝑠 = $667,95
Según la Tabla 3 se destinan $30.000 al mes para el transporte del combustible. Cabe resaltar que se llevan a cabo solo 2 viajes al mes hasta las afueras de Nariño para almacenar combustible.
Los $30.000 se recaudan entre las 4 unidades de vivienda por lo que a cada una le corresponde un monto de $7.500 mensuales, ahora si se divide este valor entre los 30 días de un mes se obtiene un costo de $250, no obstante, este valor debe dividirse por las 6 horas de funcionamiento del grupo electrógeno, por lo tanto, el cargo del kilovatio-hora correspondiente a transporte (parámetro T en la Ecuación 1) en pesos será:
𝑇 =$250
6 = $41,66
Los costos variables de operación al año según la Tabla 3 corresponden a $1.000.000, por lo que cada usuario aporta $250.000 anuales, ahora, si se divide este valor entre 12 meses y 30 días se obtiene un valor de $694,4 de aporte diario por vivienda, sin embargo, para obtener el cargo por costos de mantenimiento y operación debe dividirse este valor entre las 6 horas de funcionamiento del grupo electrógeno, como se muestra a continuación:
𝑂𝑀 = $694,4
6 = $115,74
Por lo que sumando los parámetros calculados C, T y OM según la Ecuación 1, se obtiene el precio del kW-h para el grupo electrógeno.
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑜 𝑘𝑊 − ℎ = $667,95 + $41,66 + $115,74 = $825,35
La tarifa del kilovatio-hora empleando el grupo electrógeno corresponde a $825,35 kW−h
La Ilustración 4 muestra el plano arquitectónico de una vivienda prototipo del proyecto.
Ilustración 4. Rediseño eléctrico de vivienda prototipo en AutoCAD. Fuente: Propia.
2.3 CUADRO DE CARGAS Y ESPECIFICACIÓNES DE ACOMETIDA.
Posteriormente aparte del plano eléctrico se realiza un cuadro de cargas como se aprecia en la Tabla 4 para estimar la potencia por circuito. Al tratarse de una vivienda rural, el número de circuitos ramales se reduce solamente a 3 debido a que, si se tiene instalada carga especial como lo sería un circuito exclusivo para lavado y planchado, o electrodomésticos que consumen una potencia mayor a 1kW como lo expresa la NTC 2050 [16].
Tabla 4. Cuadro de cargas. Fuente: Propia.
En la Tabla 5 se muestran las especificaciones de la acometida eléctrica para una casa promedio del proyecto, donde la potencia diversificada e instalada es diferente ya que según la norma NTC 2050 sección 220 [16], los primeros 3000 W se toman al 100% y el restante al 35% del factor de demanda respectivamente.
ESPECIFICACIONES DE LA ACOMETIDA Tipo de cuenta: monofásica
Tensión nominal [V] 120
Potencia total
instalada[W] 3760 Diámetro Ducto
Potencia total
diversificada[W] 3266 1"
Especificación de conductor
Corriente máxima [A] 31,33 8
In diversificada [A] 27,21 8
In conductor [A] 31,33 8
In Protección [A] 31,33 8
Tabla 5. Especificaciones de acometida. Fuente: Propia.
2.4 CONSUMO DE ENERGÍA POR UNIDAD DE VIVIENDA.
Cantidad Potencia [W]
1
6
10
60
0,5
1x20A
12AWG
14AWG
2
1700
14,16
1x20A
12AWG
14AWG
3
2000
16,66
1x20A
12AWG
14AWG
3760
31,33
1X63A
CUADRO DE CARGASPara llevar a cabo una estimación del consumo energético de la nevera, se consulta un estudio llevado por el Consorcio Corpoema-Cusa presentado a la UPME [17] en el cual se caracteriza el tipo de cargas a nivel urbano y rural, en este estudio se caracteriza la tenencia de equipo de refrigeración como se muestra en la Ilustración 5. Este estudio demuestra que para el caso en particular que interesa, las neveras más comunes en estrato 1 en función de la capacidad son las de 255 litros.
La Ilustración 5 refleja que del 100% de todos los estratos que se consultó, el 30% consultado pertenece al estrato 1, y de ese 30%, el 10% que refleja el mayor porcentaje para el estrato 1 prefiere neveras con capacidad de 255lts.
Ilustración 5. Caracterización de nevera por estrato [17].
Por tal razón se consulta una nevera de 255 litros de clasificación A (bajo consumo energético) con el fabricante Samsung.
Según datos del fabricante en su página web [18], se indica que el consumo mensual de este equipo es de 20,9 kW-h/mes, al dividir dicho consumo por un promedio de 30 días se obtiene una energía de 0,7 kW-h/día, por ende, este es valor empleado para el dimensionamiento de la nevera.
Por otro lado, para el circuito de iluminación se empleó luminarias Led tipo bala, esto con el fin de reducir la demanda energética para el dimensionamiento de los paneles, además teniendo en cuenta que este tipo de tecnología ofrece una alta eficiencia a baja potencia [19].
La Tabla 6 muestra el consumo de energía calculado por día para una casa prototipo del proyecto.
CONSUMO ENERGÉTICO DIARIO POR UNIDAD DE VIVIENDA Artefactos de cocina
Circuito Equipo Potencia [W]
Cantidad horas/ día
Total Energía [kW-h/día]
CONSUMO ENERGÉTICO DIARIO POR UNIDAD DE VIVIENDA
1 Licuadora 600 1 0,1 0,06
Subtotal 0,75
Toma corrientes sala y comedor Circuito Equipo Potencia
[W]
Cantidad horas/ día
Total Energía [kW-h/día]
1 Televisor 29” CTR 130 1 6 0,780
1 Ventilador 50 1 5 0,250
1 Equipo de sonido 250 1 2 0,500
1 Plancha 2000 1 0.2 0,400
Subtotal 1,930
Iluminación sala, cocina y comedor Circuito Equipo Potencia
[W]
Cantidad horas/ día
Total Energía [kW-h/día] 2 Iluminación
sala-comedor
10 2 3 0,06
2 Iluminación cocina 10 1 2 0,02
Subtotal 0,08
Tomas corrientes Auxiliares (otros) Circuito Equipo Potencia
[W]
Cantidad horas/ día
Total Energía [kW-h/día]
1 Televisor 29” CTR 130 1 3 0,390
1 Tomas aux. 180 3 0,8 0,540
Subtotal 0,930
Iluminación cuartos Circuito Equipo Potencia
[W]
Cantidad horas/ día
Total Energía [kW-h/día]
2 Iluminación baños 10 1 0,5 0,005
2 Iluminación
cuartos
10 2 2 0,040
Subtotal 0,045
Total Energía [kW-h/día] 3,735
Total Energía [kW-h/mes] 112,05
Total Energía [kW-h/año] 1344,6
3 OBJETIVOS DEL PROYECTO
3.1 OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar un estudio de factibilidad para la electrificación de un conjunto de viviendas en Nariño, Cundinamarca.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Identificar el recurso energético disponible en la zona para el abastecimiento eléctrico de las unidades de vivienda.
Caracterizar y diseñar el sistema eléctrico para la electrificación de las viviendas.
4 ANÁLISIS DE FUENTES ENERGÉTICAS NO CONVENCIONALES Y CONVENCIONAL.
A continuación, se presenta un estudio de los recursos energéticos en materia de Fuentes no convencionales disponibles en Nariño Cundinamarca para el suministro eléctrico de las unidades de vivienda del conjunto residencial Nariño sostenible. Con esto se pretende recopilar información de recursos ambientales y energéticos disponibles, junto con sus registros para cuantificar su potencial y seleccionar la Fuente más adecuada de acuerdo con las condiciones y criterios del proyecto para la electrificación de las siete unidades de vivienda que conforman este conjunto residencial.
4.1 EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS ENERGÉTICOS DISPONIBLES EN LA ZONA.
Las Fuentes no convencionales de energía que se evaluaran para el proyecto son las siguientes:
Radiación solar. Viento.
Biomasa.
A continuación, se realiza el análisis respectivo a partir de información disponible obtenida por el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) [20], y con satélites de la NASA [21], en relación con las características de variables de viento y radiación solar en Nariño Cundinamarca, para diferentes temporadas del año. Por otra parte, para estudiar el potencial energético con relación a la biomasa se toma como referente el atlas de Biomasa residual brindado por la UPME (Unidad de Planeación Minero-Energético) [22].
4.2 ESTUDIO DE RADIACIÓN SOLAR EN NARIÑO CUNDINAMARCA.
El IDEAM junto con la UPME, realizan el atlas de radiación solar en Colombia, este contiene 13 mapas, uno para cada mes del año y uno del promedio en general, así como también se cuenta con un mapa de estaciones meteorológicas [23], en el cual es posible evidenciar que para el departamento de Cundinamarca existen más de cien y cercanas al Municipio de Nariño existen dos de categoría pluviométrica [24], lo que otorga credibilidad a la utilización de dichos mapas en este proyecto.
La medida de la intensidad se indica en los mapas mediante convenciones de colores que van desde el azul oscuro hasta el rojo oscuro, en la Tabla 7 se relacionan los niveles de radiación para el municipio de Nariño.
web, permite introducir datos de coordenadas geográficas de latitud y longitud que para el caso específico de Nariño Cundinamarca son: de latitud igual a 4.040056 y longitud igual a -74.8358, es posible acceder también a registros de radiación para dicha ubicación para cada mes del año.
Cabe aclarar que para mayor precisión en los datos de disponibilidad del recurso solar se consultan las dos Fuentes de manera simultánea, tanto del IDEAM como de la NASA para una previa comparación.
VARIACIÓN CONDICIÓNES CLIMATICAS
MES TEMPERATURA [˚C]
RADIACIÓN
BRILLO SOLAR [h/día] IDEAM
[kW-h/𝐦𝟐]
NASA [kW-h/𝐦𝟐]
Enero 26,7 4,5-5 4,86 5-6
Febrero 26,9 4,5-5 4,83 4-5
Marzo 26,8 4,5-5 4,91 4-5
Abril 26,6 4,5-5 4,65 4-5
Mayo 26,5 4,5-5 4,72 4-5
Junio 26,3 4,5-5 4,83 4-5
Julio 26,7 5-5,5 5 5-6
Agosto 27,1 5-5,5 5,07 5-6
Septiembre 27 5-5,5 5,03 5-6
Octubre 26,4 4,5-5 4,7 4-5
Noviembre 26 4,5-5 4,6 4-5
Diciembre 26,3 4,5-5 4,6 5-6
Anual 26,6 4,5-5 4,82 5-6
Tabla 7. Niveles de radiación en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia, Fuente: [20], [21].
Ilustración 6. Temperatura anual en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia. Fuente: [20], [21].
Por otra parte, en la Ilustración 7 se puede apreciar la radiación para cada mes del año en Nariño Cundinamarca, comparando los datos obtenidos del IDEAM y la página oficial de la NASA, da como resultado que los meses de julio, agosto y septiembre presentan la mayor radiación solar, aunque se observa una diferencia significativa de aproximadamente 0,5 kW-h/m2, en cambio los meses de noviembre y diciembre presentan la menor radiación solar.
Ilustración 7. Radiación solar en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia. Fuente: [20], [21].
Enero Febre
ro Marzo Abril Mayo Junio Julio Agost o Septie mbre Octub re Novie mbre Dicie mbre IDEAM y NASA 26,7 26,9 26,8 26,6 26,5 26,3 26,7 27,1 27 26,4 26 26,3
25,926 26,1 26,2 26,3 26,4 26,5 26,6 26,7 26,8 26,927 27,1 27,2 T e mpe ra tu ra [ ˚C ] Mes Temperatura Enero Febrer
o Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septie mbre Octubr e Novie mbre Diciem bre IDEAM 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 5,5 5,5 5,5 4,5 4,5 4,5 NASA 4,86 4,83 4,91 4,65 4,72 4,83 5 5,07 5,03 4,7 4,6 4,6
4.2.1 CÁLCULO DE LA IRRADIANCIÓN O ENERGÍA POR UNIDAD DE SUPERFICIE.
La radiación solar que llega a la superficie de la tierra se denomina directa o difusa, teniendo en cuenta esto, se aclara que en la Tabla 7, se presenta el número de horas de radiación directa, dato que debe contemplarse posteriormente para dimensionar el sistema fotovoltaico. Por otra parte, la radiación difusa proviene de un ángulo de inclinación no tan directo u objetos que la obstruyan lo cual se denomina sombra.
La radiación solar, dato que proporcionan los mapas de la UPME o las bases de datos de la NASA, es la energía proveniente del sol la cual se cuantifica como el área bajo la curva de la irradiación diaria para cualquier lugar de la tierra, su valor más óptimo se obtiene sobre el medio día y no por el contrario como se puede pensar es cuando sale el sol, ni tampoco en horas de la tarde, es decir, cuando el sol se oculta.
El cálculo de la energía total recibida en un metro cuadrado de superficie terrestre es denominado irradiación (o de un panel fotovoltaico) horizontal, es representado por el área bajo la curva de la gráfica de irradiación en el tiempo. Donde el rectángulo representado en la Ilustración 8 muestra una aproximación del área. La ecuación de la energía por metro cuadrado se muestra en la Ecuación 2 [25].
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎(𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑐𝑢𝑎𝑑𝑟𝑎𝑑𝑜) = 𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ∗ 𝑇 Ecuación 2
Donde las unidades de irradiancia corresponden a [W/𝑚2], el tiempo se determina en horas [h] y por lo tanto las unidades de energía o irradiación por unidad de superficie equivalen a [h*W/𝑚2].
En la Ilustración 8 se observa la Irradiación solar diaria para un plano inclinado. Para la determinación de la cantidad de radiación diaria se obtiene integrando la curva por el método del trapecio.
4.3 ESTUDIO DE ENERGÍA EÓLICA EN NARIÑO CUNDINAMARCA.
El IDEAM realiza el atlas interactivo del viento en Colombia, este contiene una serie de mapas, tales como, velocidad promedio, velocidad máxima, dirección del viento, potencial eólico, entre otros [26]. Según el documento de la UPME, Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia [27], las velocidades del viento más bajos se registran en el departamento de Cundinamarca con velocidades promedio durante el año de 2.2m/s.
Ilustración 9. Mapa del viento de Nariño, Cundinamarca. [27].
En la Ilustración 9 se observa las diferentes velocidades promedio multianual del viento, se puede apreciar que la tendencia en la velocidad del viento en Nariño, Cundinamarca oscila aproximadamente entre los 2 y 2,5 metros por segundo, que comparada con las velocidades que se alcanzan en la alta Guajira, por ejemplo las que se emplean en el parque eólico de Jepirachi donde el viento alcanza velocidades de 10 metros por segundo, se puede apreciar que las corrientes de aire no son altas ni tampoco son constantes para diseñar un sistema de generación eólico eficiente.
para generación de energía eléctrica [28]. Esto corrobora la inviabilidad de generar energía eléctrica a través de un generador eólico en Nariño, Cundinamarca.
4.4 ESTUDIO DE ENERGÍA CON BIOMASA EN NARIÑO CUNDINAMARCA. El principal elemento para generar energía eléctrica por biomasa son los residuos [29], los cuales pueden ser provenientes de la naturaleza como los desechos de animales, cultivos energéticos afines como las plantaciones de palma de aceite; por otra parte también se puede obtener de la intervención directa del hombre, como es el caso de las petroleras donde se extrae gas del petróleo y de todos estos procesos se obtienen residuos que a su vez son insumo de la biomasa, este material al entrar en combustión emite grandes cantidades de calor el cual transforma el agua en vapor, el vapor a presión sale de calderas a turbinas, las cuales transmiten el movimiento a un generador convirtiendo la energía cinética en energía eléctrica. En el Atlas de Biomasa de la UPME [30], se muestra el potencial energético de este recurso para los diferentes municipios de Colombia, para el caso particular de Nariño Cundinamarca el potencial anual corresponde a 33.33 TJ/año como se muestra en la Ilustración 10.
Según la clasificación de potencial energético de Biomasa, Nariño Cundinamarca se encuentra en los rangos más bajos de clasificación según la UPME, según lo señala la escala relacionada en la Ilustración 10, donde el color amarillo perteneciente a Nariño, representa un potencial bajo de producción de Biomasa en comparación con otros municipios, por lo tanto se descarta esta alternativa.
4.5 TABLA COMPARATIVA DE RECURSOS ENERGÉTICOS DISPONIBLES EN LA ZONA.
En la Tabla 8 se observa las ventajas y desventajas de los tres diferentes recursos energéticos propuestos. ENERGÍA FOTOVOLTAICA [31] ENERGÍA BIOMASA [31] ENERGÍA EÓLICA [31] V e nt a ja s
Los módulos tienen un periodo de vida hasta de 20 años. Se puede integrar en
las estructuras de construcciones nuevas o existentes. Se pueden hacer
módulos de todos los tamaños.
El trasporte de todo el material es práctico.
El costo disminuye a medida que la
tecnología va
avanzando.
Es un sistema de aprovechamiento de energía idóneo para zonas rurales.
Los paneles
fotovoltaicos son limpios y silenciosos
y no generan
emisiones de dióxido de carbono.
El recurso requerido para este
tipo de energía es inagotable
Genera energía limpia no perjudicial para el medio ambiente.
Por efectos de la Fotosíntesis, el carbono que se genera al quemar la
biomasa puede
llegar a ser absorbido lo cual no generaría gases de efecto invernadero.
El aprovechamiento de desechos reduce el costo para la
obtención del
combustible (Biomasa).
El recurso requerido para este tipo de energía es inagotable.
Genera energía limpia no perjudicial para el medio ambiente.
ENERGÍA FOTOVOLTAICA [31] ENERGÍA BIOMASA [31] ENERGÍA EÓLICA [31] Des v e nt a ja s
Los costos de instalación son altos, requiere de una gran inversión inicial.
Los lugares donde hay mayor radiación solar, son lugares desérticos y alejados de las ciudades.
Es una Fuente de energía difusa, la luz solar es una energía relativamente de baja densidad.
Posee ciertas limitaciones con respecto al consumo ya que no puede utilizarse más energía de la
acumulada en
periodos en donde no haya sol.
Para su construcción requiere de una amplia zona, y con maquinarias que pueden llegar a ser costosas.
Para el
almacenamiento de la Biomasa se requiere con un espacio aislado grande, ya que es un material de un olor desagradable y hasta
contraproducente para la salud humana.
En procesos donde
se requiera
recolección
procesamiento y almacenamiento, este proceso puede llegar a ser costoso para la obtención de la Biomasa.
Depende en gran manera de variables como la densidad del viento y su velocidad.
Requiere por sus elementos de generación de grandes extensiones de territorio. Cercanos al mar por ser un sitio con sus niveles altos de densidad de viento y velocidades.
ENERGÍA FOTOVOLTAICA [31] ENERGÍA BIOMASA [31] ENERGÍA EÓLICA [31] M a nt e nimi e nt o re que rido pa ra c a da s is te ma de ge n e ra c ión r e nova ble .
Mantenimiento del
panel solar
fotovoltaico: limpieza periódica del vidrio del panel. Se recomienda cada dos meses, revisar terminales, el soporte del panel debe estar en buenas condiciones.
Mantenimiento de las baterías: antes de
empezar el
mantenimiento se debe tener mucho cuidado al contacto con el ácido diluido de las baterías el cual puede llegar a causar quemaduras,
posteriormente se deberá verificar el nivel electrolítico, limpiar bornes y aplicar a esta grasa antioxidante.
Mantenimiento Acumuladores:
verificar que no presente ruidos anormales y que el fusible de entrada este en buen estado.
Se realiza
anualmente. Se debe realizar en los meses de verano, limpieza de calderas y limpieza general de las instalaciones.
Cada 4 años se realizara una limpieza de este sistema y se
comprueban y
reajustan todos los parámetros para optimizar y alargar la vida útil del sistema de generación.
A los tres meses comprobación de pernos y tornillería, revisión exhaustiva del aéreo generador.
A los 18 meses cambio de cambio de aceite
ENERGÍA FOTOVOLTAICA [31] ENERGÍA BIOMASA [31] ENERGÍA EÓLICA [31] Obtenc ión de l re c ur s o e n re la c ión a l a ubi c a c ión d e l proy e c to
Según el
documento del IDEAM, Mapas brillo solar [32], en el cual se establece que las horas de brillo solar al día en este municipio cercano a Cundinamarca son de 4-5 horas al día, tiempo en el cual es donde más se podrá aprovechar la energía lumínica del sol.
Según el satélite de la NASA y la información
brindada por el IDEAM, la radiación promedio para Nariño
Cundinamarca es de 4.5 – 5 kW-h/m.
Según el atlas de Biomasa residual de la UPME [30], el cual muestra el potencial
energético y
generación de biomasa a nivel regional del país Colombia, el cual
clasifica al
municiono de Nariño Cundinamarca con una capacidad energética de Biomasa de 33,33 TJ/año, como se mostró en la ilustración 14,
Nariño está
clasificado en la mínima escala (color
amarillo) de
potencial
energético, por lo que lo hace una Fuente ineficiente
para la
implementación de un sistema de electrificación
Según el documento del IDEAM, Atlas de Viento y Energía Eólica en el
departamento de
Cundinamarca [33], las velocidades del viento más bajos se registran en el
departamento de
Cundinamarca con
velocidades en promedio durante el año de 2.2 m/s.
Tabla 8. Características de las fuentes no convencionales en la ubicación del proyecto Elaboración: Propia. Fuentes: [30], [31], [32] y [33].
4.6 ESTUDIO DE ENERGÍA CON ELECTRIFICACION CONVENCIONAL. Aunque la prioridad del proyecto consiste en la electrificación de las unidades de viviendas con la fuente renovable de mayor potencial presente en la zona, esto con el fin de incentivar el uso de energías alternativas para la generación de electricidad en zonas rurales, este estudio contempla la posibilidad de abastecer la demanda energética de esta comunidad a través del operador de red CODENSA S.A ESP.
Ilustración 11.Sitio a energizar, Atlas UPME. [34].
Ilustración 12. Circuitos de media tensión próximos al proyecto. Fuente: CODENSA S.A ESP.
4.7 COSTOS PROYECTO DE MEDIA TENSIÓN A 13,2 kV.
Como se mencionó anteriormente, la distancia desde el circuito más cercano en la vía Guataqui- Nariño (Ver Ilustración 12) hasta la ubicación del proyecto es de aproximadamente 400 m, pero teniendo en cuenta la topología del terreno, se estima una distancia de 600 m para el tendido eléctrico.
El objetivo de este proyecto no es diseñar una red eléctrica para determinar los costos en los que incurría el Operador de Red, el estudio seria tedioso debido a que hay información que es propia del Operador de Red, como el estudio geográfico de la zona para determinar el trazado del tendido eléctrico y el número de estructuras que se requieren instalar, por lo que esto consistiría en una labor propia de campo, además de algunos costos de operación y mantenimiento que son propios del Operador de Red, por lo tanto, se contacta directamente con la alcaldía de Nariño, Cundinamarca la cual nos facilitó los costos de un proyecto real que se llevó a cabo en el año 2017 en Nariño - Guataqui a cercanías del circuito principal de la Ilustración 12, con el mismo nivel de tensión, 13,2 kV. El documento que se consulta consiste en un estudio de costos de un proyecto de media tensión y alumbrado público en área rural en Nariño, Cundinamarca.
En la Ilustración 13 se muestra la información suministrada únicamente de los costos por tendido de red a nivel de tensión 2 (13,2 kV) en área rural, para una longitud de 100 m. En el Anexo A se adjunta toda la información del proyecto entregada por la alcaldía de Nariño.
Ilustración 13. Costos tendido eléctrico para un circuito de Media Tensión a 13,2 kV en Nariño - Guataqui, área rural Fuente: Alcaldía municipal de Nariño. Anexo A.
Según la Ilustración 13, los costos para operación de red eléctrica a 13,2 kV en área rural para una longitud de 100m corresponden a $45.802.000, por lo que aplicando una regla de 3 para 600m daría un equivalente de $274.812.000, por lo que este valor es aproximado a los costos del proyecto en estudio.
Se consulta un trasformador trifásico en aceite marca ABB [35]. Las características nominales se muestran a continuación:
Potencia aparente: 45 kVA
Tensión nominal: 13.200 V / 208/120V
Este transformador tiene un costo de $ 4,950,800. Por lo tanto, los costos en los que incurría el Operador de Red en lo que respecta a media tensión son:
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 + 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠𝑇𝑟𝑎𝑓𝑜 Ecuación 2
𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜𝑠 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = $ 4,950,800 + $274.812.000 = $279.762.800
Cabe aclarar que estos costos no incluyen mano de obra, traslado de cuadrilla ni costos por administración e imprevistos entre otros costos indirectos. Tampoco se incluyen los costos incurridos aguas abajo del transformador, lo que corresponde a las protecciones, ni cableado en baja tensión hasta la acometida de cada vivienda ya que estos costos los asume el cliente.
4.8 FACTIBLIDAD ELECTRIFICACIÓN CON ENERGÍA CONVENCIONAL. Se calcula los costos en media tensión para instalar un tendido de 600m hasta la ubicación de las viviendas, ahora se determina si es factible para el Operador de Red en términos económicos llevar a cabo este proyecto teniendo en cuenta el presupuesto destinado y los cobros por facturación de energía eléctrica para los niveles de tensión 1 y 2 por concepto de distribución, para las 7 unidades de vivienda.
4.9 CARGO DE DISTRIBUCIÓN PARA EL OPERADOR DE RED.
Como se sabe, las tarifas del costo unitario de energía eléctrica ($/kW-h) para un usuario residencial, están estipuladas por la Comisión de Regulación de Gas y Energía (CREG), donde la tarifa esta subdividida en cargos por generación, transmisión, distribución, comercialización y perdidas entre otros. Como se ha explicado hasta el momento, en caso de que el Operador de Red pretenda electrificar las unidades de vivienda, tendrá que hacer una ramificación en el circuito Buscavidas (GTD12) a nivel de tensión 2 (13,2kV, ver Ilustración 12) hasta el transformador que se encargara de reducir la tensión a nivel de tensión 1 (120/208 V). Es, por ende, que se determina el costo unitario de energía ($/kW-h) para el OR por hacer uso de los niveles de tensión mencionados previamente.
El precio del kilovatio hora tiende a aumentar bien sea con una tasa conforme a la inflación u otra similar, e indirectamente lo hacen los cargos por generación, distribución y comercialización.
Ya que los costos por el uso de distribución de los diferentes niveles de tensión son acumulados, se utiliza la Ecuación 3 para obtener el cargo total por uso de distribución únicamente del nivel 1 y 2 de tensión, donde implícitamente 𝐷1+2
equivale a restar el cargo por distribución del nivel de tensión 1 y 3
𝐷1+2 = 𝐷1− 𝐷3 Ecuación 3 Donde:
𝐷1+2 = Costo por uso de distribución nivel 1 más nivel 2 de tensión. 𝐷1 = Costo por uso de distribución nivel 1
𝐷3 = Costo por uso de distribución nivel 3
En modo de ejemplo, se calcula D1+2 según la ecuación 3 para el mes de diciembre del año 2018 (Tabla 9), donde los costos unitarios de los cargos de distribución según la tabla tarifaria de Codensa S.A E.S.P para el nivel de tensión 1 y 3 corresponden a [36]: D1= $173,5756/kW-h , D3= $67,5337/kW-h, por lo que la resta daría un costo del cargo total (D1+2) de $106,0419/kW-h para el mes de diciembre.
HISTORIAL TARIFARIO DEL PRECIO DE ENERGÍA [$/(kW-h/mes)] CARGO POR USO DE DISTRIBUCIÓN NIVEL 1 MÁS NIVEL 2 DE
TENSIÓN
Tarifa 2016 Tarifa 2017 Tarifa 2018
Enero 91,0998 Enero 103,3627 Enero 97,6267
Febrero 98,775 Febrero 100,2393 Febrero 104,3073
Marzo 99,9797 Marzo 94,2784 Marzo 103,9526
Abril 99,1742 Abril 96,6813 Abril 97,0859
Mayo 101,3047 Mayo 104,7598 Mayo 99,237
Junio 98,9466 Junio 101,1597 Junio 100,8055
Julio 99,9979 Julio 92,5052 Julio 100,7045
Agosto 103,9392 Agosto 93,1942 Agosto 103,7962 Septiembre 100,4929 Septiembre 103,0724 Septiembre 100,4102 Octubre 96,2543 Octubre 104,4764 Octubre 98,0052 Noviembre 98,5445 Noviembre 97,3225 Noviembre 104,5161
Diciembre 103,2282 Diciembre 93,2782 Diciembre 106,0419
Tabla 9. Historial del costo de energía ($/kW-h). Elaboración: Propia.
Ilustración 14. Variación costo $/ kW-h (enero 2016-noviembre 2018). Fuente: Propia.
El precio de la energía es fluctuante a lo largo del año, por lo que se empleara una tasa de interés simple con base en las ecuaciones 4 y 5 [37], para determinar que en qué porcentaje aumento o disminuyo esta tasa de interés durante los últimos 3 años previos al proyecto, esto con el fin de determinar una proyección durante los próximos 20 años, tiempo de vida del proyecto
𝑉𝑓 = 𝑉𝑝(1 + 𝑖 ∗ 𝑛) Ecuación 4
Donde:
Vf: Es el valor futuro, para este estudio representa el valor del cargo total 𝐷1+2 ($/kW-h) para el mes de diciembre del año 2018.
Vp: Es el valor presente, el cual representa el valor del cargo total 𝐷1+2 ($/kW-h) para el mes de enero del año 2016.
i: Tasa con la que aumentara el cargo total 𝐷1+2 ($/kW-h), representa la incógnita a despejar de la Ecuación 4
n: El periodo de tiempo en el que el costo del cargo total 𝐷1+2 ($/kW-h)h aumenta. Para este estudio se asumió un periodo de 36 meses equivalente a 3 años.
De la Ecuación 5 se despeja la tasa de interés i, lo que resulta:
𝑖 =
𝑉𝑓 𝑉𝑝−1
𝑛
Ecuación 5 90
92 94 96 98 100 102 104 106 108
0 5 10 15 20 25 30 35 40
P
recio
[$
/(k
W
-h
)]
Meses
𝑖 =
106,0419 91,0998 − 1
3 ∗ 100% = 5.46%
Para calcular el cargo total 𝐷1+2 ($/kW-h) para los próximos 20 años se empleó la
Ecuación 4 teniendo en cuenta la tasa de interés calculada anteriormente, en este caso el valor presente se tomó como el precio de energía para el mes de diciembre del año 2018, con la tasa de incremento se calcula un valor futuro hasta el año 2037 como se puede detallar en la Tabla 10.
CARGO POR USO DE DISTRIBUCIÓN NIVEL 1 MÁS NIVEL 2 DE TENSIÓN
Periodo Año $/kW-h
1 2018 106,0419
2 2019 111,8317877
3 2020 117,9378034
4 2021 124,3772074
5 2022 131,1682029
6 2023 138,3299868
7 2024 145,8828041
8 2025 153,8480052
9 2026 162,2481063
10 2027 171,1068529
11 2028 180,4492871
12 2029 190,3018181
13 2030 200,6922974
14 2031 211,6500968
15 2032 223,2061921
16 2033 235,3932502
17 2034 248,2457217
18 2035 261,7999381
19 2036 276,0942147
20 2037 291,1689588
Tabla 10. Precio promedio $/kW-h para los próximos 20 años. Fuente: Propia.
La Tabla anterior representa el costo promedio del cargo 𝐷1+2 ($/kW-h) para los
energía fluctúan a través del año, por lo que su comportamiento no es lineal, así que llevar un pronóstico acertado es una tarea compleja cuando se trabajan variables exógenas como lo es el clima, fuentes especializadas en economía en Colombia coinciden en lo mismo, tal como lo expresa un estudio de la Revista de Economía de la Universidad del Rosario: “El pronóstico de una serie de precios de energía es una tarea difícil y compleja por estar presente diferentes niveles de estacionalidad y la presencia de variables exógenas, especialmente las relacionadas con el clima. Al ser el precio de la energía una variable afectada por otras de tipo cuantitativo y cualitativo (regulaciones CREG, tecnología y hábitos en la población) serían estos últimos aspectos los más complejos para involucrarlos en un modelo regresivo de pronóstico” [38].
Por otro lado, la Tabla 11 muestra La facturación en $ por cobro de energía para las 7 unidades de vivienda por parte del Operador de Red en lo que respecta únicamente a los cargos por distribución en los niveles de tensión 1 y 2 cargo para los próximos 20 años.
La facturación en $ del OR se calcula multiplicando la energía promedio anual consumida por un usuario estrato 1 (1344,05kW-h/año, según Tabla 6), multiplicado por las 7 unidades de vivienda y por el costo del cargo total por distribución 𝐷1+2. Para los próximos años según la Tabla 10
INGRESOS DEL OPERADOR DE RED
Año Facturación [$]
2018 998.088
2019 1.052.583
2020 1.110.054
2021 1.170.663
2022 1.234.581
2023 1.301.990
2024 1.373.078
2025 1.448.048
2026 1.527.112
2027 1.610.492
2028 1.698.425
2029 1.791.159
2030 1.888.956
2031 1.992.093
2032 2.100.861
2033 2.215.568
2034 2.336.538
INGRESOS DEL OPERADOR DE RED
Año Facturación [$]
2036 2.598.654
2037 2.740.540
TOTAL [$] 34.653.597
Tabla 11. Facturación del cobro de energía para los próximos años. Fuente: Propia.
Como se aprecia en la tabla anterior, el Operador de Red Codensa S.A ESP recaudaría $34.653.597 por cobro del suministro de energía eléctrica para las 7 unidades de vivienda durante los próximos 20 años en lo que respecta al uso del cargo total por distribución 𝐷1+2.
Como se calcula anteriormente, los costos en los que incurriría el Operador de Red ascienden a $279.762.800, por lo que efectivamente el OR nunca recuperaría la inversión, las pérdidas en $ se calcula según la Ecuación 6.
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 − 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 Ecuación 6
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = $279.762.800 − $34.653.597 = $𝟐𝟒𝟓. 𝟏𝟎𝟗. 𝟐𝟎𝟑
Como se puede apreciar, las pérdidas económicas por parte del OR ascienden a más de $𝟐𝟒𝟓. 𝟏𝟎𝟗. 𝟐𝟎𝟑, esto sin tener en cuenta los costos aguas abajo del transformador, esto en relación al nivel de tensión 1.
Teniendo en cuenta la información anterior, se descarta un sistema de electrificación convencional por las siguientes razones:
Solo se alimentarán siete unidades de vivienda que demandan una carga menor a 35 kVA, por lo que la negativa del operador de red podría presentarse por factibilidad, esto debido a la distancia del circuito principal y a las dificultades que presenta la topografía del terreno para acceder al proyecto.
Las pérdidas económicas en las que incurría el Operador de Red CODENSA S.A E.S.P ascienden a más $𝟐𝟒𝟓. 𝟏𝟎𝟗. 𝟐𝟎𝟑 para los cargos en nivel de tensión 1 y 2.
Teniendo en cuenta el análisis del numeral 4, se decide emplear energía solar fotovoltaica como fuente de electrificación, teniendo en cuenta que en Nariño Cundinamarca se cuenta con niveles adecuados de radiación solar, esencial para la generación de energía fotovoltaica, los costos de maquinaria y equipos requeridos pueden llegar a ser aceptables teniendo en cuenta que se busca una generación autónoma y limpia para cada unidad de vivienda, dependiendo de la carga demandada.
5 DISEÑO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO.
Para llevar a cabo el diseño y dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico por unidad de vivienda (sistema de generación centralizado) en la comunidad de Nariño Cundinamarca se tiene en cuenta el plano arquitectónico de una casa tipo del proyecto, donde se realiza un pre-diseño eléctrico en AutoCAD como se puede apreciar en la Ilustración 4. Esto con el objetivo de estimar las cargas que serán conectadas en dichas salidas de iluminación y tomacorrientes, como a su vez estimar una potencia instalada y diversificada.
![Tabla 7. Niveles de radiación en Nariño Cundinamarca. Elaboración: Propia, Fuente: [20], [21]](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/7261933.344647/31.918.128.801.291.712/tabla-niveles-radiación-nariño-cundinamarca-elaboración-propia-fuente.webp)
