CIENCIAMÉRICA, N° 3, diciembre 2014, pp (19-24)Universidad Tecnológica Indoamérica

Facultad de Ingeniería IndustrialUniversidad Tecnológica Indoamérica

Av. Machala y Sabanilla, Quito, Ecuadorantoniofranco@ uti.edu.ec

E s tudio E xploratorio del Potencial de G eneraciónde E nergía E ólic a y Fotovoltaic a en el Dis tritoMetropolitano de Quito

Antonio Alexander FRANCO CRES POLuis Puruncajas

Estudiante de la Facultad de Ingeniería Industriallfpo_hhn@ hotmail.com

Marcelo OrtizEstudiante Facultad de Ingeniería Industrial

renemar35@ hotmail.com

RE SUMEN

La energía renovable es una alternativa a la generación de electricidad que utiliza combustibles fósiles yque aporta de forma importante a la disminución de la degradación ambiental, principalmente a la mitigacióndel cambio climático. S e presentan los principales resultados de una investigación exploratoria acerca delpotencial de generación de energía a partir del recurso eólico y solar en el Distrito Metropolitano de Quito.E sto se hace con base en la información secundaria existente y en la primaria recolectada a través de pi-ranómetros y anemómetros en diferentes lugares de la ciudad. Los resultados demuestran que es posiblela generación fotovoltaica en el Distrito Metropolitano de Quito, ya sea a escala doméstica o a gran escala,y que la generación eólica es posible utilizando aerogeneradores de baja potencia.

PALABR AS C LAVE

E nergía renovable, eólica, fotovoltaica, estudio experimental, Distrito Metropolitano de Quito, E cuador.

AB S TR AC T

R enewable energy is an alternative to electricity generation that uses fossil fuels , which contributes s ignifi-cantly to control environmental degradation, especially the mitigation of climate change. This study presentsthe main results of an exploratory research on the potential of energy generation from wind and solar re-sources in the Distrito Metropolitano de Quito. R esults are based on existing secondary and primary datacollected through pyranometers and anemometers at different s ites along the city. The results demonstratethe feasibility of generating photovoltaic energy in the Distrito Metropolitano de Quito, either for domestic ormassive scale, and that wind energy generation is possible using turbines of low power.

KE YWORDS

R enewable energy, eolic, photovoltaic, experimental study, Distrito Metropolitano de Quito, E cuador.

19

CIENCIAMÉRICA, N° 3, diciembre 2014, pp (19-24)Universidad Tecnológica Indoamérica

E s tudio E xploratorio del Potencial de G eneración de E nergíaE ólica y Fotovoltaica en el Dis trito Metropolitano de Quito

Introducción

E l Gobierno de E cuador considera a las energíasrenovables como una prioridad dentro de sus po-líticas de E stado. Los objetivos estratégicos delE stado ecuatoriano están definidos en el Plan Na-cional del Buen Vivir, para el periodo 2013–2017.De los 12 objetivos, dos de ellos hacen referenciaa la generación de energía renovable.

E l objetivo 7, “G arantizar los derechos de la na-turaleza y promover la s os tenibilidad ambientalterritorial y global” [1] es tablece, en s u política7 , que s e debe “Promover la efic iencia y unamayor participación de energías renovables sos-tenibles como medida de prevención de la con-taminación ambiental” [1]. Además , el objetivo11, en s u política primera, manda a “R ees truc-turar la matriz energética bajo criterios de trans -formación de la matriz productiva, inclus ión,calidad, s oberanía energética y s us tentabilidad,con incremento de la participación de energíarenovable”[1], con la meta de “Alcanzar el 60,0%de potencia ins talada renovable”[1].

La generación de energía en el mundo dependeprincipalmente del petróleo y s us derivados(32%), del carbón mineral y coque (27%), del gasnatural (22%) y en menor grado de la energía nu-clear (6%), biomasa (10%), hidroeléctrica (2%) yotras renovables en un porcentaje de aproxima-damente el 1% [2]. E n América Latina y el C aribe,la matriz energética depende en primer lugar delpetróleo y sus derivados (41%), del gas natural(29%), mínimamente del carbón mineral y coque(4%), y en un porcentaje marginal de la energíanuclear (1%). La energía que proveniente defuentes renovables se genera en un 14% de bio-masa, un 9% de la hidroeléctrica y un 2% de otrasrenovables [2]. As í, la participación de las ener-gías renovables en la región alcanza el 25%, loque duplica el valor a nivel global [2].

Más aun, el potencial de generación de energíaeléctrica a partir de energía eólica en América La-tina y el C aribe está estimado en 561.884 MW,aprovechándose actualmente apenas el 0,6% deltotal [2]. E l potencial de generación de energía fo-tovoltaica no está estimado por la complejidad desu cálculo; sin embargo, no se prevé un importanteaumento en su utilización, debido a los costos yeficiencia asociados [2].

La matriz energética del E cuador tiene una mayorcontribución de las fuentes renovables . E l 58%proviene de la hidroeléctrica, 34% de la térmica ycerca de un 1% de otras fuentes renovables [3].S e ha estimado un potencial teórico de genera-ción hidroeléctrica de 73.390 MW, de los cuales21.900 MW están definidos como de potencialviable [3]. La capacidad hidroeléctrica instaladaen el E cuador asciende a 2.273 MW [4], lo queequivale al 10,4% del potencial viable. E s decirqueda por aprovechar cerca del 90% de la capa-cidad de generación hidroeléctrica.

E l costo de la electricidad que proviene de cen-trales hidroeléctricas es menor que el de otrasfuentes existentes en el país , es por ello que seha venido desarrollando sostenidamente desde ladécada anterior. Actualmente, se encuentran enconstrucción 8 proyectos hidroeléctricos catalo-gados como grandes, de los cuales C oca C odoS inclair con 1500 MW y S opladora con 487 MWson los más importantes [3]. E sto permitirá que laparticipación de la energía hidroeléctrica en la ge-neración de energía alcance el 90% en el 2016 [4].Otras fuentes de energía renovable han s ido es-tudiadas en los últimos años en el país . Una deellas es la geotermia, cuyo potencial teórico se haestimado en 6.500 MW, estando en la fase de prefactibilidad proyectos con una potencia de 400MW [3]. Otra alternativa ha s ido la generación deenergía de biomasa, principalmente de raquis depalma africana y caña de azúcar [5].

E n lo relacionado a la generación que utiliza el re-curso eólico, el potencial factible a corto plazo enla región continental se ha estimado en 884MW,del cual, 18,9 MW están en operación, en cons-trucción 2,25 MW y en estudio por 155 MW [3]. E lpotencial de generación a partir del recurso solaren el E cuador es complejo de estimar ya que de-pende principalmente del área útil disponible y desu s ituación geográfica. S e conoce que la insola-ción media global en el país alcanza los 4.575Wh/m /día, lo cual supera el nivel de 4.000, consi-derado como técnica y económicamente rentable[3]. Se conoce que existen alrededor de 6.000 sis-temas fotovoltaicos ais lados instalados , equiva-lentes a 0,6 MWp [3]. E xis ten estudios por 634MWp, de los cuales se espera estén instalados200 MWp hasta finales de 2014 [3].

Antonio FR ANC O

2

20

CIENCIAMÉRICA, N° 3, diciembre 2014, pp (19-24)Universidad Tecnológica Indoamérica

E l E cuador ha incentivado la generación de ener-gía a partir del viento y el recurso solar de diferen-tes formas . Una de ellas , el desarrollo del AtlasS olar [6] y el Atlas E ólico [7], donde se puedenidentificar los lugares potencialmente aprovecha-bles . Otra estrategia ha s ido la fijación de preciospreferentes de compra de energía eléctrica. La re-gulación No. C ONELEC - 004/11, de abril de 2011,establece precios preferentes para la generaciónde electricidad no convencional, diferenciandoentre el territorio continental y el insular de Galá-pagos. E n la región continental, esta regulaciónfija un precio de 9,13 cUS D/kWh para las eólicas ,de 40,03 cUS D/kWh para las provenientes de fo-tovoltaicas, de 31,02 cUS D/kWh para solar termo-eléctrica, de 44,77 cUS D/kWh para la decorrientes marinas, 11,05 cUS D/kWh si provienede biomasa y biogás; y 13,21 cUS D/kWh de lasgeotérmicas [8]. Adicionalmente se fijaron preciospreferentes para centrales hidroeléctricas dehasta 50 MW.

Dicha resolución garantizaba los precios por 15años a partir de la fecha de suscripción del títulohabilitante para aquellos contratos suscritos hastadiciembre del 2012. La respuesta del sector pri-vado fue inmediata, registrándose 15 proyectosde generación de energía fotovoltaica mayores a1MW por un total de 282 MW y 76 proyectos me-nores a 1MW por 73 MW [9]. De estos , el másgrande es el de IS OFOTON, a construirse en elcantón Quito con una potencia de 50MW [9].

E n mayo del 2013 el C ONE LE C emitió la regula-ción No. C ONE LE C -001/13, muy s imilar a su pre-cedente, con la diferencia de que esta establececupos por tecnología de generación [10]. E l 13 demarzo de 2014 el Directorio del C ONELEC aprobóla regulación codificada No. C ONE LE C -001/13donde s e eliminan los cupos y s e fija prec iopreferencial para las centrales de biomas a ybiogás a 9,67 c US D/kWh y 7,32 c US D/kWhrespectivamente [11].

E ste escenario demuestra que en E cuador seestán impulsando alternativas de generación deenergía, diferentes a las que utilizan recursos fósi-les . C omo respuesta a la problemática ambiental,especialmente al cambio climático, se debe prio-rizar y hacer énfasis en lo local. E sta estrategia sesostiene en la disminución de recursos necesarios

en el transporte, el desarrollo de la producciónlocal y su relación con la sostenibilidad, y en la ne-ces idad de alcanzar la soberanía alimentaria yenergética, entre tantos otros argumentos.

E l objetivo de esta investigación exploratoria escomprender el potencial de generación de energíaeólica y solar en el Distrito Metropolitano de Quito,a partir de los datos secundarios existentes y dela información primaria recolectada por el autor.

Metodología

E l Distrito Metropolitano de Quito está ubicado enla serranía del E cuador y está constituido por va-rios valles rodeados de altas montañas. La dispo-nibilidad del recurso solar y eólico es muydiferente dependiendo del lugar analizado. La in-vestigación exploratoria analizó la velocidad delviento a partir de la información secundaria exis-tente y de datos primarios recolectados, preten-diendo contrastarlos y estimar a partir de estainformación la dimensión del potencial de gene-ración de energía.

La información secundaria de irradiación solar yvelocidad del viento provino de los registros delInstituto Nacional de Meteorología e Hidrologíadel E cuador (INAHMI), desde 1982 al 2012 de loss itios de monitoreo Iñaquito (0 10' S , 78° 29' O;2789 m s .n.m.), Izobamba (0° 22' S , 78° 33' O;3058 m s.n.m.) y La Tola de Tumbaco (0° 46' S , 78°22' O; 2480 m s .n.m.). Adicionalmente, se obtu-vieron datos de irradiación solar del ObservatorioAstronómico de Quito, ubicado en el centro de laciudad, muy cerca del parque Itchimbía. La infor-mación de velocidad de viento y de irradiación ge-nerada por el INAHMI, fue entregada en formatodigital, con registros de valores promedios diarios. Los datos primarios fueron recogidos en C alde-rón (0° 6' S , 78° 25' O; 2680 m s .n.m.), Itchimbía(0° 13' S , 78° 29' O; 2929 m s .n.m.), a través deanemómetros Windmonitor (modelo R M Young),que poseen un rango desde 0 hasta 100 m/s, conuna precis ión de ± 0.3 m/s; y de piranómetros ge-néricos para Dataloger HOB O 430-NR C , los cua-les fueron configurados para efectuar lecturascada 30 segundos, durante tres meses. Los equi-pos de medición, destinados a la recolección deinformación primaria, fueron colocados en torresa 12 metros del nivel del suelo.

E s tudio E xploratorio del Potencial de G eneración de E nergíaE ólica y Fotovoltaica en el Dis trito Metropolitano de QuitoAntonio FR ANC O

21

CIENCIAMÉRICA, N° 3, diciembre 2014, pp (19-24)Universidad Tecnológica Indoamérica

E l procedimiento de anális is contempló la evalua-ción cuantitativa y cualitativa de los datos propor-cionados por el INAHMI, más el procesamiento ydiscusión de los valores registrados por los equi-pos de medición de velocidad de viento e irradia-ción solar propios de proyecto. E stos anális is secomplementaron revisando los Atlas Solares y Eó-licos de Quito [6, 7] para determinar aquellos s i-tios con mayor potencial de generación.

Resultados

E l anális is de la información histórica del monito-reo de la velocidad del viento del Instituto Nacio-nal de Meteorología e Hidrología del E cuadorreconoce que las mayores velocidades del vientose producen en los meses de mayo, junio, julio,agosto y septiembre, comparados con el resto demeses del año. Los datos existentes datan desdeel año de 1981 hasta la actualidad.

De acuerdo a los datos del INAHMI, en el sectorde Iñaquito las velocidades del viento están den-tro del rango de los 3 m/s a 6 m/s mensualmente(Fig. 1), s in mayor diferencia para los meses demayor viento. La diferencia de velocidad según laépoca del año coincide con las conclusiones ob-tenidas de los otros lugares estudiados.

E n el sector de Izobamba, en el sur de la ciudad,se identifican velocidades del viento de 2 a 3 m/sen el anális is mensual. E n el sector de La Tola deTumbaco, se pueden observar valores superioresal resto de lugares monitoreados, en cifras pro-medio desde los 2 m/s alcanzando el máximovalor de los 8 m/s . E n Iñaquito, Izobamba y LaTola no es posible determinar el comportamientodel viento según la hora del día, debido a que losdatos se tabulan por promedios diarios y no exis-ten registros más detallados de los mismos.

E n cuanto a los datos primarios , el monitoreo enel sector de C alderón demuestra mayores veloci-dades en el horario entre las 11h00 y 16h00, encuyo caso llega hasta las 5 m/s (Fig. 2). Fuera deeste horario la velocidad del viento no llega a su-perar el 1 m/s. E n el lapso de tiempo cuando exis-tió mayor recurso, la velocidad promedio estuvoalrededor de 3 m/s.

Figura 1. Velocidad del viento en Iñaquito desde 1982, pormes. C ada curva representa un año de mediciones.

F igura 2. Velocidad del viento en C alderón. C ada curvarepresenta un registro diario de velocidad.

E n el s ector del Itchimbía, cerro que s e encuen-tra en la zona centro de la ciudad, la velocidaddel viento alcanzó a 8 m/s en s u valor máximo(Fig. 3). La velocidad promedio fue aproximada-mente de 3 m/s , con la diferencia de que al-canzó estos valores en un horario entre las 9h00y las 15h00, es decir mucho más amplio que enC alderón. La velocidad del viento en las nocheses tuvo en un rango de 0,5 m/s y 3 m/s para el90% de las mediciones , encontrándos e valoresde has ta aproximadamente 6 m/s .

E n lo referente a datos de irradiación solar, en elObservatorio Astronómico de Quito se registranvalores promedio de 4.680 Wh/m2/día y en Izo-bamba de 4570 Wh/m /día.

E s tudio E xploratorio del Potencial de G eneración de E nergíaE ólica y Fotovoltaica en el Dis trito Metropolitano de QuitoAntonio FR ANC O

2

22

CIENCIAMÉRICA, N° 3, diciembre 2014, pp (19-24)Universidad Tecnológica Indoamérica

Figura 3. Velocidad del viento en Itchimbía. C ada curvarepres enta un regis tro diario de velocidad.

el Atlas. Estos no solo cuentan con recurso eólico,s ino que existen lugares topográficamente ade-cuados para la colocación de aerogeneradores.E l anális is de los datos del Atlas solar permiteconcluir que la potencialidad de generar energíafotovoltaica es mayor en el norte de la ciudad deQuito, que en el sur, debido a que su irradiaciónpromedio alcanza los 4.990 Wh/m /día, versus los4.680 Wh/m /día en el sur.

Discus ión

E l anális is de la información permite concluir queen el Distrito Metropolitano de Quito la velocidaddel viento disminuye en horas de la noche, lle-gando en algunos casos a prácticamente des-aparecer, es decir, ser igual a 0 m/s . Losresultados demuestran que existen s itios dentrodel Distrito Metropolitano de Quito, en los cualesse puede generar energía a partir del viento convelocidades promedio mayores a 3 m/s , lo cualpermite el uso de generadores eólicos de baja po-tencia, es decir menores a 1500 W. E n los lugaresestudiados no se encontró evidencia de quepueda generarse energía eólica de mayor poten-cia, debido al limitado recurso eólico.

E l anális is del Atlas eólico corrobora los datos re-cabados en esta investigación. E n la mayor partedel territorio del Distrito Metropolitano de Quito noexiste recurso eólico suficiente como para generarelectricidad a un nivel de alta potencia. S in em-bargo, se recomienda un estudio de prefactibili-dad en el volcán Puntas y la ladera oriental delGuagua Pichincha, para conocer la verdadera di-mensión del aprovechamiento del recurso eólico. E l recurso solar que recibe el Distrito Metropoli-tano de Quito es el suficiente para superar los4.000 Wh/m /día [3], límite mínimo a partir del cuales considerado como técnica y económicamentefactible para un proyecto fotovoltaico. Ninguno delos valores promedio de irradiación solar registra-dos son menores a este mínimo.

E l Atlas S olar del E cuador permite comprender auna escala muy grande, celdas de 40 km × 40km [6], cuales son las provincias que permitiríanun mejor aprovechamiento del recurso para ge-nerar energía eléctrica. S in embargo, no es lo su-ficientemente fino para determinar ubicacionesprivilegiadas.

Año W/m² día2001 4090,0160342002 4524,888252003 4345,5558722004 4377,3863082005 4265,2722612009 4222,205194

P total 4304,220653

Tabla 1. R adiación solar en Iñaquito

S egún los datos primarios , en el sector de Itchim-bía se calculó un valor promedio de irradiaciónsolar de 3850 Wh/m /día y en C alderón superioresa 5000 Wh/m /día. La Tabla 1 muestra el promedioanual de irradiación solar registrado entre el año2001 y 2009 en Iñaquito, como ejemplo de la va-riabilidad por periodo.

Un anális is del Atlas E ólico en lo referente al Dis-trito Metropolitano de Quito, muestra que no seprevén velocidades del viento mayores a 3m/s, enprácticamente todos los lugares del Distrito Me-tropolitano. E s decir, en los lugares estudiados noexiste recurso suficiente para generar electricidada un nivel de alta potencia. S in embargo, existendos lugares que parecen tener más potencial degeneración: las laderas occidentales del volcánPuntas y la ladera oriental del volcán Guagua Pi-chincha [7]. Un estudio exploratorio de los lugaresmencionados permitió corroborar lo planteado en

E s tudio E xploratorio del Potencial de G eneración de E nergíaE ólica y Fotovoltaica en el Dis trito Metropolitano de QuitoAntonio FR ANC O

2

2

2

2

2

23

CIENCIAMÉRICA, N° 3, diciembre 2014, pp (19-24)Universidad Tecnológica Indoamérica

E n conclus ión, la investigación exploratoria de-muestra que es factible técnicamente, producirelectricidad a partir de paneles fotovoltaicas a pe-queña o gran escala, y de generadores eólicos debaja potencia. E n el caso del aprovechamiento dela energía solar, los datos permiten concluir quees posible hacerlo en todos los lugares estudia-dos. E ste potencial podría ser usado como abas-tecimiento para autoconsumo domiciliario o parala generación a gran escala a través de centralessolares fotovoltaicas . Así, la generación de ener-gía eléctrica a partir de la radiación solar es técni-camente factible, los estudios económicos yfinancieros son los que deben determinar las me-jores ubicaciones , dimensionamiento y tipos deinversiones.

Agradecimientos

La información expuesta en este artículo fue reco-pilada y analizada durante los proyectos "E studioexperimental de la generación de energía solar yeólica en el Distrito Metropolitano de Quito FaseI" y "E studio experimental de la generación deenergía solar y eólica en el Distrito Metropolitanode Quito Fase II" ambos financiados por la Univer-s idad Tecnológica Indoamérica (C onvocatorias2011 y 2012, respectivamente).

Referencias

[1] Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo.2013. Plan Nacional del B uen Vivir 2013-2017,Quito.

[2] OLADE . 2013. La matriz energética en ALyCen comparación con el mundo. Quito.

[3] Ministerio de E lectricidad y Energía Renovable.2013. Políticas y es trategias en proyectos deenergía renovable y uso eficiente de la energía enE cuador. Quito.

[4] C O NE LE C . 2013. P royec tos del P lan deE xpansión de Generación E léctrica. Quito, 2013.

[5] C orporación para la Investigación E nergética.2013. Investigación y desarrollo de las energíasrenovables en el E cuador. Quito.

[6] C ONELEC y C IE . 2006. Atlas solar del Ecuadorcon fines de generación eléctrica. Quito.

[7] Ministerio de E lectricidad y Energía Renovable.2011. Atlás eólico del E cuador con fines de gene-ración eléctrica. Quito.

[8] C ONE LE C . 2011. R egulación No. C ONE LE C– 004/11. Quito.

[9] C ONE LE C . 2012 C onsejo Nacional de E lectri-cidad. [Online]. http://www.conelec.gob.ec/conte-nido.php?cd= 10167.

[10] C ONELEC . 2013. Regulación No. C ONELEC -001/13. Quito.

[11] C ONE LE C . 2014. C odificación R egulaciónNo. C ONE LE C -001/13. Quito.

E s tudio E xploratorio del Potencial de G eneración de E nergíaE ólica y Fotovoltaica en el Dis trito Metropolitano de Quito

Antonio FR ANC O

24

Recibido: 16 septiembre 2014Aceptado: 13 noviembre 2014