Suministro de Energía para las Zonas Rurales de Colombia

Suministro de Energía para las Zonas Rurales de Colombia

Presentado por:

Vicente Montalvo Bonilla

201125062

Profesor Asesor:

Álvaro E. Pinilla, PhD.

Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá D.C.

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Índice

1. Resumen ... 2

2. Introducción ... 3

2.1. Estado Actual del Suministro Rural ... 4

2.2. Necesidades Energéticas ... 5

2.3. Existencia de una Brecha ... 6

3. ¿Qué se está haciendo? ... 7

3.1. En la Academia ... 8

3.2. En la Industria ... 10

3.3. En la Comunidad ... 14

3.4. En el Gobierno ... 17

4. Energías Renovables como Solución ... 20

4.1. Solar Fotovoltaica ... 21

4.2. Eólica ... 25

5. ¿Qué se Necesita Hacer? ... 28

5.1. En la Academia ... 28

5.2. En la Industria ... 30

5.3. En la Comunidad ... 32

5.4. En el Gobierno ... 33

6. Estudio Económico ... 35

6.1. Cálculo del CNE ... 35

6.2. Cálculo de la tasa de descuento ... 40

6.3. Costo Energético Presente ... 44

7. Conclusiones ... 47

8. Trabajos Futuros ... 48

9. Bibliografía ... 49

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1.

Resumen

En este documento se busca realizar un estudio acerca del suministro de energía eléctrica en las zonas rurales de Colombia y exponer las deficiencias evidenciadas complementado por una propuesta apta para ampliar la cobertura dentro del territorio nacional. El estudio inicia con un análisis del entorno actual exponiendo como los departamentos más afectados por el conflicto armado presentan los peores índices de cobertura eléctrica y como se nota una clara brecha entre la disponibilidad del recurso y la demanda que tienen estas poblaciones para suplir sus necesidades.

Seguidamente se revisa lo que se está haciendo desde la academia, industria, comunidad y gobierno para proveer soluciones a las comunidades afectadas. Las soluciones pueden variar desde grupos de personas dedicadas a exponer ante los medios las precarias situaciones en las que viven una gran cantidad de ciudadanos colombianos hasta proyectos nacionales de expansión de cobertura eléctrica junto con su ideario a futuro. Para cada bloque se resaltan los esfuerzos más significativos con ejemplos tangibles que permiten dimensionar los esfuerzos y se explica cómo resultan ser insuficientes para cumplir con las necesidades y requerimientos de los usuarios finales.

Habiendo visto las ineficiencias y problemáticas de las soluciones convencionales se presenta como las formas de generación eléctrica a partir de fuentes renovables pueden ser una posible solución aun no explorada para los problemas.

Estudiando situaciones similares en el exterior e incorporando las nuevas políticas de estado se vuelven a visitar los cuatro sectores principales de la sociedad para proponer soluciones o alternativas que faciliten la solución del problema. Estas propuestas involucran las directrices de proyectos exitosos ajustadas para el escenario local que permitan el correcto desarrollo de los proyectos planteados.

Finalmente se valida el beneficio de los métodos de generación renovables a partir de un análisis de costos normalizados de energía. Se busca que se comparen las soluciones actualmente siendo implementadas con las propuestas planteadas a lo largo del estudio para demostrar de manera cuantitativa la veracidad de las propuestas y comprobar su viabilidad en el mundo real.

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2.

Introducción

Actualmente gran parte de la población rural de Colombia no se encuentra conectada a la red eléctrica nacional, motivo por el cual deben recurrir a sistemas alternos de generación principalmente diesel y GLP. De los cuales el segundo se ve favorecido por la ley 1715 de 2014 al ser una fuente no convencional de generación energética. Dicho esto, ninguno de los dos sistemas tiene la capacidad de suplir las necesidades locales, sino que están sujetos a la disponibilidad de dichos recursos en la zona siempre y cuando exista la infraestructura vial para llevarlos hasta el sitio. Las poblaciones rurales que afrontan este problema llevan varios años de existencia y cuentan con un sistema medianamente funcional gracias a la trayectoria del poblado, sin embargo, el actual acuerdo de paz introducirá nuevas poblaciones bastante alejadas del casco urbano. Estas poblaciones se desarrollarán desde cero por lo que tendrán una demanda energética considerable sin ningún tipo de suministro disponible. Cuando se considera el plan de expansión de cobertura de energía eléctrica se puede ver que muchas poblaciones rurales presentaran dificultas para ser aprobadas dado el número de habitantes de la zona o su ubicación remota.

Buscando solventar esta problemática se propone un estudio de las condiciones actuales en el país que analice lo que actualmente se está haciendo desde los cuatro principales sectores de la sociedad para identificar las virtudes y debilidades de estas políticas. A partir de esto se estudiará por qué las energías renovables como eólica y solar son una excelente alternativa a los generadores que usan diesel, GLP o gas natural dado que estas son las soluciones predilectas del gobierno nacional.

Se plantea analizar estas dos modalidades de generación renovable en vista de los últimos avances publicados acerca de los beneficios tributarios e incentivos asociados a la ley 1715 de 2014 (UPME, 2016). Las pequeñas centrales hidroeléctricas ya no se encuentran cobijadas dentro de las fuentes no convencionales de generación de energía debido a la gran popularidad que ha adquirido el negocio de las PCH en los últimos años.

La importancia de este estudio radica en mejorar la calidad de vida de los habitantes de las zonas rurales y permitir que el campo se desarrolle de manera correcta una vez los campesinos vuelvan a tener sus tierras y la seguridad en estas zonas aumente con el cese al fuego bilateral y definitivo. Esto último resulta de gran importancia ya que una vez la situación en el campo vuelva a encaminarse a un paso estable, gran número de los desplazados por el conflicto querrán volver a explotar sus tierras como la hacían en el pasado. Lastimosamente desde ese entonces políticas como el TLC con Estados Unidos han

4 aumentado la competitividad de mercado lo que indica que estos nuevos campesinos necesitaran técnicas productivas modernas que les permitan realizar sus actividades de manera competente y efectiva.

2.1. Estado Actual del Suministro Rural

Debido a los altos costos asociados a la instalación de torres de transmisión eléctrica, extender el cableado hasta los poblados rurales no sería un buen proyecto de inversión para las empresas de transmisión debido a los largos periodos de retorno incluso en los casos de usuarios más significativos reiterando la necesidad de sistemas autónomos de generación. Esto se puede ver en la tabla 15 del Plan Indicativo de Expansión de Cobertura Eléctrica de la UPME, donde se indica la cobertura de los departamentos en cabecera municipal, zona rural (Resto) y total departamental (UPME, 2012).

Departamento ICEE cabecera municipal ICEE resto ICEE Total San Andrés y Providencia 100,00% 100,00% 100,00%

Bogotá D.C. 100,00% 99,03% 99,99% Quindío 100,00% 98,28% 99,82% Atlántico 100,00% 86,45% 99,40% Risaralda 100,00% 96,47% 99,34% Cundinamarca 99,79% 98,33% 99,29% Caldas 100,00% 97,58% 99,29% Valle 99,64% 94,91% 99,01% Antioquia 99,98% 91,57% 98,12% Sucre 100,00% 93,60% 97,92% Huila 100,00% 91,13% 96,55% Norte de Santander 99,83% 83,92% 96,54% Boyacá 99,58% 92,75% 96,43% Santander 99,68% 87,59% 96,34% Nariño 98,32% 94,01% 96,01% Tolima 100,00% 84,92% 95,61% Cesar 100,00% 76,39% 94,89% Bolívar 99,46% 75,72% 94,39% Meta 99,38% 72,60% 93,91% Arauca 100,00% 79,36% 93,63% Magdalena 100,00% 58,11% 91,23% Córdoba 100,00% 80,38% 90,95% Caquetá 97,99% 73,93% 90,10% Cauca 99,52% 78,31% 86,82% Guainía 98,45% 79,06% 84,16% Chocó 92,07% 68,12% 80,90% Casanare 90,74% 50,38% 79,78% La Guajira 100,00% 45,10% 77,83% Guaviare 90,07% 57,76% 74,34% Vaupés 97,48% 39,48% 65,37% Putumayo 83,07% 40,04% 61,11% Vichada 92,53% 25,21% 59,39% Amazonas 95,76% 27,98% 57,33% Total Nacional 99,59% 84,84% 96,10%

5 Esta tabla permite ver que la cobertura nacional en zonas rurales es casi del 85% de las viviendas, sin embargo, los departamentos más afectados por el conflicto presentan bajos niveles de cobertura que evidencian las grandes necesidades energéticas que se presentan en estas zonas. Al ver los registros rurales de estos departamentos es claro que gran parte de estas poblaciones necesitan un arduo trabajo que permita suministrarles el servicio eléctrico. A parte de esto se debe mencionar que estos datos de cobertura son evaluados a partir del número de viviendas o familias que reciben el servicio. Esto lleva a una manipulación de información por parte de la UPME viendo que la familia o vivienda rural promedio es casi 1.5 veces más numerosa que una dentro de la cabecera municipal.

2.2. Necesidades Energéticas

No hace falta sino fijarse para poder ver que entrado el siglo XXI, la energía eléctrica ha dejado de ser un lujo y se ha convertido en una necesidad fundamental. El consumo eléctrico resulta evidente desde lo más convencional como iluminación en las horas de la noche hasta algo menos considerado como la operación de la bomba de una estación de riego para la agricultura. En medio de estas aplicaciones se ubican los electrodomésticos básicos como estufas, nevera, horno, calentadores de agua y el cada día más importante e irremplazable computador. Este último cada día adquiere mayor importancia debido a la enorme penetración que ha tenido el Internet convirtiéndolo en una herramienta esencial para el estudio, entretenimiento y trabajo. Viendo como la información se ha vuelto cada vez más accesible, lo que se conoce como conocimiento general cada día contiene un temario más amplio y las expectativas que se tiene de las personas en cuanto a conocimiento y capacidades crecen a cada instante. Sin embargo, lo más importante sigue siendo la calidad de vida básica que este recurso energético provee a las personas cada momento del día.

A lo largo del 2016, la falta de energía y agua en la Guajira han cobrado múltiples vidas de menores de edad debido a la desnutrición que la sequía causa. De antemano puede parecer que la falta de energía eléctrica no se encuentra muy relacionada con la cuestión en mano sin embargo se encuentran altamente vinculadas. Debido a que el gobierno nacional se ha caracterizado en los últimos años por ir corriendo a apagar incendio tras incendio, la solución más sencilla e inmediata fue la que se proporcionó a las poblaciones guajiras en su desesperada situación debido a la falta de agua.

La respuesta, una bomba de agua que extrae a cinco metros de profundidad operada por un pequeño generador diesel. Esta solución se puso en marcha dado que a nivel del mar el nivel freático es bastante alto y se puede obtener agua con facilidad y entre más profundo opere el equipo mayor es la

6 demanda energética por lo que entre más cerca de la superficie más baratos serían los equipos y se tendría un menor consumo de combustible. Lastimosamente la última métrica del proyecto era el bienestar de los habitantes de la zona, hecho que se confirma al nunca haberse realizado un estudio de potabilidad al agua extraída a la profundidad planeada por el estado. Efectivamente, después de realizar la compra de múltiples unidades de bombeo e instalarlas en los lugares de mayor necesidad se empezaron a dar cuenta que el recurso extraído no era del todo apto para el consumo humano y mucho menos para menores de edad que sufrían de un sistema inmunológico debilitado por la malnutrición que afrontaban. Aun sin haber solucionado la gran crisis que arrasaba con el departamento se dio como terminado el tema ya que, en los ojos de la presidencia y su gabinete, la población contaba con energía eléctrica y un suministro confiable de agua.

2.3. Existencia de una Brecha

Resulta claro que las necesidades energéticas en las zonas rurales del país exceden significativamente la disponibilidad del recurso. La existencia de esta brecha es la que condiciona y prácticamente sentencia a las poblaciones alejadas del casco urbano a una escasez de oportunidades. Lo anterior se da debido a la ausencia de una entidad educativa que forme a los jóvenes de la región, esto sucede ya que no existe ningún tipo de industria, empresa o empleo que requiera personal capacitado producto de la ausencia del servicio público más elemental y absolutamente irremplazable a la hora de tecnificar o desarrollar una planta productiva de alto nivel.

Sin la presencia de una firma que logre modernizar el proceso productivo en dichas regiones, la labor desempeñado por los habitantes seguirá siendo de un nivel artesanal y poco eficiente. Estas mismas personas deben salir a competir con los gigantes de la industria que aprovechan todas las innovaciones tecnológicas a su disposición con el fin de disminuir costos, aumentar la productividad y ser cada día más competitivos en una economía cada día más global. En los últimos años, se han visto ejemplos claros de lo anterior, sean paros campesinos o agrarios en donde se suplica al estado por más subsidios o alza de impuestos y/o aranceles a la competencia debido a la insuficiencia del modelo productivo local para competir con los jugadores que entran a la economía producto de acuerdos mercantiles internacionales como el TLC de 2011. Las peticiones anteriores por parte de los campesinos o agricultores resulta ser la única opción viable para el estado ya que de esa manera aseguran una solución inmediata y cierta estabilidad en el corto plazo. Pensando en el mediano y largo plazo, debilidades del gobierno nacional, los aranceles de protección a la industria nacional al igual que cierta porción de los subsidios debería ir a electrificar las zonas rurales a toda costa. Al lograr lo anterior, resulta posible operar maquinaria cuyo

7 insumo principal no se encuentre sujeto a los precios del petróleo, disponibilidad de hidrocarburos refinados y tasa cambiaria lo que permite que se puedan usar sistemas de siembra, harrado y regado que remplacen la labor manual.

Con una actividad un poco más tecnificada y un suministro eléctrico estable, pueden empezar a aparecer grandes jugadores del sector en dichas regiones para formar de mejor manera a los actuales trabajadores desarrollando la zona y generando nuevo empleo. Siendo el empleo un objetivo clave para todos los colombianos viendo que la paz a ser firmada será verdaderamente duradera mientras los desmovilizados y demás colombianos puedan emplearse y hacer parte de la sociedad civil de manera común, corriente y permanente.

3.

¿Qué se está haciendo?

El siguiente capítulo busca analizar las medidas tomadas desde los principales sectores de la sociedad para exponer, atacar y solucionar las problemáticas evidenciadas en las zonas rurales del país. Se visita cada sector de manera específica para destacar las acciones más relevantes implementadas en los últimos años con el fin de entender el enfoque y bases que se están planteando para poder proponer soluciones o programas acorde con lo trabajado en el quinto capítulo.

Se escogen estos cuatro sectores ya que estos comprenden a gran cantidad de la población y es a partir de estos donde se pueden originar los cambios más significativos. En la academia se puede inculcar el principio de participación en proyectos de interés social a los jóvenes que esto más adelante haga parte de sus costumbres en la vida adulta y productiva. En la industria se puede evaluar la madurez de las compañías locales para participar en proyectos de desarrollo energético rural al analizar la disponibilidad de compañías existentes para instalar equipos eólicos y solares en dichas regiones. Posteriormente se debe analizar la comunidad en vista que los esfuerzos voluntarios de las personas tanto de estas regiones como de afuera presentan un importante motor de desarrollo que no solo trae resultados, sino que exponen las problemáticas a los demás miembros de la sociedad aumentando el grado de conciencia de los colombianos. Finalmente se debe tener en cuenta el estado, políticas de desarrollo adecuadas e incentivos correctamente calculados pueden llevar a un boom de desarrollo de manera instantánea y en general son las políticas de estado las que permiten una correcta coalición entre todos los sectores llevando a un mejor resultado para los afectados.

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3.1. En la Academia

En el momento existen múltiples iniciativas académicas que buscan ayudar a desarrollar el suministro energético en las zonas rurales. Debido al gran número de propuestas, trabajos y proyectos se mencionarán algunos de los más importantes y relevantes al tema. Entre todos los casos cabe resaltar la facultad de ingeniería de la Universidad de los Andes debido a la más reciente edición de su revista, “El compromiso de la ingeniería con una Colombia en posconflicto”. En dicha publicación, se abarcan los principales problemas que enfrentará Colombia en el periodo del posconflicto desde una visión ingenieril. En el artículo del ingeniero German Ospina, se presenta la importancia de las vías secundarias y terciarias en el país y su rol en desarrollo del país. Aunque inicialmente no parecería relevante el tema de infraestructura vial con el suministro energético, se debe tener en cuenta que una de las métricas evaluadas en la dentro del plan de expansión energético de la UPME es la facilidad y posibilidad de acceso al lugar de estudio. La inexistencia de vías de acceso no solo imposibilita el acceso de personal para interconectar la población o realizar la instalación de equipos de generación eléctrica. Debido a lo anterior se puede ver cómo es que el desarrollo vial permite establecer un fundamento sobre el cual se puede trabajar para posteriormente suplir de recursos el lugar en cuestión y llevar a su crecimiento y formalización. El señor Ospina no solo resalta la importancia de las vías, sino que analiza las innovaciones tecnológicas que se pueden dar a partir del proceso de construcción, el aumento de personal capacitado, la inclusión de pequeñas poblaciones marginas y explora una metodología de financiación que permita llevar a cabo el proyecto (Ospina, 2016).

Contrastando la publicación de Ospina se tiene el artículo del Profesor Jaime Loboguerrero que analiza la instalación de pequeñas centrales hidroeléctricas. El documento usa como foco la implementación de pequeñas plantas hidroeléctricas en África en los años ochenta donde se aprovechaban los recursos hídricos en sectores rurales del continente para abastecer pequeñas poblaciones con energía eléctrica sin tener que recurrir al consumo de combustibles fósiles. Lo que busca el autor es demostrar cómo se puede generar energía eléctrica en poblaciones alejadas del casco urbano en regiones que tienen alta disponibilidad hidráulica. La situación que se afrontó en África permite exponer una alternativa a la metodología nacional que gira alrededor de tres posibles soluciones, conectar a la red eléctrica nacional, conectar a generadores de combustibles fósiles o designar la población como “no apta para suministro eléctrico”. El contenido desarrollado por el profesor Loboguerrero no solo expone una alternativa clara a la metodología que se emplea por el estado, sino que categoriza las posibles soluciones dependiendo de las especificaciones de la región de estudio. Debido a que el estudio fue

9 realizado hace más de tres décadas, las eficiencias asociadas a los equipos pueden estar un poco alejadas de lo que se instalaría hoy, pero permite una aproximación a la posible solución y la capacidad de generación que esta tiene. Sabiendo que Colombia es el segundo país con mayor potencial hídrico y aparte de esto cuenta con una geografía bastante quebrada que permite tener grandes cambios de altura en pequeñas distancias lo que agrega una gran cantidad energía hidráulica en forma de cabeza visto cómo metros columna de agua. Finalmente, el autor procede a explicar las condiciones de operación de las plantas propuestas demostrando que existen soluciones que no solo son de gran eficiencia sino de bajo impacto ambiental para la generación eléctrica que resultan sobresalientes al ser comparadas con la solución predeterminada del estado (Loboguerrero, 2016).

Complementando el contenido desarrollado por el profesor Loboguerrero se presenta el artículo del profesor Álvaro Pinilla que extiende el portafolio de generación energética renovable a las energías solar-fotovoltaica y eólica de pequeña escala. El cuadro presentado por el profesor Loboguerrero puede ser adaptado ya que la potencia en el eje de una PCH se puede reemplazar por la potencia mecánica de un generador eólico para poder dimensionar arreglos que suministren la misma energía que algunas PCH. En cuanto a los paneles fotovoltaicos, se debe tener en cuenta la existencia de ciertos componentes electrónicos que suministran directamente el potencial eléctrico sin tener que transformar la energía de un fluido en energía mecánica y posteriormente energía eléctrica. El dimensionamiento de cada una de las estaciones mencionadas se realiza de diferentes maneras, pero los tres métodos involucran una caracterización del recurso natural por un periodo de uno a dos años, a partir del cual se puede construir un modelo cuantitativo estadístico que permita predecir el comportamiento futuro. Lo más importante es notar que el profesor Pinilla ejemplifica una gran variedad de posibilidades para generar energía cuyas únicas emisiones o contaminación están asociadas al proceso de manufactura de los componentes. Una vez instalados, la generación eléctrica se da de manera renovable, sin contaminación del medio ambiente y con un impacto ambiental despreciable (Pinilla, 2016).

Con lo expuesto anteriormente resulta evidente que en la academia se están realizando múltiples esfuerzos tanto prácticos como investigativos que buscan plantar unos cimientos sobre los cuales se pueda edificar el suministro energético renovable en las zonas rurales del país.

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3.2. En la Industria

Desde finales del siglo X, la generación hidroeléctrica en Colombia fue adquiriendo un papel principal dentro de la canasta de generación nacional hasta tener el 72% de la generación en los últimos años. Esta creciente expansión inició con subsidios internacionales otorgados en los ochentas y noventas que llevaron al fortalecimiento de la red nacional trayendo fin a los comunes apagones de la época. La participación de las empresas públicas ha ido creciendo dentro de la generación hidroeléctrica con algunos jugadores privados incorporándose a la mezcla, pero con participaciones minoritarias. Con la incorporación de la ley 1715 de 2014 que trae múltiples beneficios a la generación eléctrica usando fuentes no convencionales y pequeñas centrales hidroeléctricas. Estos cambios trajeron la participación de la industria privada al sector energético de manera más fuerte. Con los incentivos presentados y una posibilidad futura de tener contadores eléctricos de doble vía donde la energía producida en exceso puede ser vendida a la red, muchas empresas empezaron a optar por la cogeneración. Instalar fuentes de generación renovables no solo permite disminuir los gastos eléctricos de la compañía, sino que el 50% de la inversión realizada puede ser deducida de impuestos a lo largo de los cinco años siguientes a la inversión. Resulta claro que las empresas privadas que realizan estos proyectos de cogeneración no se dedican a la instalación de equipos de generación eléctrica lo que indica que estos proyectos deben estar liderados por empresas expertas en el tema abriendo las puertas a nuevos expertos.

La lista de expertos puede llegar a ser muy extensa debido al gran tamaño del sector. Por intereses del trabajo siendo realizado, se explorarán tres industrias colombianas debido a que se dedican a atender las necesidades de las demás empresas privadas al mismo tiempo que instalan soluciones autógenas en zonas rurales de Colombia con financiación estatal y de fondos internacionales. Las empresas a ser revisadas son: Energreencol, Idelect y Colgeólica.

Energreencol es una empresa privada radicada en Cartagena de Indias que ofrece sistemas de generación de energía eólica, solar, hidráulica y de biomasa al igual que plantas de tratamiento de agua y servicios de consultoría para instalación de equipos de generación renovable o aumentar la eficiencia energética de una compañía. En lo que a energía eólica se refiere, esta compañía ofrece un portafolio muy amplio de productos y servicios que van desde asesoría técnica y mantenimiento hasta diseño, planeación, Project Finance, ejecución y operación de parques eólicos. Dentro de lo más importante que hace Energreencol es el estudio del recurso eólico con torres de medición convencionales generalmente por cinco años para poder pronosticar el comportamiento del recurso a diez años. Sus soluciones incluyen parques eólicos, aerogeneradores nuevos, aerogeneradores reacondicionados y mini aerogeneradores.

11 Dentro de las soluciones solares se inicia con el proceso de medición que se puede realizar en un año dependiendo de la zona, se tiene el servicio de instalación de paneles solares fotovoltaicos, venta e instalación de kits solares fotovoltaicos, equipos solares térmicos, principalmente para calefacción de agua y cocción de alimentos y estaciones solares de bombeo principalmente para la agricultura. Una de las soluciones más populares de la compañía en cuanto al tema solar es la venta de energía a sus clientes; en este modelo de negocios, la empresa asume la inversión y operación de los paneles y vende al usuario la energía que estos producen a una tasa fija.

Bajo la metodología anterior los usuarios de viviendas pueden tener acceso a unas tarifas eléctricas inferiores a las de las empresas públicas aun en lugares remotos donde el SIN no llega sin preocuparse por grandes inversiones de capital u operación de equipos solares. Finalmente se llega a sus soluciones hidráulicas donde se destacan mini centrales hidroeléctricas y PCH en ambos casos a filo de agua debido a que las pequeñas potencias no justifican la construcción de una presa por muy pequeña que sea. Lo que más llama la atención de esta empresa es la manera en que combina sus soluciones para crear sistemas híbridos específicamente dirigidos a las poblaciones rurales en ZNI (Energreencol, 2016). Antes que cualquier solución de generación Energreencol ofrece un producto que ellos llaman micro-redes que busca funcionar como una red eléctrica local en poblaciones rurales y tiene la capacidad de conectarse a micro-redes de otras poblaciones al igual que funcionar como subestación y conectarse al SIN. Lo que estas micro-redes buscan es la capacidad de crear una red interconectada en paralelo a la expansión del SIN que otorgue estabilidad y confiabilidad a los usuarios que se conecten a esta. Conectada a esta micro-red se encontrarán de un lado los usuarios y del otro los sistemas híbridos de generación ofrecidos por la compañía donde el que más se destaca es el Solar/Eólico/Diesel que permite suministrar la energía consumida en las horas del día a partir de fuentes 100% renovables y en la noche poder complementar el sistema con un generador diesel. Es importe mencionar que en la versión hogareña de este sistema se pueden emplear baterías para almacenar excesos de energía diurna y usarlos en la noche y que el sistema se puede complementar con una fuente hidráulica de contarse con las capacidades geográficas e hídricas (Energreencol, 2016).

Idelect o Ingeniería y Diseño electrónico es una empresa de Bogotá que se dedica principalmente a la medición de radiación solar y potencial eólico a lo largo del país usando torres de medición de última tecnología y se encuentran avalados por el ministerio de minas para proyectar datos futuros a partir de un estudio de dos años. Sus torres pueden ser izadas a la altura que desee el cliente tomando mediciones del viento cada dos metros de altura desde la punta hasta la altura deseada. La torre cuenta con múltiples

12 dispositivos electrónicos como: sensores de viento, piranómetros, sensores de presión, sensores de humedad y temperatura, un sistema de adquisición de datos y un módulo de comunicaciones. Estas estaciones de medición cuentan con suficiente instrumentación que permite a los ingenieros de la empresa realizar aproximaciones del perfil de velocidades a los que va estar expuesto el aerogenerador o paneles solares en su defecto y relacionar los fenómenos climáticos vistos y sensados con las fluctuaciones de las mediciones que permiten construir el modelo predictivo que guiará el diseño de la planta. Sabiendo que generalmente las zonas cercanas a un aerogenerador de gran tamaño se dejan vacías debido a que el ruido que estos producen incomoda a los animales y los fuertes vientos pueden complicar las actividades agrícolas la empresa construye un mapa solar con las mediciones tomadas para verificar la viabilidad de realizar pequeñas granjas solares fotovoltaicas alrededor de los equipos. Lo más importante que hace Idelect en el momento es un proyecto que ellos llaman “Medición eólica y solar en Colombia” en colaboración con el Instituto De Planificación y Promoción De Soluciones Energéticas (IPSE) que llevó a que la compañía ubicara múltiples antenas de medición en distintos sectores rurales del país donde se tienen estimativos de altos potenciales energéticos. Dentro de las zonas de estudio se encuentran: Nazaret, Isla Fuerte, Titumate y Puerto Estrella, cuatro regiones rurales del país no conectadas a al SIN y altamente afectadas por la violencia sobre todo la penúltima en el Chocó. Los estudios siendo realizados permitirán tener el modelo predictivo para el cierre del 2016 lo que permitiría iniciar instalaciones de equipos y operación en inicios del 2017 junto con las primeras acciones del acuerdo de paz (Idelect, 2016).

Colgeólica es una empresa vallecaucana con enfoques similares a Energreencol sin tener un portafolio tan diversificado de productos. La firma caleña se dedica principalmente a la instalación de sistemas solares y eólicos en industrias y hogares tanto pegados de la red como completamente independientes. Esta firma tiene importantes clientes en el departamento dentro de los cuales se encuentran importantes jugadores del sector industrial nacional. Aprovechando su experticia, reconocimiento y éxito la empresa comenzó a expandir sus operaciones a lo largo y ancho del país atrayendo gigantes del sector industrial pero más importante se empezó a vincular con el sector público. Los gerentes de Colgeólica comprendieron que la manera más fácil de popularizar sus productos y servicios con el sector público era vincularse directamente con los mandatarios locales. Partiendo de esta idea se empezó a contactar a los alcaldes y líderes de diferentes municipios que a su vez fueran una ZNI (Colgeolica, 2016). Con la aprobación local se procedió a instalar paneles solares y mini generadores eólicos que permitieran ahorrar combustible durante de las horas del día a aportaran un poco más de estabilidad a la red local. Viendo los beneficios de estos sistemas, pequeños proyectos empezaron a surgir en una alianza público-privada para aumentar la instalación de sistemas renovables de generación de

13 energía en viviendas locales que permitieran generar un ahorro en combustibles fósiles y tener una mayor capacidad instalada para que las familias puedan hacer uso de sus electrodomésticos sin ningún problema (Colgeolica, 2016).

En cuanto a las empresas convencionales tanto públicas como privadas se encuentra una participación despreciable de energías renovables dentro de su canasta de consumo más allá de lo que proporciona la red al ponderarse el efecto de las hidroeléctricas del SIN. El principal hecho que lleva a esto es el estado de implementación de la ley 1715 de 2014 que hasta hace un par de semanas no había aclarado el alcance de la ley, metodología de implementación o beneficios económicos y tributarios. Sin unos parámetros básicos de diseño e implementación las empresas no cuentan con suficiente información para diseñar, comprar e implementar sistemas de generación renovable. Una de las principales zonas oscuras de la ley era la implementación y reglamentación de los contadores eléctricos de doble vía, ya que como la gran mayoría de las personas sabe, el principal problema que presenta la generación solar y eólica es su confiabilidad.

Las fluctuaciones de radiación solar y velocidad del viento pueden ser bastante grandes dependiendo de la ubicación geográfica al interior de Colombia, época del año y si el país se encuentra bajo el efecto de algún fenómeno climático como “El Niño” o “La Niña”. Para atenuar el efecto de dichas condiciones estocásticas se debe tener en cuenta el límite inferior de las condiciones que se esperan de tal manera que la potencia generada supla las necesidades en condiciones desfavorables mediante la realización de un estudio de disponibilidad del recurso de generación. Para complementar dicho estudio se debe tener en cuenta el artículo 2.2.3. de la ley 1715 y el decreto 2143 de 2015 (UPME, 2016), que permite cuantificar la deducción de impuestos según la renta líquida del contribuyente y el valor de la inversión, para lograr el mayor beneficio tributario sin que el máximo valor deducible difiera de la deducción real (deducible es mayor al 50% de la renta líquida). Al garantizar que la deducción de impuestos se maximizará se tendrán dos principales alternativas, que la capacidad instalada no sea capaz de suplir las necesidades energéticas de la planta o que excédanlos requerimientos. La primera alternativa no presenta ningún inconveniente dado que la empresa tendrá que consumir la energía que le hace falta de la red logrando así una disminución en la factura eléctrica de acuerdo con la porción de cogeneración.

El según escenario resulta de mayor importancia ya que la planta de generación es capaz de exceder las necesidades energéticas de la empresa. Esta situación lleva a una producción en exceso de energía que no puede ser aprovechada por la empresa lo que indica una subutilización de los activos vista como un incremento en el precio del kWh consumido dado que se realizó una inversión superior a las

14 necesidades de la planta. Para esto se tiene pensada la instalación y utilización de contadores de energía eléctrica de doble vía. El objetivo de la medida es que tanto las personas como empresas que generen más energía de la que usan puedan vender dicho exceso a la red de manera instantánea lo que puede ser visto como un abono para momentos de consumo donde se requiera potencia de la red o un saldo a favor del usuario al haber generado más de lo consumido. Sin esta posibilidad, la cogeneración carece de un fundamento que proporciona a los posibles inversionistas con cierto grado de seguridad que permite tener un retorno adecuado sobre la inversión.

3.3. En la Comunidad

Actualmente el trabajo comunitario realizado para aumentar la cobertura eléctrica en zonas rurales es insuficiente cuando se tiene en cuenta el gran porcentaje de habitantes sin acceso al recurso. Por pocos que sean, se están logrando ciertos avances desde el lado comunitario para mejorar la situación energética rural, dentro de los cuales cabe resaltar el voluntariado eléctrico de la CVC (Corporación autónoma del valle del Cauca) que en los últimos años han adquirido un papel sorprendente dentro del desarrollo eléctrico del departamento. Hace poco más de quince años, este grupo compuesto principalmente por jóvenes emprendieron una aventura que tenía como meta mejorar la calidad de vida de un gran número de vallecaucanos que no se encontraban conectados al SIN. Valiéndose de su esfuerzo y perseverancia contactaron un sinnúmero de veces a los representantes de USAID (Agencia estadounidense para el desarrollo internacional) en Colombia buscando su respaldo para los múltiples proyectos que pensaban desarrollar (USAID, 2014). Finalmente obtuvieron una respuesta positiva por parte de la entidad norteamericana a principios del 2003 y procedieron a poner sus planes en marcha. Los primeros proyectos se basaban en instalar paneles solares y pequeñas turbinas hidráulicas para proporcionar electricidad en hogares, escuelas y talleres alejados de la cabecera municipal y desarrollar las distintas localidades. Los proyectos tuvieron un impacto sorprendente al ver que los niños estaban terminando sus estudias y algunos de ellos ingresaban a entidades de educación continuada, los talleres fueron creciendo convirtiendo algunos en pequeñas empresas con un par de decenas de empleados y los problemas respiratorios en menores comenzaron a desaparecer.

Viendo el gran impacto logrado por los primeros proyectos, el valle del cauca se convirtió en la ubicación principal de USAID para proyectos energéticos ayudando a más de dos mil quinientos habitantes en los primeros ocho años (Walton, Spinard, & Torres, 2014). Mediante las operaciones fueron creciendo se empezaron a sumar más participantes dentro de los cuales se encontraba EPSA (Empresas energéticas del Pacífico S.A.) que no solo proporcionaría importantes recursos económicos sino también técnicos dado

15 que contaba con información de las comunidades que mayores necesidades energéticas tenían en el momento. Al analizar los ejemplares más críticos de la muestra se identificaron un par de veredas cercanas a Buenaventura. Inicialmente cada una tenía alrededor de cuarenta habitantes en el momento de la instalación de los paneles solares y turbina hidráulica que proporcionarían con electricidad a sus habitantes. Un año después de haberse instalado los equipos, se logró medir el número de beneficiados en 187 habitantes visto como un crecimiento de la población a más del doble con una introducción de nuevas actividades y sistemas económicos (Gobernación del Valle del Cauca, 2015). Asombrados por el gran impacto logrado, los voluntarios junto con los representantes de USAID empezaron a buscar una manera de mostrar al país las virtudes de los sistemas renovables de energía.

Esta oportunidad se materializó en el 2014 cuando el departamento de energía de los estados unidos seleccionó a Cali como la parada de Latinoamérica y el Caribe para el Solar Decathlon del 2015. Esta competencia traería a la capital del Valle las mejores universidades de la región en busca de la misma meta: La construcción de una casa habitable 100% solar que incluya una ejecución económica desde el punto de vista arquitectónico e ingenieril. Cada uno de los proyectos fabricados para esta competencia sería capaz de funcionar como una vivienda rural autosuficiente en las horas del día. El evento fue un éxito total a contar con 20 equipos de 20-25 personas cada uno y cada uno fue capaz de fabricar una solución de manera satisfactoria. El evento se desarrolló de tal manera que los medios, empresas y participantes internacionales quedaron sorprendidos con los resultados y ejecución de la competencia. El asombro fue a tal grado que los jueces norteamericanos dijeron nunca haber visto algo así por lo que la versión 2017 se llevará a cabo en la misma ciudad con nuevos retos sumados a las metas anteriores: La construcción de una casa habitable que genere el 100% de la energía que consume durante el día a partir de paneles solares, tenga su propia planta de tratamiento de agua y pueda ser vendida como una solución a posibles inversionistas. El presupuesto se incrementó de $50,000 a $65,000 USD por equipo, pero por primera vez se darán premios en efectivo a los ganadores iniciando con $100,000 USD para cada equipo que sea capaz de ejecutar su proyecto llegando a una vivienda funcional hasta $300,000 USD para el ganador de la competencia (Solar Decathlon, 2016).

Continuando con los esfuerzos comunitarios se debe mencionar el Centro Experimental las Gaviotas con centro de operaciones en Bogotá. Este centro se dedica principalmente a la venta de turbinas eólicas para el bombeo de agua, calentadores solares, bombas hidráulicas de ariete y bombas manuales de agua. Las ventas de los equipos se han dado por todo Colombia, aunque la gran mayoría de los productos se encuentran instalados en los llanos orientales. Los calentadores de agua solares de tipo

16 gaviotas fueron muy populares en Medellín en la urbanización Villa Nueva proporcionando agua caliente a 958 apartamentos y posteriormente en Ciudad Tunal, Bogotá, donde se instalaron más de 5000 unidades siendo esta la instalación de calefacción solar residencial más grande del mundo. Mientras en el centro se continuaba investigando y desarrollando nuevos productos para la venta, se creaba la Fundación Centro Experimental las Gaviotas que posteriormente absorbería las operaciones convencionales y quedaría todo bajo el mismo nombre. Mientras se continuaban desarrollando los equipos de venta, el dueño Paolo Lugari empezaba a idear y diseñar soluciones energéticas ambientalmente amigables para ubicaciones aisladas. Dentro de las principales invenciones se destacan: Un hervidor solar capaz de suministrar agua potable a una familia usando únicamente la radiación solar, bombas de agua operadas por molinos de viento, una cocina solar que usa aceite de algodón y múltiples aislantes que permite cocinar aun entrada la noche, adaptación de bomba de agua manual para funcionar en los soportes de un sube y baja de 2 o cuatro puestos y micro turbinas hidráulicas axiales que permiten la generación de energía eléctrica con pequeñas caídas (Fundación Centro Experimental Las Gaviotas, 2016).

Resulta claro que las soluciones propuestas por el centro buscaban solucionar problemas a los que únicamente se ven expuestos los habitantes de las regiones rurales del país, bastante alejados de la cabecera municipal y con un suministro eléctrico muy bajo o inexistente. La idea principal del centro seguía siendo vender los equipos con el fin de pagar los sueldos de los empleados, pero con los excedentes de efectivo se empezarían a financiar donaciones y obras de interés social. Al conocer a sus principales clientes en la región Orinoquía, se pudo evidenciar de manera directa las difíciles condiciones que afrontaban algunos habitantes de la región lo que llevó a un interés aún mayor en ayudar a los perjudicados. Con fondos propios, externos y de los municipios a ayudar la fundación empezó a instalar sus equipos en poblaciones no solo muy alejadas de ciudades principales sino con una calidad de vida baja solucionable con los productos que ellos fabricaban. Con la ayuda de bombas tipo sube y baja se podía presentar una solución en una comunidad que trajera entretenimiento a los niños mientras su dicha se podía aprovechar para el abastecimiento hídrico que posteriormente podía ser tratada con hervidores solares. Donde el viento es bastante abundante se puede reemplazar o complementar las bombas manuales con los molinos de viento y continuar el acondicionamiento del recurso con la radiación solar. Al 2012 se han instalado más de 5,000 molinos de viento, 15,000 bombas manuales y de balancín y más de 1,000 hervidores de agua en el país enfocándose en las ubicaciones más alejadas y necesitadas. La Fundación logró demostrar con sus acciones e invenciones que la solución no siempre es la generación de energía eléctrica, sino que se pueden usar los recursos naturales y disponibles para realizar actividades

17 que en una situación convencional necesitaría electricidad (Fundación Centro Experimental Las Gaviotas, 2016).

3.4. En el Gobierno

Actualmente existe un plan diseñado por la UPME que busca suministrar energía eléctrica a las regiones que actualmente no cuentan con el recurso. Para realizar la valoración del proyecto se usa un diagrama de flujo estándar que aplica para todos los casos. El modelo de aprobación s bastante complejo, pero se puede resumir en lo siguiente:

1. Una población se debe definir como parte de la cabecera municipal, un corregimiento, un caserío o población bajo inspección. En las primeras tres definiciones se considera una posible conexión para el suministro eléctrico. En el último caso, la población debe ser inspeccionada para ver en que categoría se clasificará para poder incluirlos dentro del plan de conexión.

2. Se establecen las entradas del modelo de valuación como oferta y demanda para evaluar los pasos a seguir. La demanda se modela como en número de viviendas sin conexión en el lugar ya que permite dimensionar cuantos hogares necesitaran del recurso en la zona de estudio. La oferta se ve como las subestaciones de plantas diesel cercanas a la población.

3. Se definen las restricciones del modelo que incluyen limitaciones geográficas disponibilidad de agua, estar ubicado dentro de un parque natural o reserva, el terreno tanto en el sitio como en sus alrededores y finalmente la infraestructura vial en los alrededores del lugar para llevar maquinaria, materiales y equipos. Posteriormente entran restricciones técnicas donde se ve la distancia que hay a la torre más cercana del sistema interconectado nacional, se valida la posibilidad de instalar generadores diesel en la zona, red de conexión local para diseñar una central de distribución local, etc. Finalmente se incorporan las restricciones económicas donde se analiza la disponibilidad de recursos provenientes de los distintos fondos enfocados a ampliar la cobertura eléctrica del país.

4. Se procede a recorrer el diagrama dependiendo de las características específicas de la población con la que se trata para llegar a una posible solución. A lo largo del proceso se usan distintos indicadores de rendimiento y figuras de mérito con el fin de transitar el diagrama de la manera más adecuada. Una vez se cuenta con toda la información se llega a una de las posibles soluciones.

5. Se llega a un resultado del proceso donde la población puede verse en alguna de estas situaciones: 5.1. La población se encuentra lo suficientemente cerca de una subestación eléctrica y cuenta con la población

necesaria para que la conexión se deba hacer bajo una inversión del operador de red y se cumplen las metas de cobertura.

18 5.2. La población se encuentra a una distancia donde se puede realizar una interconexión a la red, pero no

tiene la población necesaria para que sea responsabilidad del operador de red.

5.2.1. La población es lo suficientemente grande para que los costos de distribución no representen una gran porción del costo energético por lo que se incorpora un sobrecosto en la tarifa y el MinMinas queda con la protestad de realizar la conexión y entregar los clientes al operador de red y se cumple la meta de cobertura.

5.2.2. El porcentaje de distribución representaría un sobrecosto significativo en el costo de energía por lo que se debe recurrir a financiación adicional del Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas Rurales Interconectadas (FAER) para realizar una redistribución de los recursos e instalar una central regional que permita la interconexión de múltiples poblaciones. Se logra la meta de cobertura de múltiples poblaciones con fondos extraoficiales.

5.3. La población no puede ser conectada a la red eléctrica nacional.

5.3.1. La población se encuentra a menos de un kilómetro de una planta de generación autógena y se puede proceder realizar la conexión mediante un préstamo de capital del Fondo de Apoyo Financiero para la Energización de las Zonas No Interconectadas (FAZNI).

5.3.2. La población no puede conectarse a una planta generadora por lo que se recurre al FANZI para obtener recursos y proporcionar electricidad.

Los resultados anteriores se pueden dividir en dos grupos. El primero es el que permite conectar a los futuros usuarios al sistema interconectado nacional y su consumo energético provendrá de las distintas fuentes de generación nacionales. El segundo grupo y posiblemente el más importante para este estudio contiene a las poblaciones rurales que deben obtener su energía a partir de fuentes autógenas u Off-Grid. Este grupo usa principalmente generadores conectados a motores de combustión interna que usan diesel, gas natural o GLP donde las últimas dos fuentes han adquirido especial importancia en los últimos años viendo que son consideradas fuentes no convencionales de generación de energía y están sujetas a ahorros tributarios y demás beneficios financieros. No obstante, aunque el plan de incremento de cobertura eléctrica no ataca el problema esencial que radica en sistemas tradicionales de generación de energía a base de combustibles fósiles para suplir las necesidades rurales. A parte de financiar e instalar sistemas de fuentes no renovables, el actual modelo de evaluación de viabilidad se enfoca en la posible interconexión debido a los grandes costos de los equipos, lamentablemente no contempla las pequeñas que permanecen privadas de un recurso tan indispensable como la electricidad (UPME, 2015).

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Gráfica 1. Proceso validación para instalación eléctrica (UPME, 2015).

Al referirse a la Tabla 1 se puede ver que en el 2012 la cobertura eléctrica a nivel nacional era de 96.1% que al compararse con el 90.2% del 2003 demuestra un incremento de casi 600 puntos base en nueve años sin tener en cuenta el crecimiento de la población (UPME, 2003). Lamentablemente, el crecimiento de la población no se ve correctamente reflejado en las estadísticas presentados por el gobierno nacional dado que los porcentajes son vistos como familias conectadas. Al analizar los datos presentados por el DANE, se puede ver que la familia promedio dentro del casco urbano es de 3.8 miembros por vivienda, mientras que en las zonas rurales asciende a un valor de 6.2 personas por

20 vivienda. Lo anterior demuestra que el índice de cobertura de energía nacional desprecia la tendencia que vive el país de tener familias muy numerosas en los sectores alejados de las cabezas municipales al reconocer que una casa de seis miembros sin energía sea igual a una de cuatro. Finalmente, lo que termina sucediendo es que las familias numerosas de las áreas urbanas del país se ven ignoradas de manera parcial al ser ponderadas con igual peso que una de dos individuos en la cabecera municipal.

A parte de esto resulta claro que el mayor esfuerzo entablado por parte del gobierno es la evolución del proyecto que fomenta las energías renovables y las fuentes no convencionales de generación. A lo largo de diez años, cuatro periodos presidenciales y más de seis ministros de minas y energía el proyecto que empezó con una definición como fuente no convencional de energía ha ido evolucionando hasta convertirse en una ley y tener su propia guía de inversión que busca reestablecer la seguridad financiera nacional para diferentes jugadores. Intentar explicar a profundidad las bases y alcance de la ley 1715 de 2014 es un proyecto que ni siquiera el estado ha logrado en su totalidad a lo largo de los dos años de vigencia de la misma lo que indica que pretender hacerlo en este documento sería más que absurdo. Lo que si es relevante para este estudio son los beneficios tributarios e incentivos económicos puestos en marcha que buscan acelerar el proceso de compra, instalación y operación de equipos de generación novedosos y de fuentes renovables o no convencionales. Estos beneficios serán tratados más adelante en detalle para poder comprender de manera correcta su alcance y beneficio.

4.

Energías Renovables como Solución

Como se ha evidenciado a lo largo del trabajo, la solución que se planteará para la falta de cobertura eléctrica se hará desde las energías renovables debido a sus múltiples ventajas a ser expuestas a continuación. Debido a las condiciones generales del país se presentarán tres alternativas para la generación de energía eléctrica: Solar Fotovoltaica, Eólica e Hidroeléctrica. La primera solución se selecciona debido a la ubicación del país lo que presenta múltiples ventajas tanto geográficas como climáticas a ser presentadas más adelante. Para la segunda alternativa se parte del hecho que Colombia es de los pocos países del mundo que cuentan no solo con dos frentes costeros, sino que cuenta con múltiples zonas de vientos categoría VII a lo largo del año, conceptos a ser profundizados más adelante. Finalmente, la generación hidroeléctrica tiene un papel gigante en el país hace varias décadas debido a la gran riqueza hídrica que se presenta en el territorio nacional combinado con una geografía muy quebrada que permite tener grandes caídas en distancias muy cortas. A lo anterior se debe sumar que en los últimos años se han inaugurado un sinnúmero de proyectos hidroeléctricos de pequeño

21 tamaño que han llevado a que esto se convierta en una gran industria. Dicha popularidad ha llevado a que el ministerio de minas y energía remueva las PCH´s de la lista de fuentes no convencionales de energía e inclusive se está pensado regular el sector levemente para permitir una competencia justa entre los distintos jugadores. Debido a estos factores, estas plantas aún se consideran como potenciales soluciones a la problemática, pero el hecho de que exista una industria formal y bien establecida alrededor de esta metodología ha llevado a disminuir su presencia en este documento. De manera complementaria, aún existe un sinnúmero de avances en los otros dos campos que llevan a que estas tecnologías sigan en estado temprano con mucho camino por recorrer y un panorama muy interesante a futuro (NREL, 2016).

4.1. Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica existe hace varias décadas tal y como la conocemos ahora. Los paneles contienen en su interior arreglos de celdas electrónicas que usan la radiación solar para iniciar el movimiento de los electrones con cierto voltaje y corriente dependiendo de la energía incidente. En los últimos años la creciente popularidad de la energía fotovoltaica ha llevado a una caída constante en el precio de los equipos gracias a la masificación en producción, alta demanda y gran competencia entre los fabricantes para destacarse ante los compradores. Gran parte de la fuerza que ha adquirido esta metodología de producción de energía eléctrica viene de un elemento fundamental y es que la radiación solar es gratis, les llega a todos los habitantes de la tierra y no se espera que se acabe en los próximos miles de milenios sumado a que aprovecha el espacio que normalmente se desperdicia en el techo de una vivienda y la lluvia que incida sobre estos ayuda a limpiarlos y mantenerlos en óptimas condiciones de operación. Su creciente popularidad ha permitido que las aplicaciones vayan desde unos cuantos centímetros cuadrados para energizar una calculadora hasta gigantescas granjas solares que energice toda una comunidad.

Aunque en el presente existen múltiples tecnologías y modalidades de fabricar las celdas fotovoltaicas, todas se pueden agrupar dentro de tres grupos: vieja tecnología, estándar de mercado y alta tecnología. En el primer grupo se encuentran las modalidades anteriores de fabricar los módulos solares en los que se usaban distintos metales como cadmio y telurio, pero sus bajas eficiencias con respecto al estándar de mercado actual no permiten que sean competitivas en instalaciones de hogar sin embargo pueden ser más económicas de producir y por ello algunas siguen apareciendo en ciertos productos donde la eficiencia no es esencial.

22 En el estándar de mercado se encuentran los paneles fabricados a partir de Silicio en sus tres presentaciones, monocristalino, amorfo y micromorfo. En esta familia se obtienen eficiencias de conversión de energía de 8%-21% dependiendo de la microestructura del material, grosor de las láminas de silicio y demás secretos de cada fabricante. Debido a que esta tecnología ha presentado la mayor trayectoria la investigación sobre esta es bastante extensa de manera que la eficiencia ha ido aumentando con el tiempo mientras los precios caen.

Finalmente se tienen los paneles solares de última tecnología, estos ejemplares son fabricados y probados como parte del programa de investigación y desarrollo tanto de las compañías como de muchas universidades. Los productos tratados en esta categoría no se encuentran disponibles en el mercado. El laboratorio de investigación de energías renovables de los Estados Unidos (NREL) ha venido tabulando el desempeño de todas las tecnologías a lo largo del tiempo como se muestra en la Gráfica 2. Evolución de los Paneles Solares en el Tiempo . El continuo avance en el mundo de los materiales permite comprender las características de los mismos con un mayor grado de profundidad lo que permite darle nuevas aplicaciones a materiales tradicionales. Adicionalmente con la evolución de los procesos de manufactura y procesos de conformado molecular existe la posibilidad de ordenar materiales conocidos en estructuras no esperadas para dicha familia de materiales (NREL, 2016).

Con el aumento de la eficiencia de los paneles, las nuevas tecnologías llegan a un estado de madurez y las que son viables para ser el nuevo estándar de mercado se pueden masificar de tal manera que los precios disminuyan y las opciones más novedosas adquieran una mayor participación de mercado. Mientras los avances tecnológicos se dan con los paneles, los fabricantes dedican parte de sus recursos a mejorar los soportes sobre los que se montan los mismos para facilitar su instalación. En paralelo, los fabricantes de equipos electrónicos como inverters realizan el mismo proceso de investigación y desarrollo que permiten tener eficiencias más altas, costos de fabricación e instalación más bajos para atraer nuevos clientes.

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24 La evolución de los precios de los equipos y sus distintos costos asociados se presenta a continuación:

Gráfica 3. Evolución de los precios de montajes Fotovoltaicos (NREL, 2016)

La gráfica anterior logra mostrar los avances que se han logrado en el mundo de las instalaciones solares fotovoltaicas. La evolución de los precios ejemplifica los beneficios que esta solución puede traer a una vivienda o comunidad. Las mediciones necesarias para validar la viabilidad de un proyecto fotovoltaico son más sencillas que las que se necesitan en un proyecto eólico dado que la radiación solar tiene fluctuaciones menores con las variaciones de altura que la velocidad del viento. Las medidas tomadas por las estaciones de monitoreo climático del IDEAM resultan ser pobres para cuestiones de potencial eólico debido a su cercanía al suelo, grandes grados de interferencia con sus alrededores y un único punto de muestreo por torre. De manera contraria, estas mediciones permiten aproximar el potencial solar de la zona ya que los piranómetros encargados de medir la radiación solar de la zona son menos sensibles a variables como la altura de instalación y a menos de que los alrededores proyecten una sombra sobre el sensor, las medidas no se deberían ver afectadas. Con el mapa solar construido por el IDEAM una persona puede obtener una aproximación a la disponibilidad solar en una zona para efectos de un estudio de pre-factibilidad y posteriormente se puede realizar una medición in-situ para verificar las medidas (MinMinas, 2010). Una vez validado el potencial solar local se puede dimensionar el arreglo necesario para suplir los requerimientos energéticos de la casa.

25 Una vez instalados los paneles las labores de mantenimiento son prácticamente nulas ya que la lluvia es capaz de limpiar los paneles de manera general y una limpieza detallada de vez en cuando acompañada de una revisión de tornillería y montaje. Es a partir de este momento que se comienzan a ver las dificultades que vienen con una instalación solar. La principal es el horario de generación ya que el 90% de la energía se genera entre las seis de la mañana y las seis de la tarde lo que no permite una correcta distribución de la energía a lo largo de la franja horaria restante. Para solucionar esta problemática existen dos alternativas principales. La primera y más adecuada es usar un sistema “Grid-Tied” o pegado a la red donde en la franja diurna se aprovecha la energía generada para el hogar, el excedente puede ser vendido a la red con la ayuda de contadores de doble vía y durante la noche se puede usar la red para suplir las necesidades de la vivienda. Lastimosamente para efectos de este trabajo se requiere que las viviendas de estudio no se encuentren conectadas a la red visto como un escenario únicamente de generación y no cogeneración. Para esta situación se deben considerar dos posibilidades: La primera se basa en que los paneles generen de manera plena mientras la radiación solar lo permite y cuando estos no son capaces de suplir la demanda se usa un generador diesel, de gas natural o GLP para cubrir el déficit. La segunda alternativa es la instalación de bancos de baterías sean de plomo-ácido o litio para almacenar el excedente producido durante el día y usarlo en las horas de la noche. En general las dos alternativas se deben ponderar por precio para decidir cuál es más apropiada para cada escenario usando la métrica de costo normalizado de energía. Esta medida de desempeño únicamente cuantifica el costo energético esperado del montaje sin tener en cuenta los posibles impactos ambientales de cada alternativa. Dicho estudio se realizará más adelante en el estudio.

4.2. Eólica

La energía del viento ha sido aprovechada por los seres humanos desde hace cientos de años para aplicaciones que van desde batir banderas hasta hacer navegar grandes embarcaciones. Con el pasar del tiempo, una gran variedad de rotores empieza a aparecer con el fin de transformar la energía cinética del viento en energía mecánica para potenciar maquinaria como bombas de agua, molinos de grano, entre otros. Entrando a los ochentas y con la energía eléctrica en su auge, algunas compañías europeas, lideradas por los daneses, empezaron a fabricar generadores eólicos capaces de transformar la energía del viento en unos cuantos kilovatios eléctricos. El uso de estos equipos en zonas rurales o costeras fueron tendiendo el camino para los desarrollos futuros que culminan con los generadores modernos.

Dado que la gran mayoría de los equipos para generación en mediana y gran escala requieren altas velocidades de viento, su diseño parte de la implementación de un eje horizontal que permite tener

26 rotores de gran diámetro orientados de manera perpendicular al flujo del viento. Sin embargo, para aplicaciones de menor potencia existen los equipos eólicos de eje vertical que en situaciones de bajas velocidades de viento logran operar generando unos cuantos kilovatios de potencia. Aunque recientemente se han realizado múltiples proyectos que buscan estudiar este tipo de aerogeneradores a gran escala, no se han obtenido resultados concluyentes. Lo que sí es claro es que el desempeño de los equipos se encuentra no solo depende de la velocidad esperada del viento sino también de la manera en que se distribuye dicho régimen eólico.

Para la aplicación planteada se pueden emplear equipos de ambas familias una vez realizado el estudio del recurso eólico disponible ya que la distribución de velocidad determinará el tipo de aerogenerador a instalar si es que este resulta ser viable.

Para realizar dicho estudio, el ministerio de minas y energía tiene dos prácticas aceptadas que se deben cumplir para la instalación de parques eólicos de mediana y gran escala. La primera es realizar una medición directa del recurso disponible por un periodo de diez años lo que garantiza que se conoce de manera completa el comportamiento del mismo y se puede aproximar su comportamiento en un futuro basado en las variaciones observadas. La teoría detrás de esta metodología supone que en un periodo tan extenso de tiempo se deberían poder observar los distintos fenómenos climáticos que afectan el comportamiento estable del recurso y saber con un alto grado de certeza el comportamiento que se puede esperar del viento tanto de manera anual como de manera mensual.

De manera complementaria existe la forma alterna de medición del recurso eólico que requiere torres de medición un poco más tecnificadas, pero solo se hace por un periodo de dos años. Con la ayuda de torres de medición que tienen sensores a lo largo de su altura se pueden recolectar datos de velocidad del viento, presión atmosférica, humedad, temperatura y dirección del viento. Todos estos datos son registrados por el sistema de adquisición de manera discreta, tendiendo a continua cuando se presenta una gran volatilidad en los datos. Con todos estos datos se puede relacionar el desempeño del viento con las diferentes variables que indican eventualidades climáticas. A partir de estas relaciones resulta posible obtener el comportamiento del viento esperado para los dos años con sus correspondientes eventualidades y usarlos como entradas en un modelo probabilístico. En dicho procedimiento se ajusta el comportamiento a una distribución de tipo Weibull obteniendo dos parámetros como salidas: la velocidad característica o parámetro de escala y el módulo de Weibull o parámetro de forma. El primero refleja el comportamiento de los datos y sugiere una velocidad proporcional a la media observada en los datos obtenidos y sugiere la altura o escala como su nombre lo dice que se espera de la distribución. El

27 parámetro de forma identifica el comportamiento del viento y la manera en que las diferentes velocidades presentan sus frecuencias de ocurrencia. Módulos de Weibull inferiores a 2.5 sugieren un comportamiento de alta densidad de probabilidad por debajo de la velocidad característica, distribuciones con K entre 2.5 y 4.5 se logra obtener un comportamiento bastante centrado con respecto a la velocidad característica donde se destaca el 3.5 por ser muy similar a una distribución normal. Finalmente, factores superiores a 4.5 indican distribuciones orientadas a velocidades esperadas mayores a la característica y no suelen ser muy usuales.

Habiendo caracterizado de manera completa el recurso disponible se puede proceder a hacer la selección de los equipos. Para esto siempre se debe contar con el régimen eólico esperado dado que las velocidades de operación de los equipos dependen de ello y el uso seguro de los mismos depende las velocidades máximas que puedan darse en un momento. Con el régimen esperado se puede seleccionar un equipo que pueda operar a potencia nominal en la gran mayoría del tiempo con el fin de tener altos factores de planta y sacar el máximo provecho a la capacidad instalada. De igual forma se debe tener en cuenta las probabilidades que existen de tener vientos fuera de lo común dado que a ciertas velocidades los equipos dejaran de generar para protegerse a ellos mismos o dejaran de existir. Los diferentes sistemas de control de los equipos buscan proteger el suministro de energía y la unidad en todo momento. Es por lo que al percibir fuertes vientos capaces de llevar al rotor a girar a velocidades sorprendentes los elementos de control se activan para frenar el equipo y detener su generación; de no ser así, las altas velocidades angulares sumadas con un perfil de velocidad no uniformen introduce un desbalanceo dinámico al equipo lo que puede llevar a su destrucción. Debido a esto se deben tener garantías de que el equipo a ser instalado se encuentre en capacidades de soportar todos los vientos tanto medidos como predichos por el modelo.

Los sistemas eólicos no siempre deben ser usados para generación de energía eléctrica dado que el objetivo del rotor es convertir la energía del viento en energía mecánica en el eje. Esta energía puede ser aprovechada para múltiples usos donde se destaca la molienda de granos, bombeo de agua y en los últimos años la generación energética ha adquirido un papel dominante. Este último ejemplo ha crecido significativamente debido a que los fabricantes han aprovechado el hecho de que los grandes aerogeneradores pueden ser conectados a la red para suministrar energía de manera libre de combustibles o contaminación. Debido a las altas eficiencias logradas por estos equipos de gran tamaño, la investigación y disponibilidad de productos más compactos ha ido disminuyendo. A este hecho se debe adicionar que en la gran mayoría de países que se busca comprar aerogeneradores, la electrificación de

28 poblaciones rurales no es el objetivo de la inversión por lo que la complejidad de los mismos tiende a aumentar y su capacidad de operar en una población alejada se ve imposibilitada.

Para poder solucionar los problemas que se presentan en las poblaciones rurales de interés se debe considerar que la mayoría de los equipos disponible en el mercado no serán los indicados para proveer el servicio requerido. Como se discutió, las potencias disponibles y niveles de tecnología requerida superan ampliamente las condiciones que se discuten. Los equipos más indicados para suplir las necesidades deben oscilar entre los diez y cuarenta metros de alto con rotores entre cinco y veinte metros de diámetro, equipos con tecnologías inferiores al estándar de mercado, pero con un panorama que sugiere una caída de precios a lo largo de los próximos años (NREL, 2016). Con estas dimensiones se puede adaptar un generador al equipo o unidades de bombeo que permitan suplir las necesidades de la población. Debido al enfoque de este estudio, en los ejemplos presentados más adelante solo se enfocará en las capacidades de generación de estos equipos.

5. ¿Qué se Necesita Hacer?

En esta sección se busca proponer ciertas iniciativas basadas en el trabajo realizado en el capítulo 3 junto con propuestas y directrices de demás países que se ajusten directamente al escenario colombiano o se requieran ciertas modificaciones para ser implementadas. Inicialmente se busca atacar las falencias de lo que actualmente se está haciendo o complementar las estrategias exitosas. Adicionalmente se estudiarán diferentes políticas o programas internacionales diseñados para atacar problemáticas similares a las locales y aumentar la efectividad de las existentes. Finalmente se estudiará la posibilidad de proponer nuevas medidas que alteren, complementen o reemplacen las existentes para maximizar el impacto sobre la cobertura rural colombiana.

5.1. En la Academia

A partir de los trabajos analizados en la sección 3.1 queda claro que actualmente existen múltiples esfuerzos por parte de la academia para entender la problemática que afronta el país. Los problemas expuestos a lo largo de la revista de ingeniería de la Universidad de los Andes en su edición número 44 son atacados desde una visión integral de la ingeniería donde sus distintas ramificaciones se unen para proponer distintas soluciones que permitan interactuar entre sí para el bien común. En este caso se puede ver como la ingeniería civil provee diferentes propuestas para el desarrollo de infraestructura vial (Sánchez, 2016) a las poblaciones alejadas de la cabecera municipal lo que lleva a un desarrollo económico y en conjunto con las propuestas de la ingeniería mecánica proporciona las vías de acceso necesarias para