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ENERGÍA FOTOVOLTAICA
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DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO PARA LA ISLA DE BOQUERÓN (GOLFO DE MORROSQUILLO)
JOSÉ MIGUEL HERNÁNDEZ ARANGO
DAVID FERNANDO DUQUE LÓPEZ
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA
INGENIERÍA AMBIENTAL ENVIGADO
2009
DISEÑO DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO PARA LA ISLA DE BOQUERÓN (GOLFO DE MORROSQUILLO)
JOSÉ MIGUEL HERNÁNDEZ ARANGO
DAVID FERNANDO DUQUE LÓPEZ
Trabajo de grado para optar al título de
Ingeniería ambiental
Santiago Jaramillo Jaramillo
Director de ingeniería ambiental
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA
INGENIERÍA AMBIENTAL ENVIGADO
2009
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 13
1. PRELIMINARES ....................................................................................................... 15
1.1 Planteamiento del problema .............................................................................. 15
1.1.1 Delimitación ................................................................................................ 18
1.2 Objetivos del proyecto ....................................................................................... 18
1.2.1 Objetivo General ......................................................................................... 18
1.2.2 Objetivos Específicos .................................................................................. 18
1.3 Marco teórico ..................................................................................................... 18
1.3.1 Contexto energético mundial ...................................................................... 18
1.3.2 Reseña histórica ......................................................................................... 20
1.3.3 Sistema de energía solar fotovoltaica ......................................................... 25
1.3.4 Ventajas e inconvenientes de los sistemas solares fotovoltaicos ................ 32
1.3.5 Aspectos ambientales de los combustibles fósiles ...................................... 35
2. METODOLOGÍA DEL PROYECTO ........................................................................... 38
2.1 Determinación de las cargas que debe atender el sistema ................................ 38
2.2 Recurso solar disponible en el lugar .................................................................. 42
2.3 Herramientas informáticas utilizadas .................................................................. 45
2.3.1 Diseño del sistema y descripción general del HOMER ............................... 45
2.3.2 Descripción General del Retscreen ............................................................. 53
3. DESARROLLO DEL PROYECTO ............................................................................. 67
3.1 Resultados DEL DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA .................................... 67
3.1.1 Componentes del sistema ........................................................................... 67
3.1.2 Descripción y funcionamiento del sistema .................................................. 70
3.2 Identificación del lugar más adecuado para la localización del proyecto ............ 73
3.3 Consideraciones ambientales ............................................................................ 75
3.4 Análisis de costos .............................................................................................. 77
3.5 Análisis financiero .............................................................................................. 79
3.6 Análisis de emisiones ........................................................................................ 85
3.7 Aspectos legales ................................................................................................ 88
4. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 91
5. RECOMENDACIONES ............................................................................................. 94
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 95
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Equipos necesarios según la poblaciónAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 38
Tabla 2. Horas de uso de cada uno de los equipos según la poblaciónAAAAAAAA 39
Tabla 3. Estandarización de los equiposAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 40
Tabla 4. Potencias y consumos de las cargas establecidasAAAAAAAAAAAAA 41
Tabla 5. Rendimiento calórico del generador del caso baseAAAAAAAAAAAA... 58
Tabla 6. Rendimiento calórico del generador del sistema híbridoAAAAAAAAAA.. 64
Tabla 7. Incremento porcentual en precios de los combustiblesAAAAAAAAAAA 81
Tabla 8. Equivalencia de reducción de emisiones con respecto a otros parámetrosA..... 87
Tabla 9. Equivalencia de reducción de emisiones con respecto a otros parámetros durante
la vida del proyectoAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 87
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Mapa de la zona (López y Díaz, 2000)AAAAAAAAAAAAAAAAA... 15
Figura 2. Vista del Archipiélago de San Bernardo. Google EarthTMAAAAAAAAAA16
Figura 3. Vista de La Isla de Boquerón. Google EarthTMAAAAAAAAAAAAAA.. 17
Figura 4. Diagrama de un sistema solar fotovoltaicoAAAAAAAAAAAAAAAA 27
Figura 5. Estación Meteorológica IDEAMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA43
Figura 6. Mapa de radiación solar en Colombia. Promedio multianual (upme, 2005)AA. 44
Figura 7. Componentes del sistema que analizará el HOMERAAAAAAAAAAA... 46
Figura 8. Radiación solarAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA... 47
Figura 9. Curva de distribución de cargasAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 48
Figura 10. Información de los panelesAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.49
Figura 11. Información de las bateríasAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 50
Figura 12. Información del generador a gasolinaAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 51
Figura 13. Información del inversorAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 51
Figura 14. Información del combustibleAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA...52
Figura 15. Sistema que considerará el HOMER en las modelacionesAAAAAAAA.. 53
Figura 16. Resultado de la modelaciónAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA... 53
Figura 17. Información del proyectoAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 55
Figura 18. Sistema eléctrico de potencia del caso baseAAAAAAAAAAAAAA.. 57
Figura 19. Especificaciones del generador para el caso baseAAAAAAAAAAAA 59
Figura 20. Características de la cargaAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 60
Figura 21. Sistema eléctrico de potencia del caso propuestoAAAAAAAAAAAA. 61
Figura 22. Sistema eléctrico de potencia de cargaAAAAAAAAAAAAAAAAA 63
Figura 23. Especificaciones del generador del sistema híbridoAAAAAAAAAAA.. 64
Figura 24. Paneles solares seleccionadosAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA..67
Figura 25. Controlador de carga seleccionadoAAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 68
Figura 26. Dispositivo controlador de funcionesAAAAAAAAAAAAAAAAAA 68
Figura 27. Inversor/Cargador seleccionadoAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 69
Figura 28. Acumulador seleccionadoAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA...69
Figura 29. Generador para el caso propuestoAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 70
Figura 30. Características eléctricas del sistemaAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 70
Figura 31. Desempeño de los módulos fotovoltaicosAAAAAAAAAAAAAAAA71
Figura 32. Desempeño de las bateríasAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 71
Figura 33. Día típico de funcionamiento del sistemaAAAAAAAAAAAAAAAA.72
Figura 34. Papel del generador en el sistemaAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 73
Figura 35. Lugar para el montaje del sistemaAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 74
Figura 36. Esquema de caseta para equipos de control y generador,
www.afinidadelectrica.com, 2007AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 75
Figura 37. Costos iniciales del proyectoAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 78
Figura 38. Costos anuales, ahorros anuales y costos periódicosAAAAAAAAAA... 79
Figura 39. Resumen de costos del proyectoAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 80
Figura 40. Inflación histórica en Colombia, www.businesscol.com, 2009AAAAAAA. 81
Figura 41.Sistema de información de petróleo y gas colombiano, UPME. Proyección de
precios de los combustiblesAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.. 81
Figura 42. Parámetros financierosAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA83
Figura 43. Flujos de caja anualesAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 83
Figura 44. Flujo de caja acumuladoAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA. 84
Figura 45. Análisis de emisiones caso base y caso propuestoAAAAAAAAAAA... 85
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO 1. Formatos de las encuestas realizadas a la población de la IslaAAAAAA..98
ANEXO 2. Cotización HybrytecAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA100
ANEXO 3. Cotización LAFE Sierra S.AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA.101
ANEXO 4. Sistema de información de petróleo y gas colombiano, UPME. Proyección de precios de los combustiblesAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA102
RESUMEN
La Isla Boquerón está ubicada al norte del Golfo de Morrosquillo, cuenta con 20 viviendas en las que viven igual número de familias (Afro descendientes) que derivan su sustento del turismo y de la pesca. Esta población tiene acceso restringido a la energía eléctrica y anhela tener una fuente de energía fiable con el fin de poder desarrollar proyectos productivos, que sus hijos tengan acceso a la educación de calidad por medio de la tecnología y poder disfrutar de la comodidad y demás ventajas que este tipo de servicio proporciona.
Por ser una zona no interconectada a la red nacional la única forma de brindar el servicio a la población es generar la energía en el lugar, para lograrlo hay varias opciones, desde métodos tradicionales basados en combustibles fósiles, hasta sistemas alternativos que utilizan los recursos naturales disponibles.
Para el desarrollo del proyecto se utilizaron dos software de uso libre: el HOMER (the micropower optimization model, del National Renewable Energy Laboratory de los Estados Unidos) en el cual se hizo la modelación de la parte técnica del sistema y el RETSCREEN (Renewable Energy Tecnology Screen del Departamento de Recursos Naturales del Canadá) que se utilizó para el análisis financiero y de reducción de emisiones.
En el presente trabajo se presentan los resultados de dicha modelación junto con un análisis de las principales ventajas en términos ambientales y económicos del sistema propuesto en comparación con la misma generación a través de una energía tradicional. Se hace también una recopilación de aspectos legales relacionados en el tema de las energías alternativas en el país.
Palabras Clave: Sistema híbrido, Isla Boquerón, reducción de emisiones, sistema fotovoltaico, energía alternativa.
ABSTRACT
Boquerón Island is located at north of the Morrosquillo gulf, there are 20 houses with the same number of families that make their living out of tourism and fishing. These inhabitants have restricted access to electric energy; therefore they long to have trustworthy energy in order to be able to develop productive projects, as well as having access to quality education with technology for their children and being able to enjoy the comfort and all the other advantages that this service provides.
This is a none interconnected zone, for this reason the only way of providing the service to the inhabitants is generating the energy in the island, there are several possible options to make it; from traditional methods based on fossil combustions to alternative systems that uses available natural resources.
For the development of the project two free software were used: the HOMER (the micropower optimization model, of the National Renewable Energy Laboratory of the United States of America) a modulation of the technique part of system was made, and the DETSCREEN ((Renewable Energy Technology Screen of the Natural Resources Department of Canada) was used for the financial and emission reduction analysis.
In this thesis exposes the results of the modelation, also the analysis of the main advantages in environmental and economic terms of the proposed system in comparison to this same generation produced by traditional energy. A compilation of legal aspects related to alternative energy in Colombia is also developed.
Key Words: Hybrid System, Boquerón Island, Emission reduction, Photovoltaic System, Alternative Energy.
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INTRODUCCIÓN
La energía ha sido durante los últimos siglos un soporte importante para todas las actividades productivas, domesticas y comerciales de las comunidades. En consecuencia, ésta es considerada como un componente estratégico dentro de un marco de trabajo para el desarrollo. Sin embargo, este elemento que sirve para brindarle un servicio a la humanidad no es utilizado equitativamente alrededor del mundo ya que aproximadamente dos mil millones de personas carecen de electricidad; y en Colombia esta cifra está alrededor de los 1,14 millones de habitantes y la mayoría se encuentra en zonas aisladas (Franco et al, 2007).
Además, las diferentes fuentes usadas para generar energía provienen de combustibles fósiles, los cuales producen impactos ambientales significativos que en vez de brindar un servicio a la comunidad, la están afectando.
Por estos motivos se hace necesaria la búsqueda de alternativas que puedan brindarles a las comunidades carentes de este servicio una mejor calidad de vida sin tener que afectar el ambiente en donde viven y en donde vivirán sus descendientes.
Para poder cumplir con estos objetivos se buscaron dichas alternativas y se encontró que el país al estar ubicado en una zona privilegiada, como lo es el trópico, tiene la ventaja de obtener por una mayor cantidad de tiempo la radiación proveniente del sol (con un promedio anual de 4,5 kWh/m2), la cual puede ser aprovechada para generar energía limpia por medio de su captación con equipos especializados. Ahora, como uno de los lugares donde hay más radiación es en la parte norte del país, se buscó un sitio en el cual estuviera presente la necesidad de obtener energía y que además fuera difícil para las empresas prestadoras de este servicio su acceso al lugar; y se encontró que la Isla de Boquerón ubicada en la punta norte del Golfo de Morrosquillo cumplía con dichas características, las cuales ayudarían a llevar a cabo el proyecto.
Aunque el recurso eólico también es promisorio en el lugar no se evaluó esta alternativa ya que no es confiable dimensionar sistemas eólicos de generación basados en información secundaria y no se contaba con el tiempo ni con los recursos suficientes para hacer mediciones que permitieran hacer el diseño del sistema.
Un punto importante que ayudó a la escogencia de este sitio, fue que un sistema a base de energía solar traería consigo importantes beneficios ambientales y sociales: por un lado, comparándolo con un sistema de generación basado en combustibles fósiles (única alternativa actual de esta comunidad), se bajarían los costos de generación, y la población de la Isla tendría servicio de energía eléctrica durante todo el año, haciendo posible el desarrollo de proyectos productivos que actualmente no se pueden llevar a cabo. Desde el punto de vista ambiental se puede destacar la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (contemplados en el Protocolo de Kyoto, ratificado por Colombia), la eliminación del ruido generado por las plantas diesel y la disminución del riesgo de contaminación de aguas y suelo por derrames de combustibles y lubricantes.
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Al tener ubicado el sitio, las necesidades de los pobladores y los beneficios que les traería este proyecto, se empezó a diseñar el sistema solar (con base en la información suministrada por la comunidad y por los especialistas tanto en energías alternativas como en finanzas) por medio de los programas HOMER (the micropower optimization model del National Renewable Energy Laboratory de los Estados Unidos) y RETScreen (Renewable Energy Tecnology Screen del Departamento de Recursos Naturales del Canadá), los cuales tienen la característica de modelar proyectos de energía limpia, dando en consecuencia información clara y fácil de interpretar.
La información suministrada por los modelos permitió encontrar y analizar si el proyecto es o no viable desde el punto de vista social, ambiental y económico. Dando así las bases necesarias para empezar a desarrollar el proyecto que será presentado en este trabajo.
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1. PRELIMINARES
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Archipiélago de San Bernardo está localizado entre los 9º 40´ y 9º 50´ de latitud norte y los 75º 43” y 75º 56” de longitud oeste en el departamento de Bolívar (ver Figura 1); lo conforman las islas Boquerón, Palma, Panda, Mangle, Ceycén, Cabruna, Tintipán, Maravilla, Múcura, y un islote artificial (Santa Cruz del Islote), dispersas en un área de 213,3 km2 (Díaz J. M. et al., 2000) al norte del Golfo de Morrosquillo. Desde 1996, la mayor parte del Archipiélago de San Bernardo se anexó al Parque Nacional Natural Corales del Rosario (MMA, 1996) (Flórez y Etter, 2003).
Figura 1. Mapa de la zona (López y Díaz, 2000).
El clima está determinado por el régimen estacional de los vientos alisios del NE; es de tipo unimodal con un período seco de cinco meses (diciembre a abril) y uno lluvioso de
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siete meses (mayo a noviembre) y una temperatura media anual de 27°C (Flórez y Etter, 2003).
La Isla de Boquerón está ubicada en la punta norte del Golfo de Morrosquillo y es la primera del Archipiélago en dirección sur – norte (ver Figura 2 y Figura 3). Desde hace aproximadamente tres décadas ha tenido una fuerte intervención antrópica lo que ha generado importantes alteraciones del ecosistema. Actualmente hay construidas 20 cabañas que son utilizadas para el turismo por personas del interior del país, y viven en ella igual número de familias que trabajan en cada una de las casas. La población permanente se estima en 83 habitantes, pero la Isla en épocas de temporada alta alcanza niveles de ocupación por encima de las 200 personas1.
Figura 2. Vista del Archipiélago de San Bernardo. Google EarthTM.
1 Información suministrada por Pedro Moreno, habitante de la Isla.
17
Figura 3. Vista de La Isla de Boquerón. Google EarthTM.
Las demandas energéticas de los turistas son suplidas en su totalidad con plantas diesel, pero cuando éstos dejan la Isla, los habitantes de la misma no pueden pagar la generación con este sistema que consume alrededor de 0,2 galones de combustible por kWh. Teniendo en cuenta que los ingresos de una buena parte de la población se generan de la pesca y que éste es un producto perecedero que necesita refrigeración, y por ende electricidad, se hace necesaria la implementación de algún sistema de generación que permita almacenar el producto.
“El pescado en Tolú cuesta más o menos $ 7.000/kg, pero como nosotros tenemos que consumirlo el mismo día que lo sacamos, lo vendemos aquí mismo en la Isla, entre 2 y 3 mil pesos dependiendo del tamaño2”.
Además, en la Isla hay una escuela (primaria) a donde asisten a clase 28 niños entre los 4 y los 15 años de edad; ésta, por razones obvias, carece de cualquier tipo de tecnología, lo que disminuye la calidad de la educación.
Como los habitantes permanentes de la Isla de Boquerón no tienen energía eléctrica durante la mayor parte del año (aproximadamente 48 semanas), ya que la única fuente de la misma son plantas diesel cuya operación es costosa y sólo entran en funcionamiento
2 Alfonso del Toro, Pescador de la Isla.
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cuando van los turistas, por tanto se les dificulta consolidar proyectos productivos comunitarios que propicien una mejora en el nivel de vida de la población.
1.1.1 Delimitación
El análisis del sistema se hace para la Isla de Boquerón en el Golfo de Morrosquillo (Caribe Colombiano), comprende las fases de diagnóstico de necesidades energéticas, dimensionamiento del sistema, cálculo de posible reducción de emisiones, y análisis financiero y legal. Este trabajo de grado exploratorio se desarrolló en el periodo comprendido entre los meses de enero y mayo de 2009.
1.2 Objetivos del proyecto
1.2.1 Objetivo General
Diseñar un sistema solar fotovoltaico de generación de energía para la Isla Boquerón, Golfo de Morrosquillo.
1.2.2 Objetivos Específicos
o Diagnosticar las necesidades energéticas de los habitantes permanentes de la Isla de Boquerón.
o Identificar el lugar más adecuado en la Isla de Boquerón para localizar un sistema solar fotovoltaico.
o Dimensionar los componentes necesarios para implementar un sistema solar fotovoltaico de generación de energía para el uso de la población permanente de la Isla de Boquerón.
o Comparar económica y ambientalmente el sistema solar fotovoltaico propuesto con un sistema de generación convencional (planta a gasolina).
o Establecer los requerimientos legales necesarios para la implementación del sistema en la Isla.
1.3 MARCO TEÓRICO
En el marco teórico se tratan diferentes temas: desde la situación energética actual, hasta los componentes del sistema solar fotovoltaico. Además, se hablará de las consecuencias ambientales que traen los combustibles fósiles y los beneficios de las energías alternativas.
1.3.1 Contexto energético mundial
Actualmente los países del tercer mundo, entre ellos Colombia, se enfrentan con un problema complejo que se manifiesta en aspectos como sobrepoblación, elevados niveles
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de pobreza y graves problemas medioambientales. Analizando la problemática se puede deducir que hay una fuerte correlación entre la escasez de energía y estos tres aspectos, lo que lleva a pensar que lo que hay que solucionar es un problema energético (Aguilera y Lorenzo, 1993).
La distribución mundial del consumo de energía es desigual; el consumo de energía en los países industrializados, por ejemplo, es 80 veces superior al de los países del África subsahariana que, con un valor de 700 kWh por habitante y año está por debajo del límite vital. De hecho la cuarta parte de la población mundial consume tres cuartas partes de la energía del mundo. En este sentido se puede resaltar que Estados Unidos con un 6% de la población mundial consume actualmente alrededor de un tercio de la energía mundial. Igualmente notables son las diferencias en las reservas de combustibles fósiles. Por ejemplo, la mitad de las reservas conocidas de petróleo están localizadas en el Oriente Medio; esta es una cusa de la creciente inestabilidad de la zona; en 1973 se produjo el primer embargo petrolífero de los países de la OPEP que elevó sustancialmente el precio del barril de petróleo. Este embargo, que dio origen a la denominada crisis de la energía, fue seguido por otro en 1980. Desde entonces, los precios de este combustible han mostrado un comportamiento inestable que ha generado una creciente toma de conciencia sobre los aspectos reales del problema energético, lo que despertó el interés en diversificar las fuentes de energía (Aguilera y Lorenzo, 1993).
Según Gil (2008) “uno de los mayores desafíos a los que deberá hacer frente la humanidad durante el siglo XXI será, con toda seguridad, proporcionar un acceso universal a la energía, de forma que se consiga que este mundo sea seguro, limpio y sostenible”.
A través de la historia el uso de la energía ha surgido como un asunto central en el funcionamiento y desarrollo de las sociedades humanas, pero durante los siglos XIX y XX, la humanidad aprendió el modo de aprovechar la energía contenida en los combustibles fósiles, fundamentalmente carbón, petróleo y gas natural, y energía nuclear. Esto produjo una energía que condujo a un mayor desarrollo industrial, trayendo consigo un aumento sin precedentes de la productividad. A medida que se avanza en el tercer milenio, va teniendo lugar un crecimiento del conocimiento de los sistemas energéticos mundiales, quedando patente que éstos se encuentran necesitados de un cambio radical, de modo que permitan satisfacer las necesidades energéticas de una forma sostenible a largo plazo (Gil, 2008).
Según Lara (2007) “la sola existencia de recursos energéticos (energía primaria), sean del tipo que sean, así como su localización y cuantificación, no garantiza que tales recursos puedan llegar a ser económicamente aprovechados, o dicho de otra forma, que puedan emplearse para obtener energía útil. Para que esta última circunstancia sea posible, el recurso energético en cuestión ha de ser: técnicamente explotable, económicamente rentable y energéticamente competitivo. Es decir: deben existir la técnica y los medios técnicos que posibiliten la obtención del recurso, el costo del conjunto de operaciones relacionadas con su puesta en el mercado debe ser tal que haga su precio final competitivo con otros productos energéticos, y finalmente (excepto en casos muy específicos y singulares), la energía que se obtiene de un recurso debe ser superior a la que se consume para lograr su puesta en condiciones de empleo. Si se cumplen estos requisitos, los recursos energéticos pasan a denominarse reservas energéticas, y pueden
20
transformarse en energía útil en condiciones económicamente rentables. La proporción de recursos que se convierten en reservas aumenta con el abaratamiento de los costes de explotación (extracción y comercialización) y, por supuesto, con el aumento de los precios de mercado de los productos energéticos”.
De las numerosas fuentes de recursos energéticos conocidas designadas como fuentes de energía primaria, tan solo el carbón, el petróleo, el gas natural, la energía hidráulica y la energía nuclear tienen importancia económica; el petróleo, el carbón y el gas natural aportan actualmente algo más del 80% de la demanda total para la satisfacción de las necesidades energéticas del hombre. Si se añaden los aportes de la energía nuclear y de los aprovechamientos hidroeléctricos, la cifra se eleva al 89,04%. Cabe anotar que el 10,96% restante hace parte de las energías renovables que suplen esta demanda (Lara, 2007).
Aunque a nivel mundial este tipo de energía no representa todavía un valor demasiado importante, hay evidencia de avances significativos gracias a la aceptación de dichas tecnologías y a la gran inversión que se viene llevando a cabo en todo el mundo, con un crecimiento significativo del sector en 2007, 60% más que en el 2006 (Negocios, 2008).
1.3.2 Reseña histórica
La energía es necesaria para todos los trabajos que desarrolla el hombre. Constituye, por tanto, el soporte y sustento para todo que hacer de la vida humana. El hombre para realizar una actividad debe atender un conjunto de necesidades de diversa índole, que las satisface consumiendo energía. A pesar de que según F. Grande Covián (en su libro “Nutrición y Salud”) el hombre necesita 1.100 kWh/año para satisfacer sus necesidades biológicas, hoy en día el consumo de energía primaria es del orden de 18.500 kWh/año; este dato permite decir que el ser humano es un gran consumidor de energía y que tal consumo constituye el fundamento último de su civilización y bienestar (Aguilera y Lorenzo, 1993).
Hasta hace sólo 229 años, la única fuente de energía para el hombre era el sol, en esta época, la madera era por lo general usada para calefacción y los animales para transporte. Ambas clases de energía son suministradas -directa o indirectamente- por fotosíntesis, proceso por el cual las plantas absorben parte de la energía del sol para convertir el dióxido de carbono y el agua en sustancias comestibles y alimentos. Otras formas de energía derivadas del sol fueron la fuerza del viento y del agua; las aplicaciones más conocidas son los molinos (Palz, 1980).
Posteriormente apareció la máquina de vapor (construida por Watt en 1786) y el generador eléctrico (se dice que la primera estación de energía fue construida por Edison en 1882). Otros pasos importantes en el progreso de la energía fueron el motor de combustión interna de cuatro tiempos y las turbinas. Finalmente, el hombre descubrió la energía nuclear y se construyó el primer reactor en Chicago (Palz, 1980).
Luego, debido a la crisis energética en 1973 y a la evidencia de los impactos ambientales que causaban los combustibles fósiles, las hidroeléctricas y la energía nuclear, se emprendió la tarea de implementar nuevas tecnologías que ayudaran a prevenir estos impactos. Por lo que se dieron a conocer otro tipo de energías como la solar térmica, solar
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fotovoltaica, eólica, geotérmica, biocombustibles, biomasa, entre otras, las cuales se denominaron energías alternativas.
De las anteriores clases de energía, las más usadas son la eólica, la solar (térmica y fotovoltaica) y los biocombustibles. A continuación se hará referencia a la energía solar fotovoltaica como fuente de energía renovable en el mundo y en Colombia.
Avances en el mundo a lo largo de la historia
Al hablar de la tecnología fotovoltaica el elemento central y básico es la celda solar. Este elemento es la estructura mínima que puede suministrar una determinada potencia eléctrica partiendo directamente de la energía solar, por medio del efecto fotovoltaico (Rodríguez, 1997).
Puede afirmarse que el desarrollo de la celda solar comienza con el descubrimiento del efecto fotovoltaico ocurrido en 1839 por Alexander E. Becquerel que mostró que al cambiar la intensidad de la luz que llegaba a una celda electrolítica, cambiaba la corriente de conducción en la solución (Rodríguez, 1997). Después, en 1873, W. Smith descubrió la fotoconductividad en el selenio, pero fueron R.E. Day y G.W. Adams quienes en 1876 lo observaron en selenio sólido. Esto originó que el señor C.D. Fritts en 1883, tratara de describir lo que se llamó la primera celda fotovoltaica de selenio sólido. Para el año de 1904 W. Hallwachs observó y probó la fotosensitividad de estructuras de cobre/óxido de cobre (Cu/Cu2O) (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
En el año 1905 Albert Einstein dio a conocer dos de sus más importantes teorías: la teoría especial de la relatividad y la teoría del efecto fotoeléctrico con base en la hipótesis del comportamiento corpuscular y discreto de la radiación y propuso que por la colisión entre ciertas superficies y las partículas de luz se desprendían electrones de la sustancia. Además, logró precisar el valor de la energía cinética de tales electrones, teoría que probó y verificó experimentalmente Millikan en 1916 (Rodríguez, 1997).
En 1914 se destacaron las barreras de potencial en la unión de materiales y se profundizó en su estudio usando materiales como cobre - óxido de cobre. Un poco más adelante se empleó el selenio, con el cual se mejoró en un factor de 10 el desempeño (Rodríguez, 1997).
Luego, entre las dos guerras mundiales, se incrementaron los esfuerzos por entender y desarrollar dispositivos fotovoltaicos en varios países, principalmente en Estados Unidos, Alemania, Francia, Gran Bretaña y la Unión Soviética (Palz, 1980). En 1930 Schottky complementó el desarrollo de la teoría básica del efecto fotovoltaico y sugirió la posibilidad de desarrollar materiales para la fabricación de celdas solares. Dos años más tarde se descubrió el fenómeno fotovoltaico en el sulfuro de cadmio por Stora y Audubert (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
En 1941 se fabricaron celdas de selenio con eficiencias de conversión fotovoltaica del 1%. En este mismo año, Ohl descubrió el efecto fotovoltaico en el silicio. Y sólo hasta 1949 Billing y Plesner realizaron las primeras mediciones sobre eficiencia de conversión de tales dispositivos (Rodríguez, 1997).
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Ya en 1951 aparece la técnica de las junturas p (silicio como material base al que se le adicionan impurezas de boro) – n (silicio como material base al que se le adicionan impurezas de fósforo) que hizo posible producir celdas de germanio policristalino. Al aplicar la técnica de las junturas p – n, Chapin, Fuller, Pearson y Prince obtuvieron en 1954 el primer dispositivo fotovoltaico práctico de silicio monocristalino en los laboratorios Bell de AT&T. A partir de este hecho, podría afirmarse que el desarrollo de las celdas solares se centra en la industria, para ser aplicado a los avances de la tecnología espacial y aeronáutica (Rodríguez, 1997). En ese mismo año Welker descubrió el efecto fotovoltaico en el arseniuro de galio (GaAs) y Reynolds y otros desarrollaron dispositivos con sulfuro de cadmio (CdS) (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
En 1956 se dieron las primeras aplicaciones de las celdas fotovoltaicas en luces intermitentes para la navegación y en estaciones remotas de comunicaciones. En 1958 la Unión Soviética y los Estados Unidos lanzaron sus primeros satélites equipados con arreglos de celdas fotovoltaicas de silicio (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996). Un año después se produjeron las primeras celdas de silicio policristalino, en 1960 se utilizaron por primera vez las rejillas de recolección de corriente en celdas de silicio y se produjeron las primeras celdas dendríticas de este material, y en 1961 se llevaron a cabo los primeros intentos de celdas de sulfuro de cobre - sulfuro de cadmio (Cu2S/CdS). Ocho años más tarde J. Lindmayer desarrolla la celda de silicio “color violeta” lo que mejoró su eficiencia de conversión al adicionarle recubrimientos antirreflectivos (Rodríguez, 1997).
La década de los años setenta trajo consigo la gran crisis energética, la cual ocasionó la fundación de compañías fabricantes de celdas solares en gran escala y aumentó el interés por otros materiales semiconductores; particularmente renació el interés por el arseniuro de galio, obteniéndose en laboratorios a mediados de ese decenio celdas monocristalinas y se iniciaron a la par estudios sobre celdas de fósforo de indio, fosfuro de galio y arseniuro de aluminio – galio (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Para 1975 el Departamento de Energía del Jet Propultion Laboratory ordena la producción e instalación de una planta fotovoltaica de 10 kW basada en celdas de silicio monocristalino (Rodríguez, 1997). Ese mismo año la NASA patrocinó el desarrollo de fotoceldas con nuevos materiales, buscando celdas con alta relación potencia/unidad de peso, uno de los factores de mayor importancia en aplicaciones aeroespaciales (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996). En 1979 se comercializa la celda de silicio policristalino, que resultaba algo menos costosa que la de silicio monocristalino, aunque ligeramente menos eficiente (Rodríguez, 1997).
En la década de los ochenta se incrementan los contratos de instalaciones de potencias medias (~100 kW) y grandes (1 MW). Los años finales de los ochenta y los primeros de la década de los noventa, sirven para consolidar el mercado del sector fotovoltaico a nivel mundial y para perfeccionar los diseños y conceptos de ingeniería de los grandes sistemas, entre los cuales se encuentran las celdas de silicio policristalino y amorfo en película delgada (Rodríguez, 1997).
Entre los países industrializados China es el mayor productor de células fotovoltaicas, le siguen Japón, Alemania, Estados Unidos y España (Puig y Jofra, 2008). Hoy en día los materiales con los que más se investiga en película delgada son el sulfuro de cobre – sulfuro de cadmio, sulfuro de cobre – sulfuro de cadmio zinc, arseniuro de galio, arseniuro
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de galio – antimoniuro de galio, cadmio indio selenio - sulfuro de cadmio, teluro de cadmio, selenuro de cadmio, arseniuro de zinc silicio, arseniuro de boro y compuestos orgánicos (Rodríguez, 1997). Además, se tienen estudios en los cuales se usan cristales fotónicos en dos dimensiones mediante procesos de nanotecnología (Consumer, 2008).
Avances en Colombia a lo largo de la historia
Hacia la segunda mitad de la década de los setenta y como consecuencia de la crisis energética, se comenzó a hablar de energía solar, particularmente de la fotovoltaica (Rodríguez, 1997). En el Departamento de Física de la Universidad Nacional se formo el grupo de trabajo que inició actividad de investigación en celdas solares de sulfuro de cadmio, luego se iniciaron en 1978 los planes de telefonía rural de TELECOM en donde se usaron módulos marca ARCO SOLAR de 23 Wp (vatio – pico) (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Las empresas que pueden catalogarse como pioneras en este campo a nivel nacional fueron ENERTEC, posteriormente ENERTECH (Energía Solar y Tecnología de Aguas) y SINGER SEWING MACHINE CO., empresa que en 1981 inicia sus labores en este campo con un estudio de factibilidad para entrar en el negocio de la energía solar fotovoltaica. SINGER seleccionó a la empresa ARCO SOLAR como la proveedora de módulos para sus proyectos, la cual fue comprada en 1990 por SIEMENS GMBH, tomando desde ese momento la denominación de SIEMENS SOLAR IND (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
La empresa ENERTECH inicia labores distribuyendo módulos marca AEG Telefunken, posteriormente distribuye módulos Kyocera y por ultimo módulos marca Solares. Esta empresa termina labores en este campo aproximadamente en el año 1988. Las empresas EDUARDOÑO y DURESPO S.A. incluyen los módulos fotovoltaicos dentro de sus líneas de distribución. EDUARDOÑO distribuye módulos Kyocera importados desde Japón cuyo proveedor es KYOCERA CORPORATION y DURESPO S.A. distribuye módulos Kyocera importados desde Estados Unidos cuyo proveedor es PHOTOCOM INC (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
En el año 1986 se crea la empresa ENERTECH de la costa, la que posteriormente se llamaría SOLAR CENTER, empresa que en la actualidad continua laborando en este campo con el dimensionamiento de plantas solares, suministro de sistemas, componentes y accesorios, instalación, mantenimiento y servicio de reparación, capacitación y asesoría general. Dos años después nace la empresa COLFOTON S.A. aprovechando el plan de telefonía rural, siendo distribuidores exclusivos de los módulos españoles ISOFOTON S.A., la cual terminó labores en este campo en el año 1993. En 1990 inician labores las empresas MULTIELECTRONICA S.A. con la utilización exclusiva de los módulos españoles B.P. SOLAR y ENERGIA INTEGRAL ANDINA E.M.A. S.A. realizando proyectos con módulos fotovoltaicos marca SOLAREX (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Luego en 1992, la entonces Comisión Nacional de Energía (CNE) conjuntamente con el Instituto de Asuntos Nucleares (IAN), con la participación de asesores formuló el Programa Nacional de Energías No Convencionales (PNENC). Este documento recogió toda la experiencia nacional teniendo en cuenta las investigaciones, desarrollos
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tecnológicos y proyecciones internacionales, se establecieron las líneas de acción a emprender en el PNENC a corto, mediano y largo plazo. El documento también mostró la necesidad de un organismo para que liderara este programa y realizara investigación científica y desarrollo tecnológico, coordinara con otras instituciones la ejecución de proyectos, hiciera difusión y transferencia de tecnología de los conocimientos adquiridos a instituciones y universidades regionales, como también que contribuyera al desarrollo integral de regiones aisladas. Lo anterior motivó al gobierno nacional a reestructurar al Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas (INEA) para emprender estas acciones (Pineda, 1995).
Para el año 1995 se realiza el Censo Solar Fotovoltaico debido a que el país al estar situado en la franja tropical junto a la línea ecuatorial, cuenta a lo largo de todo el año con unos altos niveles de insolación indispensables para la eficiencia de la alternativa energética solar (con un promedio anual de 4,5 kWh/m2). Por tal motivo, el sector minero – energético (UPME) y ambiental (IDEAM) crean el Atlas de Radiación Solar de Colombia de 2005 para generar información que permita potenciar el desarrollo de los sistemas solares fotovoltaicos en el territorio (Correa, 2007). Gracias a estos estudios y a la iniciativa de dichos organismos, se desarrollan instalaciones de módulos fotovoltaicos a lo largo y ancho del país, preferencialmente en las zonas marginadas de las redes eléctricas, lo que convirtió a Colombia en un consumidor importante a nivel mundial de esta tecnología y le permitió ganar experiencia en cuanto al tema. Vale la pena destacar que gracias a esas condiciones hay desarrollos importantes como el diseño, construcción y ensamble de partes y componentes de los sistemas fotovoltaicos, adaptación de ideas y realizaciones novedosas a condiciones propias de Colombia, manejo adecuado y acertado de los conceptos de ingeniería de los sistemas fotovoltaicos al nivel de las potencias que se manejan; también hay experiencias en sistemas híbridos de algunos kWp (kilovatio – pico) y se muestra interés creciente en el establecimiento y adopción de normas de calidad para dichos sistemas (Rodríguez, 1997).
Sistemas solares fotovoltaicos en Colombia (Datos obtenidos de Correa, 2007; PERIODICO AMIGO, 2003; EL TIEMPO, 2004 y UPME, 2008)
o En el año 1979, se dieron los primeros pasos en la implementación de sistemas solares en el campo del calentamiento del agua y de las telecomunicaciones.
o Sistema fotovoltaico en Minca (Magdalena), 1983.
o Sistema fotovoltaico para Texas Petroleum Company, 1984.
o Sistema solar para servicio público en Acaricuara (Vaupés), 1985.
o Sistema solar para escuelas rurales en el Guaviare, 1987.
o Sistema Solar en San Carlos (Córdoba) y Carmen de Bolívar (Bolívar), 1988 y 1989 respectivamente.
o Sistema solar para servicio público en comunidades rurales (Valle del Cauca), 1990.
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o Sistemas solares en Córdoba, Sucre, Atlántico, Magdalena, Guajira y parte del sur de Bolívar en 1992 y 1993.
o Híbrido Solar-Diesel para hospital de Nazareth (Guajira) y proyecto suministro de corriente continua a British Petroleum (Casanare), 1994.
o Sistema solar en La Venturosa - Puerto Carreño (Vichada) y veredas Puerto Murillo y El Aceitico (Vichada), 1996.
o Sistema fotovoltaico para 60 escuelas rurales en Antioquia y para otras 100 escuelas en 2003 y 2004 respectivamente.
o Instalación de sistema híbrido Eólico-Solar en Manaure - Uribia (Guajira), noviembre de 2005.
o Implementación de alumbrado público con sistema solar, empleando luminarias a base de LEDs en Necoclí (Antioquia), abril de 2008.
o Sistema híbrido Solar-Diesel en Titumaté - Unguía (Chocó) y sistema híbrido Eólico-Solar en Nazareth (Guajira), junio de 2008.
o Dotación de sistemas de energía solar fotovoltaica para escuelas y centros de salud de veredas y corregimientos del Amazonas en agosto de 2008.
o Suministro e instalación de plantas solares en Mapiripán (Meta) y dotación de sistemas de energía solar fotovoltaica para escuelas de las veredas y corregimientos de Leticia (Amazonas) en octubre de 2008.
o Energía solar fotovoltaica en escuelas a nivel rural en el Municipio de Ubalá (Cundinamarca), 2008.
o Implementación de seguidores solares y refrigeración en Isla Fuerte (Chocó) y de energía solar en edificaciones de San Andrés en enero de 2009.
1.3.3 Sistema de energía solar fotovoltaica
Antes de hablar de los elementos que componen un sistema solar fotovoltaico, se hará una breve descripción del funcionamiento de las celdas solares.
Las celdas solares se fabrican a partir de materiales semiconductores los cuales están compuestos por materiales sólidos con estructura cristalina y amorfa, que presentan un enlace de valencia homopolar y que comienzan a conducir la corriente eléctrica a medida que incrementan la temperatura a partir de una muy superior a la del punto cero absoluto. Este enlace de valencia conformado por pares de electrones facilita la liberación de electrones de enlace a causa de la influencia de energía térmica o de radiación. Por este motivo los semiconductores se comportan como aisladores perfectos en cercanías del punto cero; sin embargo, su conductividad eléctrica incrementa de forma exponencial a medida que aumenta la temperatura (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
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Ejemplos típicos para semiconductores son el germanio, el silicio y los elementos del grupo IV del sistema periódico de los elementos químicos (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Es posible aumentar artificialmente y de forma controlada la conductividad eléctrica de los semiconductores, mediante el incremento de la cantidad de electrones móviles y cargas móviles positivas o huecos. El proceso de implementación de electrones ajenos en la red cristalina del semiconductor que a este efecto conlleva se denomina dopado. Si la cantidad de electrones de valencia del material ajeno es mayor que la cantidad de electrones de valencia del átomo cristalino, el semiconductor se denomina donador (tipo n), en caso contrario se denomina aceptor (tipo p). Al unir un semiconductor p con un semiconductor n se obtiene una junta p – n. En el semiconductor p – n una capa n negativa con cargas positivas fijas y electrones libres está en contacto con una capa p positiva en la que los electrones libres están fijos, pero los huecos están libres. En el plano de contacto los electrones de la capa p encuentran a los huecos positivos de la capa n y se combinan entre sí (se neutralizan en la superficie de contacto). Mientras que las dos capas eran originalmente eléctricamente neutras, ahora se ha formado una carga positiva en el lado p de la barrera que impide la difusión de más huecos y una carga negativa en el lado n que impide la difusión de más electrones (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Cuando el semiconductor p – n absorbe luz de suficiente energía, cada unidad luminosa (fotón) produce un electrón negativo y un hueco positivo que en un cristal ordinario se recombinaría inmediatamente, con el resultado de que la luz se transformaría en calor, pero al existir una barrera de potencial en la unión p – n, los electrones producidos en la capa n se mueven hacia el electrodo y los huecos positivos se mueven hacia el otro electrodo. Cuando los electrones y los agujeros se concentran en los electrodos se produce una potencia eléctrica, y si se unen los electrodos con un conductor, una corriente eléctrica circulará por éste (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Las celdas solares más eficientes y viables tanto económicamente como tecnológicamente se han venido fabricando a partir del silicio. Una celda de silicio se fabrica a partir de una lámina delgada de silicio que ha sido previamente dopada con átomos de boro para convertirla en un semiconductor tipo p; luego una de sus caras es expuesta a la atmosfera rica en átomos de fósforo los cuales se difunden a través de la superficie hasta una profundidad de aproximadamente 0,2 micras para formar la capa n. Terminado el tratamiento, la lámina de silicio se ha convertido en una juntura p – n. Para facilitar la colección de los fotoportadores generados por la radiación solar que incide sobre la celda, un contacto metálico conductor es evaporado sobre la superficie inferior y otro en forma de rejilla, también metálico, sobre la superficie expuesta a la radiación solar. Luego se aplica sobre la superficie una cubierta muy delgada antirreflectiva para minimizar la reflexión de la radiación incidente y finalmente se recubre con un vidrio antirreflectivo para aislarla de la intemperie (Rodríguez, 1997).
Cuando la radiación proveniente del sol incide sobre la celda, la parte del espectro visible correspondiente al azul es absorbida en la región p, mientras que la luz roja penetra una mayor distancia siendo absorbida en la región n, luego de atravesar la juntura. Los portadores generados en la región de la juntura son desplazadas por efecto del campo eléctrico presente hacia las regiones n y p, incrementando el número de huecos en la
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región p y el número de electrones en la región n. Allí son colectados en los contactos metálicos generando una corriente eléctrica (Rodríguez, 1997).
Cada celda de silicio en funcionamiento produce una corriente eléctrica que es proporcional al área expuesta a la radiación y a la radiación incidente. Cuando sobre la celda incide radiación solar con intensidad de 1 kW/m2, ésta genera una corriente de 2 amperios a 0,5 voltios aproximadamente, que corresponde a una potencia de 1 W (Rodríguez, 1997).
Los logros alcanzados con las celdas solares y sus características como su baja degradación, estabilidad, confiabilidad y su mínimo mantenimiento, han hecho extensiva su utilización para la generación de kilovatios; para tal fin se fabrican paneles o módulos solares (arreglos de celdas conectadas en serie y/o paralelo que generan potencia calculadas previamente); por ejemplo, comercialmente existen disponibles módulos de 50 W a 12 V de salida, 60 W a 12 V de salida, etc. (Rodríguez, 1997).
Puesto que la potencia suministrada por los módulos varía en función de la intensidad de la radiación incidente (la cual es buena a partir de 4 kWh/m2), un montaje de elementos adicionales como se muestra en la Figura 4 (Ministerio de Minas y Energía, 2005) garantiza su utilización óptima de manera eficiente (Rodríguez, 1997).
Figura 4. Diagrama de un sistema solar fotovoltaico
Un sistema fotovoltaico consta de un campo de módulos de celdas solares, un controlador de carga, un banco de baterías, un inversor de voltaje (si existen elementos de consumo AC), y los elementos de consumo (carga) (Rodríguez, 1997). A continuación se describirá brevemente cada uno de los elementos del sistema:
Módulos solares
Un módulo solar es un arreglo de celdas solares conectadas en serie y/o en paralelo cuyo propósito es generar una potencia a un voltaje de salida previamente diseñados. Las celdas que se utilizan en la fabricación del panel deben ser seleccionadas previamente de tal manera que tengan características similares. Celdas de diferente eficiencia o defectuosas generan daños que afectan directamente la eficiencia del módulo (Rodríguez, 1997).
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Para seleccionar una célula fotovoltaica o una combinación de células para una aplicación particular, es necesario comparar las especificaciones de la célula seleccionada con los requerimientos de aplicación. El primer aspecto que debe considerarse al montar una célula para una aplicación particular es la configuración geométrica, ya que las células se dividen según su forma en circulares, hexagonales y rectangulares. Lógicamente influye aquí también el tamaño físico de la célula. De las especificaciones eléctricas, la corriente de salida y la eficiencia son de gran importancia; usualmente no es necesario especificar el voltaje de salida de la célula ya que la corriente de salida se especifica para un voltaje de referencia. Otras especificaciones de interés son las referentes a la acción ambiental, las cuales influyen el rango de temperatura en el que operan las células y la resistencia a varios factores ambientales que pueden tener cierto efecto en el comportamiento, como lo es la humedad relativa. Debido a esta acción y para tener una eficaz protección a éstas influencias, los fabricantes recubren con material plástico y vidrio el módulo, las líneas para las conexiones eléctricas se cubren con una ligera capa de teflón, las células fotovoltaicas están usualmente cubiertas con una capa de silicona altamente transparente y además, están construidas para operar en un rango de temperatura entre los -65 y los 125°C (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
En teoría la vida útil de un panel fotovoltaico no debería tener limitaciones por deterioro o desgaste en los materiales afectando el proceso de conversión. En la práctica, sin embargo, ocurren daños en los sellamientos que pueden generar daños en las conexiones eléctricas o degradación de las celdas que limitan el rendimiento del módulo, no obstante, se estima una vida útil de 20 años para los módulos de última generación (Rodríguez, 1997).
El mantenimiento del conjunto de módulos solares del sistema fotovoltaico se limita básicamente a la limpieza habitual de su superficie (el polvo y las partículas reducen la incidencia de la energía solar sobre el módulo y por lo tanto su eficiencia) (Rodríguez, 1997). En regiones con precipitaciones periódicas o en áreas en las cuales el aire tiene alto grado de pureza, el mantenimiento de los paneles tiene poca importancia (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Control de carga
La potencia generada por los módulos depende, entre otros factores, de la intensidad de la radiación incidente sobre éstos, la cual es variable en el curso del día. Puesto que la potencia suministrada a los elementos de consumo es constante, la energía generada por los módulos debe ser regulada para poderla distribuir adecuadamente entre el consumo y el banco de baterías en donde puede ser almacenada (Rodríguez, 1997).
El regulador de carga controla automáticamente el proceso de distribución protegiendo tanto los paneles solares como la batería de sobrecargas y descargas extremas, facilitando con ello el control del estado de carga de la batería y de las posibles fallas de éstas, dando una mayor confiabilidad al sistema (Rodríguez, 1997). Además, ofrece al usuario u operador un fácil y seguro manejo (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Estos reguladores son por lo general dispositivos electrónicos cuyo funcionamiento implica un consumo de energía, parte de la cual se disipa en forma de calor. Por lo tanto requiere una buena refrigeración (Rodríguez, 1997). Se debe tener en cuenta que un mal
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funcionamiento del regulador puede reducir drásticamente el tiempo de vida de una batería en más de un 50% (Aguilera y Lorenzo, 1993).
La pequeñas plantas solares individuales se instalan con reguladores electrónicos desarrollados a nivel nacional con las siguientes características: protección de paneles y baterías contra conexión invertida, protección de baterías contra sobrecargas y descargas profundas e indicación visible de carga normal, batería descargada, del consumo por cortocircuito y fallas en general (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Banco de baterías
Ya que la generación fotovoltaica se lleva a cabo durante las horas del día y la demanda de energía eléctrica por lo general es mayor en las horas de la noche, es necesario acumular la energía generada por el sistema fotovoltaico para suministrar la potencia requerida por el consumo. Esta función la cumple el banco de baterías. A raíz del ciclo diario de carga y descarga, el ciclo de una batería representa uno de los criterios más importantes para la selección (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996). La frecuencia e intensidad de la variación de los ciclos de carga y descarga influye directamente en el tiempo de vida de las baterías, pero pueden ser parcialmente minimizados con un adecuado diseño (Rodríguez, 1997).
En periodos largos, el tiempo de vida de las baterías es limitada por los procesos de corrosión interna, los cuales pueden ser acelerados con el aumento de la temperatura. El congelamiento de la batería, causada por bajas temperaturas, influye en el funcionamiento de éstas al igual que en el tiempo de vida (Rodríguez, 1997).
La capacidad de almacenamiento de la batería se mide en Amperios – hora (A - h). Su valor se determina a partir de la evaluación del tiempo máximo de autonomía (en horas) que debe tener el sistema para una corriente nominal de descarga (en amperios). Es importante tener en cuenta que al final del periodo de autonomía, la batería tenga un margen de seguridad que depende de sus especificaciones. Finalmente, si la batería tiene una capacidad muy pequeña, su tiempo de vida es demasiado corto y su confiabilidad será muy baja. Una batería con capacidad demasiado grande aunque ofrece alta confiabilidad puede ser demasiado costosa (Rodríguez, 1997).
La confiabilidad de una batería está determinada por la capacidad de la misma para suministrar energía durante periodos en donde el consumo no alcanza a ser compensado por la energía suministrada por el campo de paneles solares. La confiabilidad de una batería es buena en la medida en que sus especificaciones garanticen un deterioro mínimo cuando se someten a condiciones extremas como tasas de descarga muy bajas y nivel mínimo de descarga con un margen de seguridad relativamente grande, tasas de descarga muy bajas y frecuencia variables con métodos de descarga no convencionales, variación de la temperatura en la batería que sobrepase los normales, ciclos de carga y descarga de frecuencia e intensidad variable independientemente de su nivel de carga e independientemente de las características del proceso de carga de la batería debe recobrar las condiciones iniciales especificadas sin deterioro apreciable (Rodríguez, 1997).
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Un buen mantenimiento de la batería prolonga su vida útil. Éste debe tener en cuenta aspectos tales como limpieza y engrase de los bornes para evitar su oxidación, revisión periódica del nivel del electrolito, en lo posible mantenerla aisladas eléctricamente del piso y con buena ventilación y el empleo de aditivos ácidos, acelera la acidez del electrolito y con ello el ataque a los electrodos, acortando la vida útil de la batería (Rodríguez, 1997).
El banco de baterías es conformado por un conjunto de baterías de características similares conectadas en serie y/o paralelo de acuerdo con los requerimientos previamente considerados (Rodríguez, 1997). Entre todas las variaciones se destaca la batería estacionaria como la más adecuada para el caso en sistemas fotovoltaicos. Esto se debe a que puede alcanzar una vida útil de diez años, siempre y cuando su operación y mantenimiento se lleven a cabo de una forma adecuada. Este tipo de batería suministra corriente constante durante períodos prolongados de tiempo. También se destaca por su alta rata de descarga, mayor duración y alta confiabilidad; sin embargo, se emplea solamente en sistemas de mayor tamaño o en sistemas con una tecnología avanzada (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Las baterías automotrices de plomo/ácido y las níquel/cadmio son los acumuladores de mayor uso para sistemas fotovoltaicos en países en vía de desarrollo dado su reducido costo y su alta disponibilidad. Esta batería está diseñada para proporcionar altas corrientes durante un corto lapso de tiempo necesario para el arranque de automotores. Por este motivo no está diseñada para la operación cíclica con cargas y descargas lentas (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Con la introducción al mercado de baterías de arranque con descarga prolongada se creó una alternativa promisoria ya que éstas se caracterizan por tener placas más gruesas, aleación de plomo modificada y un mayor volumen de captación de ácido. Una ventaja decisiva de este tipo de batería es que su tecnología de fabricación y su nivel de precios es similar al de la batería automotriz (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
En el mercado internacional también se consiguen las denominadas baterías solares que se utilizan exclusivamente en aplicación fotovoltaica. Sus principales características técnicas son la resistencia a las sobrecargas y ciclo, limitación de la autodescarga debido a la composición de las aleaciones empleadas, bajo consumo de agua, gran reserva de electrolito y gran longevidad (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996).
Inversor de voltaje
Como los generadores fotovoltaicos proporcionan corriente continua (DC), la función del inversor DC/AC es convertir la DC que generan los módulos fotovoltaicos en corriente alterna para su posterior utilización (Aguilera y Lorenzo, 1993).
En general están constituidos por un equipo de control (sintetizador) que, accionando un conjunto de interruptores, es capaz de generar a partir de una tensión continua, una onda de impulsos que, posteriormente se filtra para eliminar los armónicos indeseados de dicha onda (Aguilera y Lorenzo, 1993).
El diseño de un inversor para aplicaciones fotovoltaicas debe tener en cuenta que la energía producida por el generador tiene un precio elevado y, por ello, no se debe
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desperdiciar. Como consecuencia, estos inversores deben exhibir, como características fundamentales, una alta eficiencia y una gran fiabilidad en todas las condiciones de trabajo. Especialmente en sistemas aislados (electrificación rural, por ejemplo) estas características representan un grado de exigencia muy notable; por un lado, la potencia que demanda la carga se distribuye en un margen muy amplio de valores, lo que fuerza al inversor a ser eficiente en todo el rango de potencias inferiores al nominal. Por otro, las exigencias muy elevadas aunque de carácter puntual (arranque de motores, cortocircuitos en la instalación, etc.) son frecuentes y el inversor ha de sufrirlas sin daño. Además, es de importancia primordial que el inversor sea diseñado con un bajo consumo en vacío (sin carga) y bien adaptado, en términos de potencia, a la carga que debe alimentar, para que la mayor parte del tiempo trabaje con una elevada eficiencia (Aguilera y Lorenzo, 1993).
Al igual que el regulador, el inversor requiere para su funcionamiento un mayor consumo, parte del cual se disipa también en forma de calor. Por lo tanto, podría requerir de una buena refrigeración (Rodríguez, 1997).
Elementos de consumo
Todos los elementos que conforman una instalación fotovoltaica son caros, y por tanto es necesaria la utilización de equipos de consumo que presenten un elevado rendimiento. En general, siempre deben utilizarse sistemas fluorescentes o halógenos para iluminación, puesto que su rendimiento es aproximadamente tres veces superior a los sistemas de incandescencia y el ahorro en tamaño de paneles y batería que supone este elevado rendimiento compensa con creces su mayor costo inicial (Aguilera y Lorenzo, 1993).
Dependiendo del tipo de instalación fotovoltaica se podrá utilizar un tipo de cargas u otro. En el caso de utilizar corriente continua para los equipos de iluminación, se puede ahorrar la utilización del convertidor CD/AC, pero se necesitará utilizar un elemento adicional, llamado reactancia electrónica o balasto, capaz de producir la descarga necesaria para que el tubo se encienda. Estos circuitos han de ser protegidos frente a inversiones de polaridad y funcionamiento sin carga. En el caso de corriente alterna, se necesitará incluir un inversor en la instalación, con el consiguiente costo adicional (Aguilera y Lorenzo, 1993).
Sistema híbrido
La información sobre sistemas híbridos fue obtenida de la página Web del Proyecto de Electrificación Rural con Energías Renovables de Chile (TECNOLOGÍAS RENOVABLES EN ELECTRIFICACIÓN RURAL, 2008).
Estos sistemas se basan en la conexión de una determinada combinación de equipos generadores (que utilizan energía solar, eólica, combustible Diesel, biomasa, etc.) para alimentar las cargas eléctricas.
Debido al comportamiento cíclico de las energías renovables, es conveniente disponer de otras fuentes de generación o almacenamiento de energía que estén disponibles cuando la demanda lo solicite, por lo tanto, resulta interesante considerar la aplicación de sistemas híbridos.
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La solución más típica es aprovechar los recursos renovables (viento, sol, agua, y/o biomasa) para generar energía eléctrica, combinados con sistemas generadores convencionales (que utilizan combustible derivado del petróleo), y sistemas de almacenamiento de energía, logrando una utilización eficiente de cada energético y una cantidad mínima de combustible fósil.
Utilizar sistemas híbridos significa adecuar los sistemas de generación o de transmisión para que la energía utilizada provenga de distintos medios. Entre las posibilidades existentes destacan: sistemas basados en diferentes tecnologías renovables (solar-eólico; hidráulico-eólico, etc.) y sistemas híbridos con combustibles fósiles y tecnologías renovables (eólico-diesel; biomasa-diesel; solar-eólico-diesel, etc.)
La hibridación de sistemas generadores de energía, utilizando diversas fuentes energéticas, permite alcanzar metas de diversa índole, entre las que destacan: sociales, económicas y ambientales.
Con sistemas híbridos se reducen los costos de operación, haciendo rentable, en algunos casos, proyectos que sin sistemas híbridos no lo serían, o bien disminuyendo las tarifas por consumo eléctrico. La utilización de energías renovables evita emisiones contaminantes y de gases de efecto invernadero, contribuyendo de esta manera al desarrollo sustentable de las comunidades y a problemas globales de calentamiento atmosférico.
1.3.4 Ventajas e inconvenientes de los sistemas solares fotovoltaicos
Las ventajas de la energía solar fotovoltaica son numerosas. Entre ellas se encuentran (los siguientes datos fueron obtenidos de CONSUMER, 2008; Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996; UNIVERSIDAD DE JAÉN, 2004 y de BLOGSPOT, ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA, 2009):
• Son sistemas silenciosos, limpios y respetuosos con el medio ambiente, ya que al no producir ningún tipo de combustión, no se generan contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc., ayudando así a proteger el planeta del cambio climático.
• Suponen un gran ahorro en el traslado de energía, puesto que se encuentran cerca del punto de consumo.
• Poseen un gran potencial de energía solar en el mundo con un promedio anual máximo de 6,8 kWh/m2.
• El Silicio (elemento base para la fabricación de las células fotovoltaicas) es muy abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva.
• Resiste condiciones climáticas extremas (granizo, viento, temperatura, humedad).
• Manejan amplios rangos de potencia (desde un vatio hasta cientos de megavatios).
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• Los sistemas fotovoltaicos son modulares (permiten fácilmente incrementar o disminuir la potencia, dependiendo de cómo varía la demanda, y corregir problemas de sub o sobredimensionamientos).
• Son sistemas móviles (permiten su fácil traslado, transporte e instalación).
• Son de fácil manejo (permiten una fácil aceptación por parte de todo tipo de usuario con un entrenamiento básico).
• Requieren de poco mantenimiento (se limita a la limpieza de módulos y mantenimiento de instalaciones y baterías de acuerdo con el tipo utilizado).
• Larga vida útil de los módulos (oscila entre 20 y 30 años).
• Costos de mantenimiento y operación bajos (se limita a la compra de agua destilada para las baterías y al pago en comparación con otras alternativas energéticas de máximo un operario cuando el sistema lo amerite).
• Es cada vez más rentable frente a otras alternativas (el número de casos en que la alternativa fotovoltaica es más rentable depende de las diferentes condiciones de potencia instalada, número de usuarios y distancia a la red de interconexión; ha crecido en los últimos años debido a la reducción de los costos de los módulos).
• El notable progreso en las características de su funcionamiento.
• La posibilidad de innovar en estas tecnologías que contribuyen a asegurar abastecimientos de energía sostenibles a largo plazo en los países en vías de desarrollo.
• Las unidades modulares pueden ser adicionadas o retiradas para ajustarse a los requerimientos de potencia sin necesidad de modificar la unidad básica de generación.
• En caso de que un módulo falle, las conexiones redundantes en serie y en paralelo le permitirán al sistema mantener su operación a pesar de una disminución de potencia; además, esta modularidad también facilita la reposición de partes y el mantenimiento.
• Logran suministrar corriente AC empleando inversores electrónicos apropiados.
• Pueden ser combinados con otros tipos de energía, resultando en plantas híbridas de generación, que proveen gran valor y generación disponible.
• Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita pistas, cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su impacto visual es reducido.
• Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2), evitando así el despoblamiento progresivo de determinadas zonas. Además, no precisa ningún suministro exterior
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(combustible) ni presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento) y la energía descentralizada puede ser captada y utilizada en todo el territorio debido a que existen subvenciones y primas por producir electricidad (este último no aplica por el momento en Colombia).
• Cuando se trata de centrales fotovoltaicas, se requiere poco tiempo para su construcción, ya que se ensamblan cerca de las localidades a las que tiene que suministrar energía.
• En el caso de los paneles fotovoltaicos instalados en las viviendas, éstos requieren un mínimo mantenimiento ofreciendo un gran período de vida útil, con lo que se amortiza en un breve espacio de tiempo.
• No existe una dependencia de los países productores de combustibles, se utiliza en lugar de bajo consumo y en casas ubicadas en parajes rurales donde no llega la red eléctrica general.
En definitiva, su uso ofrece un suministro de energía continuo y fiable sin tener que depender de las fuentes de energía convencional (CONSUMER, 2008).
Ahora, en cuanto a los inconvenientes, se tiene que (los siguientes datos fueron obtenidos de CONSUMER, 2008):
• Las instalaciones fotovoltaicas tienen unas limitaciones que deben llevar a sus usuarios a la moderación en el consumo y al empleo de aparatos de consumo con elevados rendimientos.
• Tanto los módulos como los sistemas solares fotovoltaicos son de baja eficiencia.
• Se dispone de pocas horas de generación (máximo 12 horas) lo cual implica necesariamente la utilización de acumuladores o bancos de baterías que encarecen los sistemas.
• Los costos de inversión inicial son altos (sin embargo la tendencia internacional es a una reducción considerable de los costos).
• Impactos en el proceso de extracción del Silicio y fabricación de las células (debido al alto consumo de recursos naturales y a la generación de residuos, vertimientos, emisiones y ruido).
• En el mercado existen componentes de regular y mala calidad (es una consecuencia de la falta de control de calidad de los componentes).
• Existen fallas técnicas en los componentes y en la operación de los sistemas (es una consecuencia de la falta de entrenamiento del usuario y de asistencia técnica posventa).
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• Existen casos de dimensionamientos incorrectos y con fallas en las instalaciones (causados muchas veces por la utilización de componentes y consumidores de baja eficiencia y por la falta de entrenamiento del personal instalador).
• No hay gran apoyo estatal al sector fotovoltaico (esto pone en desventaja esta alternativa frente a la interconexión eléctrica que es altamente subvencionada).
• Falta normatividad sobre conexión a la red, necesidad de nuevos desarrollos tecnológicos y más información a la comunidad (Pineda, Córdoba y Lesmes, 1996). Asimismo, el precio y el gran tamaño de los paneles solares frenan su expansión, puesto que la tecnología disponible actualmente requiere de una gran superficie de captación (generando un impacto visual).
1.3.5 Aspectos ambientales de los combustibles fósiles
Los aspectos ambientales de la combustión de los recursos fósiles son de gran importancia y generan efectos negativos en el medio ambiente a causa de los productos del proceso. Los principales efluentes del proceso son el CO2, CO, H2O, NOx y SOx, hidrocarburos no quemados y sólidos representados por las cenizas y la contaminación térmica de las aguas y efluentes gaseosos (Rodríguez, 1997).
Es importante recordar que aún productos que aparentemente no son tóxicos como el CO2 pueden causar efectos negativos al medio ambiente, en este caso el efecto invernadero, el cual consiste en un incremento en la temperatura terrestre a causa de la retención de la radiación infrarroja emitida por la superficie de la tierra (CAMBIO CLIMÁTICO GLOBAL, 2009).
Al elevarse la temperatura, debido al efecto invernadero, se derriten los casquetes polares incrementándose el nivel de las aguas y causando inundaciones de algunas ciudades costeras, cambios en los patrones de lluvia y viento, aumento dramático de muertes debido a eventos de temperaturas extremas, el esparcimiento de enfermedades tales como la malaria, dengue y cólera, sequías, falta de agua y alimentos, afectación a los ecosistemas y los agrosistemas (CAMBIO CLIMÁTICO GLOBAL, 2009). La tierra tiene capacidad de absorción del CO2 en especial por los árboles y disolución en los mares. Por esta razón, las regulaciones mundiales buscan aumentar la eficiencia de las nuevas plantas y disminuir de esta forma la cantidad de CO2 emitido por unidad de energía producida (Rodríguez, 1997).
Esta tendencia se puede observar con las plantas de ciclo combinado donde la eficiencia alcanzada es superior al 50%, comparada con el 5 – 15% obtenida al principio del siglo XX, y la eficiencia de los carros de última generación comparada con los de los años cincuenta (Rodríguez, 1997).
Los mayores contaminantes emitidos a la atmósfera por los combustibles fósiles son los óxidos de azufre y de nitrógeno. Los óxidos de azufre se producen por la oxidación del azufre orgánico para formar básicamente SO3 el cual reacciona con el agua atmosférica para producir ácido sulfúrico, causando la llamada lluvia ácida (Rodríguez, 1997).
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Entre el 10 y el 50% del nitrógeno inherente a la estructura del combustible produce óxidos de nitrógeno, que como los óxidos de azufre, en contacto con el agua, producen ácido nítrico, incrementando la lluvia ácida (Rodríguez, 1997).
En las reacciones de combustión a altas temperaturas el nitrógeno del aire genera óxidos nitrosos, por eso la tendencia actual es evitar altas temperaturas en los sistemas de combustión, como por ejemplo la combustión de lecho fluidizado y el tratar de bajar la temperatura en los motores de los carros (Rodríguez, 1997).
Las cenizas o subproductos de los constituyentes inorgánicos de los combustibles también pueden causar problemas de contaminación. El recurso con mayor cantidad de materia mineral es el carbón y por esto casi todos los problemas de cenizas hacen referencia a este recurso. El carbón pulverizado durante la combustión produce gran cantidad de cenizas que se pueden arrastrar por los gases, y deben removerse completamente mediante el uso de precipitadores electrostáticos (Rodríguez, 1997).
La remoción de cenizas volantes es tan importante como las de SOx y NOx. De no hacerlo las cenizas en el ambiente causan problemas a los seres vivos en los alrededores del sitio de emisión. En esencia todas las partículas deben ser atrapadas y removidas de los gases de combustión. Los elementos que no son recolectados por los ciclones y precipitadores electrostáticos se recogen mediante un lavado de humos (Rodríguez, 1997).
Entre los elementos trazas presentes en el carbón con reconocida toxicidad y volatilidad están el Be, Hg y Pb, As, Sb (Rodríguez, 1997).
Se ha encontrado que compuestos que contienen As, Cd, Cr y Ni causan problemas en los humanos, y metales como Be, Cd, Co, Cr, Mn, Ni, Pb, Ti y Zn son carcinogénicos en animales. Por esta razón, el estudio de los elementos traza de la combustión es muy importante. Aunque los medios de filtración como precipitadores electrostáticos, filtros y ciclones retiran hasta 99%, cantidades considerables de partículas microscópicas se emiten a la atmósfera. Estas partículas son altamente contaminantes debido a su alta área superficial y a que se condensan durante el enfriamiento de los gases (Rodríguez, 1997).
Otros aspectos importantes a tener en cuenta son los referentes al creciente deterioro ambiental, en gran medida como consecuencia del modelo de desarrollo mundial, basado en la extracción de recursos no renovables de forma intensiva y contaminante, que atenta contra los derechos de las poblaciones donde se desarrollan estas actividades. Se promociona también (debido al uso de estos recursos) un modelo de desarrollo que favorece a las industrias, los monocultivos, la concentración de tierras, la pérdida de los suelos, el acaparamiento del agua y la desaparición de las economías rurales. Además, la disminución de estos recursos no renovables, la gran dependencia hacia ellos y la crisis mundial actual, encarecen dichos recursos limitando su uso por parte de las comunidades urbanas y rurales (principalmente las más pobres). Estos y otros proyectos están en mayor medida orientados hacia la exportación y muchos de ellos apoyados por créditos nacionales e internacionales, haciendo de estas instituciones financieras responsables de una gigantesca deuda social y ecológica con los pueblos del mundo, entre las que se encuentra la deuda por el cambio climático (Zuluaga, 2009).
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Ahora, debido a todos estos impactos ambientales, donde juegan un papel muy importante los combustibles fósiles, se está empezando a generar conciencia tanto en los países industrializados como en los que están en vía de desarrollo para que trabajen conjuntamente en la creación de nuevas políticas que afiancen la prevención y mitigación del impacto y potencialicen programas coherentes entre investigación, desarrollo, formación de industria de energías renovables y preparación de los usuarios.
Gracias a estos esfuerzos, se han dado pasos importantes en la consecución de diferentes políticas (tanto nacionales como internacionales) que ayudarán a prevenir y mitigar estos impactos. Por ejemplo, la Agenda 21 llevada a cabo gracias a la Conferencia sobre Medio Ambiente y Desarrollo de la ONU, la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático realizada en 1992 en la Cumbre de Río, el Protocolo de Kioto desarrollado en 1997 en Japón, la Cumbre del Clima de Poznan (Polonia) en 2008, la creación del Nuevo Pacto Ecológico que se hará en abril de 2009 en Londres auspiciado por el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Cumbre que se realizará en Copenhague a finales de 2009 en Dinamarca.
Como se puede observar, el mundo está haciendo grandes esfuerzos para prevenir y mitigar los impactos ambientales, creando conciencia en los diferentes gobiernos y en los ciudadanos del mundo.
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2. METODOLOGÍA DEL PROYECTO
2.1 DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS QUE DEBE ATENDER EL SISTEMA
Hay dos elementos fundamentales para el dimensionamiento de un sistema de energías alternativas: las cargas que debe atender y el recurso disponible en el lugar (radiación solar en este caso). Con base en estos datos se diseña el sistema propuesto.
Las cargas que debe atender el sistema se determinaron a través de encuestas con los pobladores, pescadores y la maestra de la escuela que ayudaron a establecer cuáles eran las necesidades en términos de energía eléctrica que debían suplir para mejorar su calidad de vida, implementar proyectos productivos y mejorar la calidad de la educación. En el anexo 1 se muestran los formatos de las encuestas realizadas y en la Tabla 1 y Tabla 2 se presentan los resultados de las mismas.
Tabla 1. Equipos necesarios según la población.
Casa Nombre Bombillo Ventilador Grabadora Televisor Nevera Otro3
1 Francisco Martinez 5 2 1 1 1
2 Adolfo Julio 3 3 1 1
3 Lucío del Toro 2 2 1 1 1
4 Alejandro del Toro 5 3 1 1 1 1
5 Francisco Moreno 3 1 1
6 José De La Cruz 5 3 1 1 1
7 Ismael Arébalo 3 1 1 1
8 Germán Arébalo 2 1 1
9 Walter Gómez 5 1 1 1 3
10 Richard Gómez 2 1 1
11 Tomás Mercado 3 1 1
12 Pedro Moreno 5 2 1 1 1
13 Agustín Arébalo 4 1 1 1
14 Marcos Moreno 2 2 1 1
15 Miguel Jimenez 3 1 1
3 Algunos ejemplos de equipos diferentes son: Máquina de coser eléctrica, horno microondas y cafetera eléctrica.
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Casa Nombre Bombillo Ventilador Grabadora Televisor Nevera Otro4
16 Raúl Díaz 2 1 1
17 Alfonso del Toro 4 1 1
18 Fredy Arébalo 3 1 1 1
19 Benjamín Arébalo 3 2 1
20 Adan Montes 2 1 1
Tabla 2. Horas diarias de uso de cada uno de los equipos según la población.
Casa Nombre Bombillo Ventilador Grabadora Televisor
1 Francisco Martínez 3 3 7 3
2 Adolfo Julio 4 5 5 2
3 Lucío del Toro 3 3 7 2
4 Alejandro del Toro 4 4 4 3
5 Francisco Moreno 2 3 5
6 José De La Cruz 5 3 3 2
7 Ismael Arébalo 3 8 4
8 Germán Arébalo 4 3 6
9 Walter Gómez 3 5 5 3
10 Richard Gómez 5 3 4
11 Tomás Mercado 2 2
12 Pedro Moreno 3 4 5 1
13 Agustín Arébalo 4 4 3 2
14 Marcos Moreno 5 5 4 3
15 Miguel Jimenez 4 3
16 Raúl Díaz 3 6 3
17 Alfonso del Toro 2 5 4
18 Fredy Arébalo 4 4 4 2
19 Benjamín Arébalo 3 3
20 Adan Montes 2 3 1
4 Algunos ejemplos de equipos diferentes son: Máquina de coser eléctrica, horno microondas y cafetera eléctrica.
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Como se puede observar en estas encuestas los entrevistados determinaron el número de equipos y las horas de uso por día que le darían a cada uno de ellos. Después de una revisión se evidenció que la mayoría de la población de la Isla tiene necesidades energéticas comunes y por eso se decidió estandarizar la dotación por hogar de la siguiente forma:
Para el diseño se considera que cada casa contará con:
- 1 televisor, 3 horas al día. - 1 grabadora, 4 horas al día. - 3 bombillos eficientes para iluminación, 3 horas al día. - 1 ventilador, 4 horas al día.
De acuerdo con el volumen de pesca y el tiempo que requieren almacenar el producto para su posterior comercialización se decidió incluir en las cargas dos congeladores Indufrial de 22 pies cúbicos.
Además la maestra, con base en el número de estudiantes por curso, concluyó que eran necesarios tres computadores para el centro educativo con el fin de que sus estudiantes pudieran tener acceso a este tipo de tecnología.
Una vez establecidos los equipos que requiere la población es necesario determinar las características; por lo tanto, se estableció un modelo típico para cada uno de ellos. Los resultados de este proceso se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3. Estandarización de los equipos.
Carga Marca Modelo Potencia
(W) Descripción Equipos por casa
Bombillo
eficiente Philips Genie 11 11
Emisión de Luz: 570 lm
3
Eficiencia Lumínica: 52lm/W
Equivale a 50 W de lámpara
común.
6000 horas de vida
Ventilador Gforce Multi Exit
Fan 12 inch 50 Vel.de Giro 1.150rev/Min 1
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Carga Marca Modelo Potencia
(W) Descripción
Equipos
por casa
Grabadora Sony Nº Cfd - 535cp 14 Radio cassette corder, Cd, MP3,
Am, FM, Auxiliar. 1
DVD LG 7711N 14 DVD/CD/CD-R/RWVCD Player 1 para la
Escuela
Televisor Sony Nº KV - 1483
KWP Triniton 75 T.V color 1
Congelador Indufrial ICH-22R 373
Refrigerante: 134 a. 2 Para la
cooperativa
de
pescadores
Alto: 920mm
Largo: 1840 mm
Fondo: 760mm
Congelador Horizontal.
Computador **** ********* 130
800 MHz, 256 Mb de RAM, dos
ventiladores de 8 cm, disco duro
80 Gb, disquetera, CD, grabadora
CD, tarjetas: gráfica 32 Mb.
Monitor de 17 pulgadas.
3 Para la
Escuela
En la Tabla 4 se muestran las potencias y los consumos de las cargas establecidas según las especificaciones de los equipos anteriormente planteadas.
Tabla 4. Potencias y consumos de las cargas establecidas.
Carga Frecuencia
(Hz)
Potencia
(W)
# de
Equipos
Potencia Total
(W)
Uso
(Horas/día)
Consumo
Total
(Wh/día)
Bombillo
eficiente 50-60 11 71 781 3 2.343
Ventilador 60 50 23 1.150 4 4.600
Grabadora 60 14 22 308 5 1.540
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Carga Frecuencia
(Hz)
Potencia
(W)
# de
Equipos
Potencia Total
(W)
Uso
(Horas/día)
Consumo
Total
(Wh/día)
DVD 50-60 14 1 14 1 14
Televisor 50-60 75 23 1.725 3 5.175
Congelador 60 373 2 746 3 2.238
Computador 60 130 3 390 4 1.560
Potencia de
todas las
cargas
5.114 W
Consumo
total
17.470
Wh/día
Como se puede observar en la Tabla 4, después de procesar la información suministrada por la población se tiene que el consumo total es de 17,47 kWh/día lo que equivale a 23,82 kWh/vivienda/mes. En concepto del Doctor Edgar Botero5, experto en energías alternativas, este consumo es demasiado bajo y se debe ajustar a valores promedio para este tipo de población, puesto que una vez las personas tienen acceso a la electricidad, aumentan las horas de uso de los electrodomésticos y el sistema puede llegar a quedarse corto en la generación. Por ello recomendó multiplicar las horas de uso por algún factor que acerque el consumo por vivienda y mes a 50 kWh. Para cumplir con este requisito se multiplicaron las horas de uso por 2,1, esto dio como resultado un consumo diario total de 36,4 kWh lo que equivale a 49,6 kWh/vivienda/mes.
2.2 RECURSO SOLAR DISPONIBLE EN EL LUGAR
El recurso solar es el otro elemento necesario para el diseño del sistema; pues éste determina la cantidad de energía disponible para ser aprovechada por los paneles.Para ello se cuenta con varias fuentes de información entre las cuales se debe escoger aquella que se considere más apropiada:
- La primera de ellas es el atlas de radiación solar de la Unidad de Planeación Minero Energética.
- La segunda es la base de datos del Retscreen (software utilizado en el proyecto cuya descripción se encuentra en la metodología), que cuenta con información de
5 Entrevista con Edgar Botero García, Doctor en energía térmica avanzada y optimización energética. 27 de febrero de 2009.
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una estación meteorológica del IDEAM ubicada en el aeropuerto de Cartagena a unos 80 kilómetros de la ubicación real del proyecto.
- La tercera es el Atmospheric Science Data Center de la Nasa, donde vía internet se pueden obtener datos climáticos de cualquier lugar del mundo ingresando las coordenadas del mismo.
En la Figura 5 se muestra la información de la estación meteorológica del IDEAM incluida en la base de datos del Retscreen:
Figura 5. Estación Meteorológica IDEAM.
Por otro lado, el atlas de radiación solar de la Unidad de Planeación Minero Energética (ver Figura 6) consiste en una colección de 13 mapas – uno para cada mes del año y uno promedio anual – que ilustra una aproximación de promedios anuales diarios de la cantidad de energía de la radiación solar que incide por metro cuadrado de superficie horizontal sobre el territorio colombiano (Atlas de Radiación Solar de Colombia, 2005).
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Figura 6. Mapa de radiación solar en Colombia. Promedio multianual (UPME, 2005).
La intensidad solar se indica en el mapa mediante convenciones de colores desde el azul oscuro hasta el rojo oscuro. La unidad de la energía utilizada corresponde al kilovatio hora (equivalente a 3.600 kilo-julios).
El hecho de que el Atlas de radiación solar exprese los valores por medio de un código de colores que varía en intervalos de 0,5 kWh/m2, le da un grado de incertidumbre que es posible evitar acudiendo a las mediciones dadas por el Retscreen basado en la estación meteorológica del IDEAM o a los datos ofrecidos por la NASA.
De estas dos fuentes se escogió la de la NASA basándose en los siguientes criterios:
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- Fue recomendada por Mauricio Acosta Valencia6, ingeniero de Hybritech S.A (empresa de sistemas de energías alternativas con sede en Medellín), ya que es ésta la que ellos usan para los diseños de sus sistemas solares.
- De las dos fuentes es la que tiene los datos más conservadores y con esto se garantiza que el sistema no se queda corto en su dimensionamiento.
- Se trabaja con la ubicación exacta del proyecto, sin tener que recurrir a aproximaciones en este aspecto.
- HOMER, software utilizado en el desarrollo del proyecto (ver sección 2.3.1), ofrece la posibilidad, mediante la opción “Get Data Via Internet” de traer los datos directamente desde las bases de datos de la Nasa.
2.3 HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS UTILIZADAS
Teniendo en cuenta la importancia de hacer uso de los últimos avances de la informática como herramientas de apoyo en este tipo de proyectos, se decidió utilizar dos software de uso libre diseñados especialmente para la realización de este tipo de diseños. El primero de ellos es el HOMER (the micropower optimization model, del National Renewable Energy Laboratory de los Estados Unidos) que hace una modelación hora a hora del sistema y permite establecer cuál es la mejor conformación del mismo, el segundo es el Retscreen (Renewable Energy Tecnology Screen del Departamento de Recursos Naturales del Canadá) que ofrece una guía para el dimensionamiento del sistema y herramientas para el análisis de costo, financiero y de reducción de emisiones.
El trabajo se dividió de la siguiente forma: el diseño del sistema, es decir, la conformación del mismo y los componentes que se han de utilizar, se establecieron con la ayuda del HOMER, para luego ingresar estos datos al Retscreen para continuar con el análisis de costos, financiero y de reducción de emisiones.
Como se mencionó en el marco teórico, los sistemas híbridos son una muy buena opción para la energización de las zonas no interconectadas; éstos permiten aprovechar al máximo cada una de las energías utilizadas y mejorar la eficiencia del conjunto, lo que incide en su viabilidad económica. Con base en ello, se decidió, como se explica de forma detallada a continuación, ingresar al HOMER la posibilidad de un sistema de estas características.
2.3.1 Diseño del sistema y descripción general del HOMER
La información presentada en este capítulo ha sido traducida y adaptada del HOMER Getting Start Guide. En caso de que algún aparte haya sido tomado de otra fuente, ésta se mencionará de forma explícita.
6 Entrevista con Mauricio Acosta Valencia, Ingeniero de proyectos HYBRYTEC. 12 de Marzo de 2009.
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A continuación se hace una descripción del software y se explica el procedimiento que se utilizó para encontrar la mejor opción en la composición del sistema propuesto.
Este programa simula la operación del sistema haciendo balances de energía para cada una de las 8.760 horas del año. Para cada hora compara la demanda eléctrica con la energía que puede entregar el sistema y los flujos de energía entre cada una de las partes del mismo.
Lo primero que se debe hacer es construir el esquema sobre el cual el programa va a hacer las modelaciones, es decir, qué componentes debe considerar: en este caso el sistema modelará las posibles combinaciones entre un generador a gasolina, un arreglo de paneles solares, un banco de baterías, un inversor y unas cargas. En la Figura 7 se muestran los componentes.
Figura 7. Componentes del sistema que analizará el HOMER.
A continuación se deben ingresar los datos de radiación solar obtenidos a través de la fuente seleccionada; en la Figura 8 se muestra el resultado. Las coordenadas del lugar, obtenidas a través de Google EarthTM son 9 grados, 41 minutos de latitud norte y 75 grados, 42 minutos de latitud oeste. Los valores de radiación varían entre 4,7 y 5,9 kWh/m2/día, siendo el promedio 5,3 kWh/m2/día.
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Figura 8. Radiación solar.
El siguiente paso consiste en ingresar información de las cargas. Como la modelación del programa es horaria, es necesario construir la curva diaria de cargas, es decir, la forma como éstas se distribuyen, hora a hora, a lo largo del día. La información de las cargas se levantó en el lugar a través de las encuestas mencionadas anteriormente; la curva de distribución se construyó con la ayuda de algunos pobladores del lugar. El resultado se muestra en la Figura 9.
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Figura 9. Curva de distribución de cargas.
El siguiente paso es ingresar las especificaciones de cada uno de los elementos del sistema: paneles solares, generador a gasolina, inversor, baterías; estos datos son los que le permiten al software hacer la simulación y establecer cuál es la combinación más adecuada teniendo en cuenta las condiciones de radiación solar, precio de combustible y distribución de consumos.
Paneles solares:
En la Figura 10 se muestra la información de los paneles solares que ha sido ingresada como insumo para la posterior modelación.
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Figura 10. Información de los paneles.
Lo más importante en este punto es la curva de costos, es decir, cuánto cuesta este componente para diferentes potencias y los tamaños en kW que el sistema debe considerar en la modelación. Por recomendación del Doctor Edgar Botero esta curva se construyó con precios internacionales; para este caso los datos han sido obtenidos del catalogo 2008 – 2009 Renewable Energy Design Guide and Catalog de AEE SOLAR Whole sale distribution of renewable energy Systems and Equipments, página 20, módulos solares Evergreen. Se debe especificar también la vida útil, que para estos equipos, según los fabricantes es de 20 años. Puesto que los paneles se ubicarán en postes es importante definir la orientación y la inclinación adecuadas para maximizar la radiación sobre la superficie; según la teoría los paneles deben estar orientados hacia el ecuador (al sur en este caso) e inclinados con una pendiente igual a la latitud (10°) del lugar donde serán instalados. Se debe especificar el tipo de corriente de salida que por lo general es directa para alimentar las baterías o para ser convertida a alterna por el inversor y atender las cargas.
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Baterías:
Dadas las características del sistema, este funcionará a 48 V, y para lograrlo se utilizarán 4 baterías de 12 V cada una. En este punto no se analizan diferentes tipos de baterías sino la cantidad de líneas que deben ser puestas en paralelo para alcanzar la capacidad de almacenamiento necesaria. Las baterías a considerar son las HuP Solar One 2100 cycle industrial batteries de 845 Ah, página 133 del catálogo de AEE SOLAR.
Figura 11. Información de las baterías.
Generador:
Como se está contemplando la posibilidad de que el sistema sea un hibrido solar – gasolina, es necesario especificar las condiciones del generador. La curva de costo se construyó a partir de datos de YAMAHA generators, (YAMAHA GENERATORS OF NORTH AMERICA, 2008) para generadores a base de gasolina desde 2 hasta 12 kW.
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Figura 12. Información del generador a gasolina.
Inversor:
Los datos para este dispositivo se sacaron del catalogo OUTBACK product guide. Se construyó la línea de costos con inversores de 3, 3,6, y 6 kW y se consideraron tamaños que fueran múltiplos de estos valores.
Figura 13. Información del inversor.
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También se debe ingresar el precio de la gasolina que como se ha mencionado es de 10.000 pesos por galón (puesto en la Isla); como todos los datos están en dólares se hizo la conversión, usando una tasa representativa del mercado de 2.525 pesos por dólar, dando como resultado un valor de 1,04 dólares por litro.
Figura 14. Información del combustible.
De esta forma queda concluida la etapa de ingreso de la información, el sistema que el programa usará para hacer las modelaciones y establecer la mejor combinación será el que se muestra en la Figura 15. Cada uno de los elementos que se muestran en la figura mencionada tiene diferentes tamaños, por ejemplo, HOMER considerará arreglos fotovoltaicos desde 180 W hasta más de 8 kW, inversores desde 3 hasta 10.8 kW y así sucesivamente, por lo tanto se tiene como resultado que el software analizará 8960 sistemas distintos y de aquí seleccionará cuál de ellos siendo técnicamente viable ofrece la mejor relación costo/kWh generado.
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Figura 15. Sistema que considerará el HOMER en las modelaciones.
El resultado de la modelación fue el que se muestra en la Figura 16, la mejor opción es un sistema híbrido de esta forma:
Un arreglo de paneles solares con una potencia de 7,56 kW, un generador a base de gasolina de 4 kW, 4 baterías de 845 Ah y un inversor de 9 kW. Este sistema se explicará con detalle en el capítulo de resultados, pero por ahora es necesario mencionarlo ya que estos son datos de entrada necesarios para el Retscreen con el objetivo de hacer el análisis de costos, financiero y de reducción de emisiones.
Figura 16. Resultado de la modelación.
2.3.2 Descripción General del Retscreen
La información presentada en esta sección ha sido traducida y adaptada del RETScreen Software Online User Manual, Clean Energy Project Analysis publicado por el departamento de recursos naturales del gobierno de Canadá. En caso de que algún aparte haya sido tomado de otra fuente, ésta se mencionará de forma explícita.
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El RETScreen International Clean Energy Project Analysis Software puede ser usado en cualquier parte del mundo para evaluar proyectos de generación de varios tipos de energías renovables.
Este software ha sido desarrollado para eliminar las barreras en la implementación de energías limpias en las etapas preliminares de estudios de factibilidad. Éste proporciona una metodología probada para la comparación entre las fuentes alternativas y las tradicionales, además de una extensa base de datos de productos y datos climáticos importantes en el momento de hacer el modelo.
El Retscreen es una aplicación diseñada en Microsoft Excel y consta de dos clases de análisis: el método 1, que únicamente tiene en cuenta el modelo de energía, y el método 2 que además utiliza otras herramientas para el análisis financiero: el análisis de costos, la reducción de emisiones y el análisis de riesgo. Este último método será el utilizado en este caso.
Todos los modelos de tecnologías limpias del Retscreen (eólica, solar, hidráulica, etc.) son similares y facilitan la toma de una decisión con resultados muy confiables.
El modelo de proyecto fotovoltaico tiene tres aplicaciones básicas: instalaciones conectadas a la red, aisladas y bombeo de agua; éste cuenta con cinco hojas de cálculo que se deben ir llenando a medida que se avanza en el análisis del caso.
El contenido de las hojas más importantes del programa se explica a continuación:
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Hoja de cálculo “Comenzar”:
Figura 17. Información del proyecto.
Esta es la primera hoja del software, en ella se ingresa la información básica del proyecto, es decir, la que lo define:
Las celdas grises tienen únicamente propósitos informativos y de ninguna manera se utilizan en los cálculos del sistema, las cuatro primeras dan una idea del nombre, la ubicación y los realizadores del proyecto.
Tipo de proyecto: el Retscreen no sólo se utiliza para evaluar proyectos de generación de energía, también se pueden evaluar por ejemplo la generación de calor y de frío.
Tecnología: se ha de escoger el tipo de tecnología a utilizar: corrientes oceánicas, olas, geotérmica, solar térmica, fotovoltaica, eólica, entre otras.
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Tipo de red: los sistemas de generación de energías alternativas pueden estar conectados al Sistema Interconectado Nacional o estar aislados del mismo. Para este caso, por ser un sistema aislado, se elige fuera de red.
Tipo de análisis: como ya se mencionó, depende del grado de detalle que se desee, se ha elegido el dos con el fin de obtener un resultado más preciso.
Poder calorífico: es una medida de la energía liberada por el combustible cuando éste se quema por completo. Varía dependiendo de la composición (cantidad de hidrógeno) del vapor de la combustión. El poder calorífico superior PCS se calcula asumiendo que el producto de la combustión se condensa y que todo el vapor se convierte en agua. Para el poder calorífico inferior PCI se asume que el producto de la combustión permanece en forma de vapor. Según el manual, el PCS es usado en los Estados Unidos y en Canadá mientras que el PCI se utiliza para el resto del mundo.
Según Botero (2000), “desde el punto de vista de la termodinámica clásica el valor de un combustible fósil está determinado por la cantidad de energía química que el combustible en cuestión está en capacidad de liberar cuando reacciona completamente con un comburente u oxidante (aire u oxigeno) en una mezcla exacta o estequiométrica. Esta energía liberada se conoce como poder calorífico del combustible, el cual se mide experimentalmente a través de un dispositivo denominado bomba calorimétrica, donde el calor liberado por la combustión puede ser retenido y medido. La cantidad de calor retenido dependerá de la temperatura final de los productos de combustión, así, cuando existe una mezcla perfecta de combustible y comburente, originalmente a 15,6° C, se realiza la combustión, y los productos de ésta son enfriados nuevamente hasta 15,6° C, el calor total liberado se denomina poder calorífico superior (PCS), mientras que si a éste valor se le resta el calor liberado por la condensación del agua en los productos de combustión, el valor resultante se denomina poder calorífico inferior (PCI).”
Siguiendo las recomendaciones del manual, dada la ubicación del proyecto y teniendo en cuenta que lo más común es que no se aproveche la energía de condensación, se utilizará el PCI.
Las celdas siguientes son de configuración del programa, por ejemplo, la moneda que se utilizará en aspectos de costos y financieros, el idioma y sistema de unidades.
Esta hoja de comienzo también incluye un aparte sobre las condiciones de referencia del sitio, esto es, condiciones climáticas necesarias para la determinación de disponibilidad de energía primaria (en este caso la radiación solar), datos que serán indispensables en la siguiente hoja de cálculo “Modelo de energía”.
Como se explicó en la sección 2.3.1, de la descripción del HOMER, se cuenta con varias fuentes de información y la seleccionada fue la base de datos de la NASA.
Con esto queda concluida la primera hoja de cálculo del modelo que busca recopilar información fundamental para poder continuar con el proceso.
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Hoja de cálculo “Modelo de Energía”:
El Retscreen permite analizar el sistema propuesto basado en una comparación con una energía tradicional, que para este caso es una planta de generación que trabaja a base de gasolina; el análisis financiero y de reducción de emisiones se hace tomando este caso como línea base.
Esta hoja de cálculo incluye información sobre la parte técnica de los dos sistemas: el caso base (energía tradicional) y el caso propuesto (energía renovable).
En la Figura 18 se presenta la información necesaria sobre el caso de línea base y a continuación se explica cada uno de sus componentes.
Figura 18. Sistema eléctrico de potencia del caso base.
Tecnología del caso base: se debe escoger la tecnología de generación tradicional disponible en el sitio para que sirva de parámetro de comparación. Las opciones son: electricidad de la red, motor a pistones y turbina a gas. Como se mencionó, el caso de comparación para este proyecto será una planta (motor a pistones) tal como se muestra en la figura. Seguidamente se escoge el combustible que utiliza la planta, que en este caso es gasolina.
Lo que sigue a continuación son las medidas energéticas y económicas del caso:
Precio del combustible: pesos colombianos por cada litro de combustible. Para el caso este valor es de $ 2.642 incluyendo el transporte del mismo hasta la Isla.
Costos anuales de operación y mantenimiento: lubricación, mantenimiento general, reparaciones ocasionales, etc., se seleccionó el valor de $ 400.000 teniendo en cuenta un mantenimiento anual en el centro técnico de Tolú y el cambio de aceite que se debe hacer cada 100 horas de funcionamiento.
Rendimiento calórico: son los Kilo-Julios necesarios de combustible para generar un kilovatio hora de electricidad. Este dato relacionado con el costo del combustible permite establecer la tarifa de electricidad, es decir, los pesos por KWh para este sistema, lo que
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constituye un dato fundamental para el análisis financiero; esto es también una medida de la eficiencia de generación (la cantidad de energía en kJ o Btu del combustible necesaria para producir un KWh de electricidad) que permite hacer el posterior análisis de reducción de emisiones. La planta usada para el caso base es la EF6600D de Yamaha, cuyas especificaciones se muestran en la Figura 19. Puesto que esta información es fundamental para el análisis financiero y de reducción de emisiones (ya que es esta relación la que determina el consumo de combustible) es necesario ajustarla a la realidad de este tipo de proyectos en el país. En comunidades aisladas lo usual es que se tenga una planta a base de combustible (gasolina en este caso) funcionando seis horas al día (este es el caso del Islote de Santa Cruz, comunidad aislada de la red de interconexión a pocos kilómetros de la Isla de Boquerón); por lo tanto, para encontrar la relación kJ/kWh se utilizó el consumo por hora suministrado por el fabricante y las horas de uso por día mencionadas (ver Tabla 5).
Tabla 5. Rendimiento calórico del generador del caso base.
Consumo Combustible
Consumo (L/h) 3,2
Uso (h/día) 6
L/día 19,2
L/año 7.008
Relación kJ/kWh
PCI gasolina (kJ/kg) 44.000
Densidad Gasolina (kg/L) 0,73
PCI por litro (kJ/L) 31.966,43
Energía generada (kWh/año) 13.295
Litros/kWh generado 0,527115
kJ/kWh 16.850
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Figura 19. Especificaciones del generador para el caso base.
Con estos elementos queda definido el caso base, en sus aspectos energéticos y económicos, lo que sienta las bases para los análisis de comparación del sistema fotovoltaico propuesto.
Posteriormente, como se muestra en la Figura 20, se deben establecer las cargas que atenderá el sistema, especificando si son corriente alterna o corriente continua, la potencia en vatios de cada uno de los aparatos, y el uso en horas por día y días por semana. Estos datos son de suma importancia, ya que con base en la carga que se debe atender es que se dimensiona el sistema de generación.
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Figura 20. Características de la carga.
Descripción: nombre del electrodoméstico.
CC/CA: aquí se especifica si trabaja a corriente continua o corriente alterna.
Correlación recurso-carga intermitente: esta puede ser: positivo, negativo o cero. Negativo corresponde a casos donde la carga es muy irregular o se genera normalmente cuando el recurso no está disponible (en la noche); el modelo considera que la carga es alimentada siempre desde las baterías. Cero se utiliza para cargas estáticas; el modelo considera que la carga es constante y por tanto es alimentada parte directamente de los paneles y parte desde las baterías. Positivo se usa para cargas que funcionan cuando el recurso está disponible y la batería no cumple ninguna función.
Carga: es la potencia de dicha carga expresada en vatios (W). Para este caso por ejemplo, se utilizan 71 bombillos eficientes con una potencia de 11 W cada uno, esto da como resultado 781 W.
Horas de uso por día: cada uno de los elementos se utiliza durante algunas horas al día; con este dato y la potencia del mismo se calcula el consumo en kWh.
Días de uso por semana: algunos elementos se utilizan durante algunos días específicos, esto se debe registrar en este espacio. Este dato sirve para refinar el cálculo del
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consumo. En este caso, por ejemplo, el DVD y los computadores solo se encienden en semana por ser elementos que están al servicio de la escuela.
Con base en la información suministrada el software determina la demanda eléctrica diaria y anual; para el caso de análisis son 17,02 kWh y 6.209 MWh de corriente alterna respectivamente.
Carga punta anual: el usuario debe ingresar la carga punta anual que es la máxima carga que debe atender el sistema en un instante. Normalmente, no todos los aparatos se encienden al mismo tiempo; por lo tanto, este valor debe ser menor (cuando máximo igual) a la sumatoria de las cargas descritas en la Figura 20.
En la Figura 21 se muestran las características del sistema propuesto, y posteriormente se presenta una breve explicación de cada uno de sus componentes.
Figura 21. Sistema eléctrico de potencia del caso propuesto.
Inversor: para determinar la capacidad del inversor se debe tener en cuenta la carga de punta anual de corriente alterna (que para este caso coincide con la carga de punta anual total, puesto que todo se alimentará con CA). En este aparte es importante especificar la eficiencia del equipo.
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Baterías:
Días de autonomía: se debe ingresar el número de días que el sistema, iniciando desde carga completa, estará en capacidad de entregar energía utilizando solo las baterías. Dependiendo de las condiciones del sitio, este valor puede variar desde 2 hasta 10 días. Por la radiación (alta y más o menos constante) de la zona de ubicación del proyecto y por tratarse de un sistema híbrido se escogió un valor de 2 para este parámetro.
Tensión: aquí se ha de ingresar el voltaje nominal del banco de baterías en voltios. Los voltajes típicos son 6, 12, 18, 24, 36, 48, 72. Para el caso se seleccionó, con base en la potencia y demás características del sistema ya definidas, que el voltaje nominal de las baterías sea de 48 voltios.
Eficiencia: cada uno de los componentes del sistema tiene una eficiencia, que será necesario establecer para calcular las pérdidas de energía. En esta celda se debe ingresar la eficiencia de la batería a una temperatura de 25 °C facilitada por el fabricante de la misma. Posteriormente se pide la eficiencia del controlador de carga, que como se puede observar es de 97%, valor facilitado por el fabricante del mismo.
Máxima profundidad de descarga: se ingresa la máxima profundidad de descarga de la batería sin que ésta tenga una pérdida anormal de su vida útil. Para sistemas fotovoltaicos se aconsejan valores alrededor del 70%.
Método de control de temperatura: aquí se debe especificar la temperatura a la que estará la batería. Las opciones son: ambiente, en caso de que esté sometida a las fluctuaciones de la temperatura exterior. Constante, en caso de que la batería se instale en un lugar con temperatura controlada, y mínimo, cuando está expuesta a la temperatura ambiente excepto cuando esta baja de cierto nivel.
Capacidad: la capacidad de las baterías en Ah, depende de las cargas, el voltaje, los días de autonomía y la profundidad de descarga de las mismas. El software calcula una capacidad sugerida que puede tomarse como primera aproximación.
Módulos fotovoltaicos:
Modo de rastreo solar: se debe especificar si el sistema cuenta con un método de rastreo solar. De ser así, indicar si es de uno o dos ejes. Para este caso estará fijo y no habrá movimiento en ninguno de los ejes.
Inclinación y azimut: el primero es el ángulo entre el colector solar y la horizontal en grados, y el segundo la dirección del panel con respecto al meridiano local, con un valor de cero en el sur. Es importante anotar que esto se refiere al sur geográfico y no magnético, por esto es importante tener en cuenta la declinación magnética.
Si se va diseñar la estructura es importante buscar un valor de inclinación y de orientación adecuados (dependiendo de la ubicación del proyecto) para aprovechar al máximo la radicación solar. Si se va a instalar sobre una estructura existente se debe considerar el cambio de radiación con respecto a una superficie horizontal para tomar una decisión.
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Tipo de panel: como se explicó en el marco teórico, hay diferentes tipos de paneles. Aquí se debe seleccionar de una lista desplegable el que se va a utilizar en la instalación. Se seleccionó un panel de silicio policristalino ya que actualmente presentan una buena relación costo – eficiencia. Son más eficientes que los de silicio amorfo y menos costosos que los de silicio monocristalino.
Capacidad de generación eléctrica: la capacidad de generación eléctrica está relacionada con la potencia pico de los paneles seleccionados y la cantidad de los mismos.
A continuación se ingresan los datos del fabricante y del modelo del panel seleccionado:
Rastreador de máxima potencia: este dispositivo conocido por sus siglas en inglés MPPT, cumple la función de ajustar la tensión para que los paneles puedan entregar la máxima potencia. Aquí se debe especificar si la instalación contará con uno o no.
Pérdidas varias: hay pérdidas que no se han tenido en cuenta en el modelo. Esto incluye, por ejemplo, la presencia de polvo o nieve en los módulos. Los valores típicos varían entre 0 y 10%.
Sistema eléctrico de potencia de carga punta: está diseñado para entregar la electricidad que no pueda ser producida por el sistema fotovoltaico, ya sea por capacidad insuficiente o para cubrir cortes programados.
Se debe especificar el tipo de combustible que utiliza, el precio del mismo, la eficiencia del cargador y el rendimiento calórico, que en este caso es el correspondiente a una planta Yamaha EF4000D. Puesto que el diseño técnico del sistema se ha realizado en el HOMER, es necesario que el consumo de gasolina del RETSCREEN concuerde con el obtenido a través del software mencionado; este fue el criterio que se tuvo en cuenta para determinar el rendimiento.
Los cálculos se muestran en la
Tabla 6.
Figura 22. Sistema eléctrico de potencia de carga.
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Figura 23. Especificaciones del generador del sistema híbrido.
Tabla 6. Rendimiento calórico del generador del sistema híbrido.
Consumo Combustible
L/año (Modelación HOMER) 1.188
Relación kJ/kWh
PCI gasolina (kJ/kg) 44.000
Densidad Gasolina (kg/L) 0,73
PCI por litro (kJ/L) 32.303
Energía generada (kWh/año) 1.800
Litros/kWh generado 0,66
kJ/kWh 21.320
Hoja de cálculo “Análisis de emisiones”:
Para realizar el análisis ambiental del proyecto se utilizan los resultados suministrados por el programa RETScreen, los cuales son básicamente cálculos de la capacidad que tiene el sistema propuesto de reducir emisiones al ambiente (comparándolo con el caso base).
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Como en esta hoja sólo se muestran los resultados del caso base y del propuesto, lo que se debe hacer es interpretar cada uno de ellos conforme se vaya observando cada dato (tipo de combustible, mezcla de combustible, factor de emisión de CO2, CH4 y N2O, consumo de combustible, factor de emisión, emisiones de Gases Efecto Invernadero “GEI” y la reducción de emisiones GEI anual neta para cada caso), para lograr un mejor análisis de lo obtenido.
Cabe anotar que en las celdas donde se encuentra el consumo de combustible y el factor de emisión de GEI, se puede escoger la unidad en la cual se quiere obtener el resultado, teniendo como opción GJ o MWh (para el consumo) y tCO2/MWh o kgCO2/kWh (para el factor). Además, se tiene la posibilidad de hallar la equivalencia de reducción de emisiones GEI anuales netas con parámetros fáciles de conceptualizar, tales como:
• Autos y camiones livianos no utilizados
• Litros de gasolina no consumidos
• Barriles de petróleo crudo no consumido
• Personas que reducen el consumo de energía en un 20%
• Hectáreas de bosque absorbiendo carbón
• Toneladas de desecho reciclado
Aspectos legales
Uno de los puntos importantes a la hora de llevar a cabo un proyecto, es la revisión de los aspectos legales, los cuales sirven de apoyo para identificar las leyes que están vigentes y que aplicarían al proyecto.
La forma utilizada para identificarlas y analizarlas, fue por medio de la búsqueda de leyes concernientes con el proyecto aquí presentado, por lo que se dio a la tarea de observar en la página del MAVDT, MME y en la UPME cuales de éstas aplicaban o no.
Para complementar dicha búsqueda y por ende no ignorar alguna ley importante, se consultó a expertos7 en el tema para que dieran un concepto más acertado de cuales leyes podrían o no aplicar al proyecto.
7 Julio González Villa, Abogado especialista en derecho ambiental y Edgar Botero, experto en energías alternativas.
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Análisis financiero
Con base en los costos del proyecto y los ahorros que este genera se hizo un análisis de la viabilidad financiera con apoyo de la hoja de cálculo que para estos efectos tiene el RETSCREEN. Se analizó, tal y como se muestra en la Sección 3.5, el valor presente neto del proyecto, la tasa interna de retorno, los flujos de caja y el tiempo de retorno de la inversión.
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3. DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1 RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA
3.1.1 Componentes del sistema
Como se explicó en la metodología, para el diseño del sistema de generación de energía se utilizó el software HOMER. A través de éste, después de haberle ingresado los datos de entrada de los elementos que debía considerar y los diferentes tamaños de cada uno de los mismos, así como los datos de las cargas, de radiación y del combustible, encontró que la mejor opción en este caso era un sistema híbrido Solar – Gasolina con las siguientes características:
Paneles solares: 7,56 kW de potencia lograda mediante 36 paneles Evergreen de 210 Wp. Por recomendación del fabricante se deben instalar 3 paneles en serie para sistemas que trabajen a 48 V (como es el caso). El sistema queda con 12 líneas de tres paneles en serie conectadas entre ellas en paralelo. Las características del panel seleccionado se muestran en la Figura 24.
Figura 24. Paneles solares seleccionados.
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Controlador de carga: El sistema contará con 2 controladores de carga Flexmax 80 marca Outback con MPPT (max power point tracking o seguidor de punto de máxima potencia) de 4.000 W, 1 por cada 6 líneas de paneles. En la Figura 25 se muestran las características del controlador de carga seleccionado.
Figura 25. Controlador de carga seleccionado.
El dispositivo controlador para las funciones de carga permite monitorear y manejar los inversores/cargadores, y establecer parámetros para el encendido del generador. Con base en el estado de carga de la batería o en las cargas que se deben atender, se ha elegido el Mate de Outback cuyas características se muestran en la Figura 26.
Figura 26. Dispositivo controlador de funciones.
El inversor a utilizar será el FX3048T marca Outback de 3.000 W. Como la potencia del inversor/cargador del sistema debe ser de 9.000 W se instalarán tres de estos en serie. En la Figura 27 se muestran las características.
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Figura 27. Inversor/Cargador seleccionado.
El banco de baterías estará conformado por 4 baterías de 12 voltios y 845 Ah conectadas en serie para alcanzar un voltaje del sistema de 48 v. La batería seleccionada fue la SO-6-85-17 de HuP Solar One y se trabajará con una profundidad de descarga del 70%.
Figura 28. Acumulador seleccionado.
Puesto que el HOMER ha encontrado que la mejor opción para el lugar es un sistema hibrido, es decir, un sistema a base de energía solar con un generador a gasolina que cubra los picos de consumo, se escogió un generador Yamaha de 4 kW cuyas especificaciones se exponen en la Figura 29.
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Figura 29. Generador para el caso propuesto.
3.1.2 Descripción y funcionamiento del sistema
La Figura 30 muestra la parte eléctrica del sistema. Se puede observar que la generación anual de energía es de 13 MWh, de los cuales el 86% son generados por los paneles, mientras que el 4% restante los produce el generador. El exceso de energía generado por el sistema es de un 7%.
Figura 30. Características eléctricas del sistema.
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Figura 31. Desempeño de los módulos fotovoltaicos.
En la figura anterior se puede observar la generación de los módulos fotovoltaicos. Se tiene que la potencia instalada es de 7,56 kW, que bajo las condiciones de radiación del lugar generan en promedio 38,8 kWh/día, con salidas mínimas de 0, en las horas de la noche y máximas de 8,98 cerca del medio día.
Figura 32. Desempeño de las baterías.
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En cuanto a las baterías, se observa en la Figura 32 que el estado de carga promedio está entre el 60 y el 80%. Con valores mínimos del 30% y máximos del 100%, de la gráfica se puede ver que los máximos valores de carga de las baterías se presentan en las horas de la tarde, después de haber recibido la energía entregada por los paneles. La gráfica también muestra que la capacidad nominal de las baterías en kWh es de 40,6, de los cuales se pueden utilizar 28,4 con el fin de no sobrepasar una profundidad de descarga del 70% para asegurar una buena vida útil de las mismas.
Figura 33. Día típico de funcionamiento del sistema.
La figura anterior muestra el desempeño del sistema durante 24 horas en un día de funcionamiento. Se puede observar como en las primeras horas del día, cuando no hay generación de los paneles, o esta no es suficiente, disminuye el estado de carga de las baterías, y en las horas de la noche, después del máximo pico de consumo, se alcanzan valores cercanos al 30% lo que ocasiona el encendido del generador para atender las cargas y entregar energía a las baterías.
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Figura 34. Papel del generador en el sistema.
La Figura 34, que muestra 18 días de funcionamiento del sistema, da una idea del papel del generador en el sistema. Se puede observar que las fluctuaciones de carga en el banco de baterías, debido a las demandas energéticas de la población, son suplidas por los paneles fotovoltaicos en la mayoría de los casos, pero cuando se llega a la máxima profundidad de descarga (70%), se enciende el generador durante las horas necesarias para llevar la carga a valores cercanos al 100%.
3.2 IDENTIFICACIÓN DEL LUGAR MÁS ADECUADO PARA LA LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO
La Isla cuenta con un lote común donde están ubicados el salón social y la escuela, ver Figura 35. Este ha sido el sitio escogido para la ubicación del sistema por las siguientes razones:
- Condiciones de sombra: puesto que la radiación solar es la “materia prima” del sistema fotovoltaico, no debe haber objetos (árboles, edificaciones, etc.) que hagan sombra sobre el arreglo de paneles. Este es un lugar despejado que cumple perfectamente con este requisito.
- Ocupación de área: los paneles se instalarán en postes, ya que según expertos, esta es la forma más eficiente de ubicarlos y como menor área ocupan. Se utilizarán 4 postes con 9 paneles en cada uno de ellos.
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Figura 35. Lugar para el montaje del sistema.
En este caso la topografía no fue un factor a considerar, ya que la Isla no tiene accidentes geográficos ni cambios de pendiente significativos. El acceso es igualmente fácil a cualquier lugar de la Isla, ya que este se hace por mar y hay forma de desembarcar a lo largo de toda la costa.
Se hace necesaria la construcción de una caseta de materiales no inflamables, con piso de concreto, de aproximadamente 8 m2 donde se ubicará el generador, las baterías, y los equipos de regulación del sistema, ver Figura 36.
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Figura 36. Esquema de caseta para equipos de control y generador, www.afinidadelectrica.com, 2007.
3.3 CONSIDERACIONES AMBIENTALES
Aunque los impactos en la implementación de un sistema de energías alternativas son en su mayoría positivos, es conveniente hacer una recopilación general de las repercusiones que sobre el ambiente y la población puede tener el proyecto. No se hará más énfasis en la reducción de emisiones que genera el proyecto en contraste con la generación a través de un mecanismo tradicional, puesto que esto queda en evidencia de forma explícita en la sección 3.6 de Análisis de emisiones. Tampoco se analizará el ciclo de vida de los elementos que conforman el sistema, ya que este análisis rebasa el alcance del presente trabajo, en consecuencia no se considerarán los impactos generados por la fabricación de los módulos, baterías, inversores y demás, ni los problemas que pueda generar su disposición final.
Con base en lo anterior, esta evaluación queda acotada por la construcción del proyecto y la operación del mismo durante su vida útil. Se hace hincapié en la ventaja de que una vez instalado, la Isla se convierte en un sistema semi – cerrado desde el punto de vista energético, con capacidad para producir in – situ la mayor parte de la energía que consumen sus habitantes, teniendo presente la excepción de las entradas esporádicas de combustible y generación de emisiones producto de la operación de la planta que estabiliza el sistema.
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Los ecosistemas insulares son muy sensibles a cualquier tipo de impacto ambiental por la imposibilidad de migración a otros territorios de las especies afectadas, por lo tanto es importante considerar los impactos por leves que parezcan.
Durante la fase de construcción se pueden presentar aspectos ambientales como:
- Generación de residuos sólidos no peligrosos.
- Generación de ruido.
- Generación de emisiones fugitivas (material particulado).
- Consumo de agua.
- Consumo de energía.
Los aspectos mencionados se presentan en las etapas de transporte de los materiales y los equipos hasta la Isla, montaje de los paneles y otros elementos del sistema, construcción de la caseta donde se ubicarán las baterías y tendido de la línea de distribución.
Durante la fase de operación se presentan los siguientes aspectos:
- Generación de emisiones (operación de planta a gasolina).
- Generación de residuos peligrosos (cambio de baterías en el año 11).
- Generación de residuos no peligrosos (operación del sistema y planta a gasolina).
- Generación de ruido (operación de planta a gasolina).
Además, se presenta un impacto visual por la ubicación de los postes que soportan los paneles, ya que los mismos deben estar en un lugar despejado donde no haya obstáculos para la radiación.
Aunque no se hizo un estudio de la fauna y la flora de la Isla, se puede evidenciar que la gran mayoría se encuentra en las zonas de manglar que aún persisten y por tanto no se ve afectada por el proyecto; se recomienda diseñar un adecuado plan de manejo ambiental, tanto para la construcción como para la operación del proyecto a fin de garantizar que los aspectos mencionados no generen impactos significativos que puedan alterar los ecosistemas.
En cuanto a los impactos sociales se deben considerar los efectos que tendrá la llegada de la electricidad a la Isla, entre otros podemos esperar:
- Pérdida de la tradición oral.
- Cambio en los hábitos de la población (rutina).
- Pérdida de las costumbres.
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Para mitigar estos impactos se debe diseñar una estrategia que le cree a los pobladores una conciencia de la importancia de sus tradiciones y costumbres; hacer un acompañamiento en la introducción a las nuevas tecnologías (como la Internet) y en general evitar que el progreso y las comodidades que llegan con este servicio tengan efectos irreversibles desde el punto de vista sociológico.
3.4 ANÁLISIS DE COSTOS
Puesto que el RETSCREEN es un software diseñado por el departamento de recursos naturales del Canadá no se ajusta por completo a la realidad colombiana en general y a este proyecto en particular, ya que tiene en cuenta costos, por ejemplo de gerencia, que no aplican para el caso; esto lleva a que haya sido necesario hacer algunos ajustes para que el análisis financiero refleje los rubros reales del proyecto. Es decir llevar los costos reales de este tipo de proyectos: iniciales, anuales y periódicos y plasmarlos en la hoja de cálculo.
El software permite hacer dos tipos de análisis; en este caso se utilizó el Método 1, que es un poco más general y se divide básicamente en tres tipos de costos: iniciales, anuales y periódicos.
En los costos iniciales están los siguientes conceptos:
• Estudio de factibilidad: evaluación del sitio, diseño preliminar del proyecto.
• Desarrollo: instalación del proyecto en lugar previamente seleccionado.
• Sistema eléctrico de potencia: incluye el valor de los paneles fotovoltaicos, del generador a gasolina, del inversor/cargador y de las baterías.
• Balance del sistema y misceláneos: se incluye el controlador de carga.
En los costos anuales se consideran la operación y el mantenimiento del sistema propuesto, incluyendo el costo de la gasolina del generador que se empleará.
Hay ciertos costos cuya periodicidad no es anual, como las baterías, cuya vida útil es menor que la del resto del sistema, por lo que sus reposiciones se deben tener en cuenta en el análisis de costos.
El otro elemento fundamental para el análisis financiero es el ahorro que se genera por la implementación del sistema propuesto que consiste en el combustible que se deja de consumir. Esto se calcula como un ahorro anual que corresponde al precio de los litros de gasolina que necesita el caso base (energía tradicional) para generar la misma cantidad de energía.
Los costos de los equipos, los accesorios y la instalación del sistema fueron suministrados por HYBRYTEC y el transporte por Lafe Sierra S.A. Las cotizaciones se muestran en los anexo 2 y 3.
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En la Figura 37 se muestra la tabla de costos iniciales. Se puede observar que cerca del 87% de estos costos corresponden al sistema eléctrico de potencia, es decir, paneles, generador, inversor y baterías, mientras que el 13% restante está representado por el estudio de factibilidad, la instalación y el controlador de carga.
Figura 37. Costos iniciales del proyecto.
En la Figura 38 se exponen los costos anuales, los ahorros anuales y los costos periódicos. Los primeros incluyen el consumo de gasolina del caso propuesto, el aceite y el mantenimiento del generador; los segundos son los costos del combustible del caso base; y los últimos comprenden a la reposición de las baterías que se debe hacer en el año 11 y al valor de salvamento del proyecto que se decidió establecer en el 15% del valor inicial del mismo, basándose en experiencias de proyectos similares en la zona (Hotel Decameron Isla Palma8).
8 Información suministrada por Jorge Armando Pérez, empleado del Hotel.
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Figura 38. Costos anuales, ahorros anuales y costos periódicos.
3.5 ANÁLISIS FINANCIERO
Para la realización del análisis financiero es necesario establecer ciertos parámetros como la tasa de inflación proyectada para los próximos 20 años y la tasa de incremento del precio de los combustibles para el mismo período; de igual forma se debe fijar la tasa de descuento de quien realiza el proyecto.
La hoja de análisis financiero del RETSCREEN toma los costos y los ahorros descritos anteriormente y los lleva a valor presente. Presenta indicadores como la tasa interna de retorno (TIR), el periodo de retorno de la inversión, la relación costo beneficio del proyecto y los flujos de caja anuales, además del costo de reducción de cada tonelada de CO2. En la Figura 39 se presenta el resumen de costos del proyecto con base en el cual se hacen los cálculos financieros.
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Figura 39. Resumen de costos del proyecto.
La tasa de inflación es un valor de difícil predicción para el cual no fue posible encontrar proyecciones a largo plazo; por lo tanto, se utilizó un promedio de los últimos 5 años, y se hizo la suposición de que se mantendrá este comportamiento durante el período de la vida útil del proyecto. Los valores se presentan en la Figura 40 cuyo resultado es de 5,6%.
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Figura 40. Inflación histórica en Colombia, www.BusinessCol.com, 2009.
Para la tasa de incremento del precio de los combustibles se utilizó una proyección de la UPME a 2020 (Figura 41 – anexo 4) que arrojó como resultado un incremento promedio de 3% anual. En la
Tabla 7 se muestra la variación en el precio con su respectivo incremento porcentual.
Figura 41.Sistema de información de petróleo y gas colombiano, UPME. Proyección de precios de los combustibles.
Tabla 7. Incremento porcentual en precios de la gasolina corriente.
Año Precio
/Galón Incremento
2010 8420
2011 8729 3.67%
2012 9117 4.44%
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2013 9436 3.50%
Año Precio
/Galón Incremento
2014 9915 5.08%
2015 10204 2.91%
2016 10436 2.27%
2017 10627 1.83%
2018 10914 2.70%
2019 11117 1.86%
2020 11291 1.57%
Estos proyectos sociales suponen que no se realizan con ánimo de lucro, sino, básicamente por los beneficios sociales que representan. Por esto, la tasa de descuento (es decir, la rentabilidad esperada por el inversionista) se fijó en el mismo valor que la inflación esperada con el único fin de mantener el valor del dinero en el tiempo.
Con los valores de inflación, tasa de incremento de los combustibles y la tasa de descuento determinados, se obtienen los parámetros financieros necesarios para evaluar la viabilidad económica del proyecto.
Hay varios parámetros que ayudan en la toma de la decisión, ellos son: la tasa interna de retorno del proyecto, el tiempo de retorno de la inversión y la relación costo beneficio. Estos parámetros se muestran en la Figura 42.
El período de retorno de la inversión para este caso fue de 15,1 años, que es el periodo en el que los flujos de caja acumulados se tornan positivos; aunque es un tiempo bastante largo es importante recordar el carácter social del proyecto. La TIR del proyecto es de 5,9%, valor algo mayor al 5,6% de la inflación y la tasa de descuento; esto hace que la relación costo beneficio esté un poco por encima de la unidad, lo que significa en términos financieros que el proyecto es viable en este aspecto.
El valor presente neto depende de la relación entre la tasa de descuento y la tasa interna de retorno, en este caso es positivo pero cercano a cero, esto se debe a que la tasa de descuento está por debajo (pero muy cerca) de la TIR.
83
Figura 42. Parámetros financieros.
Figura 43. Flujos de caja anuales.
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En la Figura 43 se observan los flujos de caja acumulados del proyecto. En el año cero solo hay salidas de efectivo (los costos iniciales), pero a partir del año 1 hay ingresos equivalentes al ahorro de combustible generado por el sistema propuesto. Como se mencionó anteriormente, hay algunos costos periódicos como el cambio de baterías en el año 11 que genera unos egresos de $ 50.338.059. En la Figura 44 se muestran los flujos de caja acumulados durante la vida útil del proyecto; se observa que a partir del año 15 los flujos de caja acumulados son positivos. En la Figura 44 se observan dos cambios de pendiente: el primero de ellos en el año 11 que corresponde a la reposición de las baterías, y el segundo al finalizar la vida útil del proyecto que corresponde al salvamento del proyecto.
Figura 44. Flujo de caja acumulado.
Algo importante para resaltar es que el análisis financiero se hace en comparación con una energía tradicional de acuerdo con casos similares en la zona; en este caso, por ejemplo, se compara contra una planta a gasolina que entra en funcionamiento durante 6 horas al día, por lo tanto, más importante que las ventajas financieras del proyecto son los beneficios ambientales (reducción de emisiones como se explica más adelante) y sociales (posibilidad de contar con una fuente fiable de energía las 24 horas del día).
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3.6 ANÁLISIS DE EMISIONES
Todo proyecto que utilice combustibles fósiles durante su operación emite Gases Efecto Invernadero (GEI), que según su cantidad y duración pueden generar contaminación al ambiente y por ende a la comunidad en general. Es por esto que cuando se piensa llevar a cabo una idea de generación de energía limpia o de otro tipo (con una nueva tecnología), se debe realizar un análisis de las emisiones que puedan o no producirse durante la operación y compararlas con una de tecnología convencional para así conocer cuál es la ventaja de tenerla y aplicarla.
De acuerdo con lo anterior, y como se mostró en la metodología, se presentará a continuación un análisis de las emisiones que se producirán durante la operación (con la ayuda del programa RETScreen), tanto del caso base como del propuesto.
Figura 45. Análisis de emisiones caso base y caso propuesto.
En la Figura 45, donde se muestra la hoja de resultados obtenidos por medio del programa RETScreen, se puede observar que en él se hace referencia al caso base (gasolina) y al propuesto (gasolina - solar). Además, para ambos casos se tiene la mezcla de combustible, los factores de emisión (CO2, CH4 y N2O), el consumo de combustible y el factor de emisión y las emisiones GEI.
La mezcla de combustible hace referencia al porcentaje de participación de la gasolina y la energía solar en la generación de energía a partir de los datos suministrados durante el diseño del sistema (en la hoja modelo de energía). Siendo para el primer caso 100% de gasolina y para el segundo 46,4% de gasolina y 53,6% del sol.
Los factores de emisión del CO2, CH4 y N2O dados en kilogramos/Gigajoule son para los dos casos de 75,7, 0,03 y 0,002 kg/GJ respectivamente. La diferencia está al momento de totalizar los datos, ya que el programa lo que hace es multiplicar estos factores con el porcentaje de participación de cada combustible (ver Figura 45). Además, éstos son calculados de acuerdo con el tipo y a la calidad del combustible y a la clase y tamaño de
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los equipos utilizados; y representan la masa de GEI emitidos por unidad de energía generada. Se debe tener en cuenta que estos factores son obtenidos de la base de datos del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) y de valores estándares de la industria, los cuales se adaptan muy bien a las condiciones del proyecto.
El consumo de combustible se da en megavatios por hora y se calcula de acuerdo con los datos suministrados en la hoja modelo de energía y al consumo total de cada tipo de combustible. Para el caso base es de 62 MWh y para el propuesto es de 21 MWh.
El factor de emisión GEI está dado en toneladas de CO2/Megavatios – hora y es calculado con respecto a cada valor de los diferentes factores de emisión. Dando así para el caso base un valor de 0,277 tCO2/MWh y para el propuesto uno de 0,128 tCO2/MWh (se calcula como se enuncio en los factores de emisión del CO2, CH4 y N2O).
Las emisiones GEI están dadas en toneladas de CO2 y para llevar a cabo su cálculo, es necesario que tanto las emisiones de CH4 como las de N2O se conviertan a emisiones equivalentes de CO2 en términos de su potencial de calentamiento global, luego se multiplica el consumo de combustible con el factor de emisión GEI y se tiene como resultado que para el primer caso hay un total de 17 tCO2 y para el segundo un total de 3 tCO2 emitidas a la atmósfera.
Después de realizar los diferentes cálculos y tener las toneladas emitidas de CO2 de cada propuesta, se hace la comparación entre ambas para conocer la reducción de emisiones GEI en caso de llevar a cabo el proyecto propuesto. Esta diferencia muestra como resultado una disminución anual neta de 14,5 tCO2 emitidas a la atmósfera, pero si se proyecta el cálculo durante el tiempo de vida de esta alternativa (20 años), se tiene una reducción de GEI neta de 290 toneladas de CO2. Cabe anotar, que en esta oportunidad no se tienen en cuenta los derechos de transacción por créditos GEI debido al tamaño del proyecto y a la pequeña cantidad de emisiones dejadas de emitir por el mismo. Además, si se tuviera un porcentaje significativo se reflejaría en una emisión menor pero en un mayor beneficio económico. Lo cual podría ser mucho más llamativo para un inversionista.
En concordancia con lo dicho anteriormente y para facilitar la comprensión de los resultados, el programa RETScreen permite realizar una comparación entre las emisiones GEI anuales netas y unidades fáciles de conceptualizar. Como se muestra en la siguiente tabla:
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Tabla 8. Equivalencia de reducción de emisiones con respecto a otros parámetros.
Reducción de emisiones
GEI anual neta (Toneladas de CO2) Equivalencia
14,5
2,9 autos y camiones livianos no utilizados
5.896 litros de gasolina no consumidos
30,1 barriles de petróleo crudo no consumido
14,5 personas que reducen el consumo de energía en 20%
5 hectáreas de bosque absorbiendo carbón
4,9 toneladas de desecho reciclado
Pero si se quiere se puede proyectar y calcular la reducción de emisiones GEI a lo largo de la vida del proyecto (ver Tabla 9).
Tabla 9. Equivalencia de reducción de emisiones con respecto a otros parámetros durante la vida del proyecto.
Reducción de emisiones GEI – 20
años (Toneladas de CO2) Equivalencia
290
117.920 litros de gasolina no consumidos
602 barriles de petróleo crudo no consumido
290 personas que reducen el consumo de energía en 20%
100 hectáreas de bosque absorbiendo carbón
98 toneladas de desecho reciclado
Ahora, como se puede observar en la
Tabla 8, en la Tabla 9 y en la Figura 45, las reducciones alcanzadas por el proyecto durante su vida, le brindan un soporte importante tanto al ambiente como a las comunidades que están directa e indirectamente relacionadas con este tipo de ideas. Además, se tiene una gran ventaja con respecto al tipo de energía convencional, ya que al ser renovable lo único que se debe hacer para continuar reduciendo GEI es cambiar los equipos que ayudan a captar la radicación solar para convertirla en electricidad; lo cual no pasa con las no renovables, debido a que cuando se acabe la fuente no habrá forma de continuar usando este tipo de energía.
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89
3.7 ASPECTOS LEGALES
Haciendo la revisión respectiva de los aspectos legales que estarían asociados al proyecto, se debe tener en cuenta que en Colombia se ha venido trabajando de manera intensiva en un buen manejo legal ambiental de los diferentes proyectos que se llevan y se llevarán a cabo. Es por ello que en el país se han realizado algunas normas para apoyar dichas iniciativas, tales como:
La ley 633 de 2000, que en su artículo 82 crea el Fondo de Apoyo financiero para la energización de las Zonas no Interconectadas (FAZNI).
La ley 697 de 2001, mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la energía, y se promueve la utilización de energías alternativas.
En 2003 surgió el decreto 3683, en el cual se declara el uso racional y eficiente de la energía (URE) como un asunto de interés social, público y de conveniencia nacional, se hace énfasis en las fuentes no convencionales de energía y se crea el programa de uso racional y eficiente de la energía y de las demás formas de energía no convencionales (PROURE).
En el 2006, la ley 1117 dice que los subsidios del sector eléctrico para las zonas no interconectadas se otorgarán a los usuarios en las condiciones y los porcentajes que defina el Ministerio de Minas Energía (MME).
Se expiden lineamientos frente a la sustitución de fuentes lumínicas de baja eficiencia por fuentes lumínicas de alta eficiencia en los decretos 2331/2007, 895/2008, 3450/2008 y en la resolución MME 180606/2008; además, a partir del primero de enero del 2011 no se permitirá en el territorio de la República de Colombia, la importación, distribución, comercialización y utilización de fuentes de iluminación de baja eficacia.
De acuerdo a las leyes mencionadas previamente, para el tipo de proyecto presentado no es necesario obtener la licencia ambiental, debido a las características del sistema y a la fuente de generación de energía a utilizar (principalmente renovable). Esto se puede observar al remitirse al decreto 1220 de 2002 en el cual dichas licencias son reglamentadas. Además los artículos 8 y 9, hacen referencia a la competencia del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (MAVDT) y a las corporaciones autónomas regionales, que son los institutos encargados de elegir los proyectos, obras o actividades a los cuales le otorgarán la licencia ambiental. Además, en la parte de dichos artículos donde se menciona el sector eléctrico, no se considera este tipo de proyecto:
Artículo 8º. Competencia del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. El Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, otorgará o negará de manera privativa la licencia ambiental para los siguientes proyectos, obras o actividades:
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4. En el sector eléctrico:
a) La construcción y operación de centrales generadoras de energía eléctrica con capacidad instalada igual o superior a 100 MW.
b) Los proyectos de exploración y uso de fuentes de energía alternativa virtualmente contaminantes.
c) El tendido de las líneas de transmisión del sistema nacional de interconexión eléctrica, compuesto por el conjunto de líneas con sus correspondientes módulos de conexión (subestaciones) que se proyecte operen a tensiones iguales o superiores a 220 KW.
Artículo 9º. Competencia de las Corporaciones Autónomas Regionales.
Las Corporaciones Autónomas Regionales, las de Desarrollo Sostenible, los Grandes Centros Urbanos y las autoridades ambientales creadas mediante la Ley 768 de 2002, otorgarán o negarán la licencia ambiental para los siguientes proyectos, obras o actividades, que se ejecuten en el área de su jurisdicción.
3. En el sector eléctrico:
a) La construcción y operación de centrales generadoras con una capacidad mayor o igual a 10 MW y menor de 100 MW.
b) El tendido de líneas del sistema de transmisión conformado por el conjunto de líneas con sus equipos asociados, que operan a tensiones menores de 220 KV y que no pertenecen a un sistema de distribución local.
Ahora, en cuanto a las normas que sirven de guía para la implementación de los sistemas solares fotovoltaicos, se tienen las siguientes (avaladas por el ICONTEC):
NTC 1736, Energía Solar: Definiciones y Nomenclatura.
NTC 2775, Energía Solar Fotovoltaica: Terminología y Definiciones.
NTC 2883, Módulos Fotovoltaicos (FV) de Silicio Cristalino para Aplicación Terrestre: Calificación del Diseño y Aprobación de Tipo.
NTC 5287, Celdas y Baterías Secundarias para Sistemas de Energía Solar Fotovoltaica: Requisitos Generales y Métodos de Ensayo.
NTC 5433, Informaciones de las Hojas de Datos y de las Placas de Características para los Módulos Fotovoltaicos
NTC 5509, Ensayo Ultravioleta para Módulos Fotovoltaicos (FV)
NTC 4405, Eficiencia Energética: Evaluación de la Eficiencia de los Sistemas Solares Fotovoltaicos y sus Componentes.
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GTC 114, Guía de Especificaciones de Sistemas Fotovoltaicos para Suministro de Energía Rural Dispersa en Colombia.
También se debe tener en cuenta que la GTC 114 se dio a conocer por parte de la UPME para dar una orientación a las personas naturales o jurídicas interesadas en implementar sistemas fotovoltaicos en comunidades no interconectadas al servicio de energía.
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4. CONCLUSIONES
• Las energías alternativas son una opción importante para llevar energía eléctrica a las zonas no interconectadas, debido a su versatilidad, fácil instalación y tiempo de vida útil.
• La Costa Atlántica Colombiana con valores de radiación solar cercanos a los 5,5 kWh/m2/día se posiciona como una de las zonas más aptas del país para la instalación de sistemas solares fotovoltaicos o térmicos o cualquier otro que utilice la energía de la radiación solar como fuente de energía primaria.
• Las energías alternativas son un campo muy promisorio en la reducción de gases de efecto invernadero por medio de la aplicación de proyectos de mecanismos de desarrollo limpio, esto es importante para Colombia ya que el país ratificó el protocolo de Kioto para cooperar en la estabilización de dichos gases en la atmósfera.
• Para el caso específico de los sistemas solares fotovoltaicos se tienen diferentes fuentes para obtener la información de la radiación solar, es importante dependiendo de la zona y de las características del proyecto elegir aquella que más se ajuste a las necesidades. Se recomienda la NASA puesto que se pueden obtener datos de un lugar exacto conociendo únicamente las coordenadas del mismo.
• Las herramientas informáticas son un importante apoyo en el momento de desarrollar cualquier tipo de proyecto, los proyectos energéticos no son la excepción, por lo tanto es menester hacer un buen uso de ellas ya que facilitan el trabajo y ayudan a obtener resultados bastante confiables.
• Hay diferentes tipos de software para el diseño y dimensionamiento de sistemas de generación con base en energías alternativas, algunos de ellos hacen una evaluación puntual (RETSCREEN), mientras que otros hacen una modelación horaria (HOMER), éstos últimos son más precisos y permiten conocer con detalle los flujos de energía entre cada uno de los componentes del sistema.
• Aunque la inversión inicial de un sistema solar fotovoltaico es alta, sus bajos costos de operación sumados a su amplio tiempo de vida útil hacen de él una inversión atractiva en el mediano y largo plazo.
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• El software HOMER (the micropower optimization model, del National Renewable
Energy Laboratory de los Estados Unidos) hace una modelación del sistema para cada una de las 8.760 horas del año lo que garantiza una buena precisión en los resultados, esto lo convierte en una buena opción para el dimensionamiento del sistema, mientras que el RETSCREEN (Renewable Energy Tecnology Screen del Departamento de Recursos Naturales del Canadá) hace una modelación puntual pero cuenta con excelentes herramientas para hacer un análisis financiero y de reducción de emisiones del proyecto en comparación con una energía tradicional.
• Los sistemas híbridos son una excelente posibilidad para darle fiabilidad a las energías renovables ya que normalmente las fuentes de éstas son variables y no pueden ser controladas por el hombre (radiación solar, velocidad del viento, caudal de un cuerpo de agua, etc.), además en algunos casos mejoran ostensiblemente los parámetros financieros del proyecto ya que es la energía tradicional la que cubre los picos de consumo y esto hace que no haya que sobredimensionar el sistema de energía alternativa.
• La preocupación por el abastecimiento energético y por el deterioro ambiental del planeta ha llevado a gobiernos y científicos del mundo a centrar su atención en las energías alternativas, esto hace que haya un rápido desarrollo tecnológico lo que se traduce en una disminución constante de los costos de los productos asociados a este tipo de proyectos.
• El rápido y constante incremento de los precios del petróleo y en general de los combustibles fósiles hace que las energías renovables cobren viabilidad con el paso del tiempo y resulten atractivas para inversionistas que hasta ahora no se han interesado en este tipo de proyectos.
• Con base en la legislación nacional e internacional sobre el tema de las energías alternativas y la reducción de gases de efecto invernadero se puede observar que hay múltiples incentivos y beneficios para inversionistas que deseen invertir en este tipo de proyectos.
• Un sistema de generación híbrido solar – gasolina es una buena alternativa para la electrificación de la Isla de Boquerón ya que además de que presenta unos resultados financieros aceptables (TIR y relación costo beneficio) mejoraría notablemente las condiciones de la población dándoles acceso a una fuente de energía segura y limpia.
• El proyecto de electrificación de la Isla no se debe evaluar únicamente desde el punto de vista financiero, sino, que se deben tener en cuenta las repercusiones
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sociales del mismo como por ejemplo el impacto en el índice de calidad de vida de los habitantes.
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5. RECOMENDACIONES
• Una vez terminado el proyecto se evidencia la importancia y utilidad de las herramientas informáticas, se recomienda por tanto hacer una recopilación y descripción de los diferentes software de apoyo para proyectos de energía alternativa con el fin de hacer una difusión de los mismos y facilitar la evaluación de los proyectos, entre ellos se encuentran: Hybrid2, PV-DesignPro, and PV*SOL, etc.
• Se recomienda evaluar la posibilidad de proyectos productivos en la Isla de Boquerón que generen un ingreso adicional a sus habitantes e impulsen el desarrollo de proyectos que permitan elevar la calidad de vida, ya que éstos se han mostrado interesados, por ejemplo, en la conformación de una cooperativa pesquera, en proyectos eco-turísticos, y las mujeres en la fabricación de artesanías con elementos de la zona, pero no cuentan ni con el conocimiento ni los medios para llevarlos a cabo.
• Evaluar las posibilidades de financiación del proyecto de energización de la Isla de Boquerón a través de programas gubernamentales o apoyo de ONG´S que se preocupen por el bienestar de estas poblaciones.
• Hacer un diagnóstico ambiental de la Isla y proponer un plan de manejo ambiental ya que en las visitas se evidenció un problema serio de manejo de residuos, de aguas residuales y de impacto a la flora y fauna de la zona.
• Evaluar otros proyectos de generación de energía con base en recursos disponibles en la zona, por ejemplo, un sistema eólico, un híbrido solar – eólico o eólico – diesel, que comparándolo con el actual proyecto permita establecer cuál es la mejor alternativa sin dejar de lado ninguna opción.
• Hacer el estudio de los requisitos necesarios para aplicar a la consecución de bonos de reducción de CO2 del protocolo de Kioto, y establecer, con base en los costos de aplicación, cual es la reducción de emisiones necesaria para que este procedimiento resulte económicamente viable.
• Se recomienda hacer algún tipo de estudio sobre el impacto social y cultural de la energización de la zona, es decir, como cambiarán las costumbres y los hábitos de los pobladores con la llegada de elementos como el televisor y la luz eléctrica.
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Entrevista con Camilo Jaramillo, Directos de proyectos HYBRYTEC. 2 de Abril de 2009.
Entrevista con Julio González Villa, abogado. 26 de febrero de 2009.
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ANEXO 1. Formatos de las encuestas realizadas a la población de la Isla.
Cabeza de familia: ___________________________________ Casa Nº:______
# de integrantes: _______
# de Hijos que estudian en la escuela de la isla:_______
Fuente de Ingresos: _____________ Ingresos mensuales aproximados: ____________
Energía Electrica: Si____ No_____ Únicamente en temporada alta _______
Fuente____________
Censo de los habitantes permanentes de la Isla de Boquerón
Nombre: _______________________________________
Número de estudiantes de la escuela: ________
Equipos de computo necesarios: _________
Fecha: _____/ _______/ _________ dd mm año
Encuesta a la Maestra de la escuela
100
Nombre: _______________________________________
Método utilizado para la pesca: ____________________________
Días a la semana que realiza la actividad: _________
Kg de producto por jornada (Promedio aprox):__________ Promedio mensual (aprox):_________
Fecha: _____/ _______/ _________ dd mm año
Encuesta a Pescadores
Fecha: _____/ _______/ _________ dd mm año
Nombre del encuestado: _______________________________________
Casa Nº: ________
Cantidad Horas de uso/ dia
Encuesta sobre requerimientos eléctricos
Equipo
101
ANEXO 2. Cotización Hybrytec.
102
ANEXO 3. Cotización LAFE Sierra S.A.
103
AN
EX
O 4
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