Métodos cartográficos aplicables a la planeación de electrificación rural con

energías renovables

Experiencias y Perspectivas Internacionales de la Electrificación Rural Fotovoltaica

Gerencia de Energías no Convencionales

Sistema de Información Geográfica para las Energías Renovables (SIGER)

• Nace en 1997• Está basado en la plataforma ESRI• Cumple con los estándares INEGI e internacionales• Para todas las fuentes de energía• Mapas de recursos• Capas de apoyo• Consultable a través de la Internet

• Las localidades que faltan por electrificar se encuentran algo distantes de las líneas eléctricas.

• Son de pocos habitantes, lo cual implicaría bajos consumos.• La extensión de red eléctrica convencional es costosa.• La ampliación de red requiere de caminos donde puedan transitar

vehículos, en algunos casos solamente existen veredas.• Una alternativa de suministro eléctrico es mediante el

aprovechamiento de la energía solar con sistemas fotovoltaicos.• Otra alternativa es aprovechando la energía del viento mediante

pequeños aerogeneradores.• La determinación de la mejor alternativa se hace normalmente a

partir del menor costo de suministro eléctrico. • La estimación de tales costos requiere del conocimiento de los

recursos energéticos, los consumos eléctricos y la complejidad del terreno, entre otros elementos.

Motivaciones

• Se cuenta con un SIG

• Se cuenta con capas básicas para los análisis (topografía, uso de suelo, localidades, carreteras, etc)

• Se cuenta con la capacidad de elaborar mapas de recursos

• Se cuenta con un grupo de especialistas en diversas áreas (técnicas y económicas)

• etc

Bases del desarrollo

Capacidad adquirida

• Métodos para determinar el costo de suministro eléctrico con energía eólica, solar y extensión de red

• Aplicable a localidades y a zonas no pobladas

• Útil para otras fuentes de energía

Método (1)

• Determinación del área de estudio.

• Selección de todas las localidades y sus atributos del áreade estudio.

• Determinación de las localidades electrificadas.

•Determinación de las localidades no electrificadas.

•Determinación del consumo eléctrico por vivienda.

•Obtención de la topografía.

• Determinación de la complejidad del terreno.

• Determinación de la distancia de cada punto de la región de estudio a la localidad electrificada más cercana.

• Determinación de la distancia de cada localidad no electrificada a su más próxima electrificada.

•Obtención de los mapa de irradiación solar global y de densidad de potencia del viento

•Determinación del costo nivelado de suministro eléctrico con sistemas fotovoltaicos y con pequeños aerogeneradores, para cada localidad no electrificada.

Método (2)

•Determinación del costo nivelado de suministro eléctrico con red para cada localidad no electrificada.

•Determinación del costo nivelado de suministro eléctrico mediante extensión de red con cinco escenarios de consumo para todos los puntos no habitados.

•Determinación del costo nivelado de suministro eléctrico mediante sistemas fotovoltaicos y pequeños aerogeneradores con cinco escenarios de consumo para todos los puntos no habitados.

•Elaboración de mapas para todos los casos, haciendo las comparaciones respectivas.

Método (3)

Ejemplo 1

Caso Veracruz

Fotovoltaico-Red

2005

• Existen 20,578 localidades

• 8,618 cuentan con una o dos viviendas, pero no se tiene el dato de electrificación

• 11,960 cuentan con información completa

• 10,809 reportan al menos una vivienda electrificada

• 1,151 reportan cero viviendas electrificadas

Grado de electrificación

Localidades electrificadas Localidades no electrificadas

Localidades

Equipo Unidades Potencia (W) Horas Consumo

(kWh/día)Lámparasincandescentes 3 60 2.5 0.45

Televisor 1 250 2 0.50Radio 1 70 3 0.21Refrigerador 1 240 6 1.44

Para el análisis se tomaron 2.5 hWh/día

Ejemplo de consumo en una vivienda rural

mayores a 0° y menores de 10°, factor 1entre 10° y 20°, factor 1.3entre 20° y 30°, factor 1.6mayores a 30°, factor de 2

Complejidad del terreno

Calculado con el modelo RADIACa partir de días nublados, medio nublados y despejados, obtenidos de las estaciones del Servicio Meteorológico Nacional

Mapa de irradiación solar global

06.0)1(

)1()1)((

1

1

n

tt

t

n

tnt

ttt

rEAU

rVRrRCCSOMICNS

donde:

CNS es el costo nivelado de suministro eléctricoI es el costo de inversión (incluyendo posibles intereses durante la

construcción).OMt son los costos de operación y mantenimiento durante el año t.CSt son los costos sociales durante el año t (considerados 0 para este caso).RCt es el costo de mantenimiento mayor durante el año t.r es la tasa de descuento.VR es el valor de rescate después de n años.EAUt es la energía eléctrica utilizada en el año t.n es el período de vida útil en años.t es el número de años.

Costo nivelado (1)

Para este caso se consideraron los siguientesvalores:

• Inversión, 14,500 USD/km de extensión de red

• Mantenimiento de la red de distribución, 5 % dela inversión

• Tasa de descuento, 7 %

• Período de vida útil, 25 años

• Valor de rescate, 30 %

• Costo de la energía entregada, 0.06 USD/kWh.

Costo nivelado (2)

donde:

•CNSRED es el costo nivelado de suministro eléctrico con redconvencional en USD¢/kWh.

• L es la longitud de la extensión de la red en kilómetros.

• C el consumo del núcleo de población en kWh/día.

552.545 CLCNSRED

Función obtenida para la operación de mapas (red)

donde:

• CNGSOL es el costo nivelado de suministro eléctrico con sistemasfotovoltaicos en USD¢/kWh.

• IG es la irradiación solar.

Consideraciones:• Inversión de 12,000 USD/kW instalado.• Operación y mantenimiento, 0.6 USD¢/kWh.• Vida útil, 25 años.• Tasa de descuento, 7 %.• Valor de rescate, cero.

GSOL I

CNG 425345

Función obtenida para la operación de mapas (fotovoltaico)

Topografía Comunidades

Comunidades con electricidad

Comunidades sin electricidad

Distancia pesada a la comunidad más cercana

Clases de pendiente

Distancia

RADIAC

Costo nivelado solar

Costo nivelado solar para

comunidades no electrificadas

Select

Raster Calculator Reclassify

Consumo eléctrico

Zonal Statistics

Costo nivelado con red para comunidades no electrificadas

5 mapas de costos nivelados de suministro eléctrico con red Localidades con los costos más

bajos tanto con red como con solar

Pendiente

Slope

Comunidades sin electricidad

Zonal Statistics

Calculate Values

Irradiación

Raster Calculator

Raster Calculador con 5 escenarios de

consumo

Mapas con las regiones de menores costos de suministro eléctrico

Comunidades sin electricidad

Cost Weighted

Raster Calculator

Raster Calculator

Costo nivelado solar

Modelo cartográfico

Costo nivelado para sistemas fotovoltaicosResultados (1)

Resultados (2)Costo nivelado para sistemas fotovoltaicos para las comunidades no electrificadas

Resultados (3)Zonas con la tecnología más barata para un escenario de consumo de 5 kWh/día

Resultados (4)Zonas con la tecnología más barata para un escenario de consumo de 12.5 kWh/día

Resultados (5)Zonas con la tecnología más barata para un escenario de consumo de 25 kWh/día

Resultados (6)Zonas con la tecnología más barata para un escenario de consumo de 50 kWh/día

Resultados (7)Zonas con la tecnología más barata para un escenario de consumo de 125 kWh/día

Sup. TecnologíaConsumo en kWh/día

5 12.5 25 50 125

Área (%) Solar83.5 42.0 10.2 1.0 0.0

Área (%) Red16.5 58.0 89.8 99.0 100.0

Resultados (8)

Resultados (9)

• Cerca de la mitad de las comunidades sin servicio eléctrico podríanelectrificarse con sistemas fotovoltaicos a un costo menor queextendiendo la red eléctrica convencional.

• En el caso de los escenarios de consumo, se puede notarclaramente que la opción fotovoltaica es mejor cuando losconsumos son menores de 25 kWh/día.

Ejemplo 2

Caso Oaxaca

Fotovoltaico-Eólico-Red

2002

El estado de Oaxaca

• México cuenta con más de 100 millones de habitantes.• 25 % se encuentran en zonas rurales• 74,068 localidades sin electricidad en México (CFE 2003, todas

rurales)• 1,453 localidades sin electricidad en Oaxaca (SNIM 2000, todas

menores de 100 habitantes)

Límites (MGM 2000) Topografía (GEMA, 1:250000) Comunidades (SNIM)

Recurso solar (UV, puntos) Recurso eólico (a 50 m NREL)

Mapas Disponibles

10341.0 PFPE Funciones propuestas para calcular el costo de suministro eléctrico con sistemas eólicos

7055.004.188 FPECGE

Funciones para sistemas eólicos

FPE es el factor de planta eólico

P1 es la densidad de potencia

CGE es el costo nivelado de generación eléctrica

Topo_rec Comuni_rec

Comuni_con Comuni_sin

Comuni_dis Topo_inc_3

Cost_dis

IG_rec_pto

Viento

FP_viento

CG_viento

FP_solar

CG_solar

CG_solar_st CG_viento_st

Join

Select

Raster Calculator Raster calculator

Raster Calculator Raster Calculator

Reclassify

Consumo_elec

Comuni_sin

Zonal Statistics Zonal Statistics

Cost_dis_st

Join

Consumo_cost_dis

Calculate Values

CG_red_tb

CG_red_solar_viento_com

Topo_inc

Slope

Comuni_cerca

Add XY data

CG_solar_viento_tb

Join Join

CG_solar_tb CG_viento_tb

Join

Cost Weighted

Comuni_sin Zonal

Statistics

Calculate Values

Join

IG_rec

Interpolate to raster

CG_red 5, 12.5, 25, 50, 125

Raster Calculator

CG_solar CG_viento

CG_red_min CG_solar_min CG_viento_min

CG_red_solar_viento_edo

Raster Calculator Raster CalculatorRaster Calculator

El Modelo CartográficoCuenta con cuatro entradas principales que son:

•Mapa topográfico

•Mapa de comunidades

•Mapa solar

•Mapa eólico

En el proceso se integra:

•Consumos eléctricos para 5 escenarios

•Funciones para estimar costos de suministro eléctrico con red, fotovoltaico y eólico

Zonas de menores costos de suministro eléctrico considerando las opciones de red, fotovoltaica y eólica bajo un escenario de consumo eléctrico de 5 kWh/día

Zonas de menores costos de suministro eléctrico considerando las opciones de red, fotovoltaica y eólica bajo un escenario de consumo eléctrico de 12.5 kWh/día

Zonas de menores costos de suministro eléctrico considerando las opciones de red, fotovoltaica y eólica bajo un escenario de consumo eléctrico de 25 kWh/día

Resultados (1)

Resultados (2)Zonas de menores costos de suministro eléctrico considerando las opciones de red, fotovoltaica y eólica bajo un escenario de consumo eléctrico de 50 kWh/día

Zonas de menores costos de suministro eléctrico considerando las opciones de red, fotovoltaica y eólica bajo un escenario de consumo eléctrico de 125 kWh/día

Comunidades de menores costos de suministro eléctrico considerando las opciones de red, fotovoltaica y eólica

Tecnología Consumo eléctrico

5 kWh 12.5 kWh 25 kWh 50 kWh 125 kWh

Porcentaje de área

Red 0 2 6 21 59

Solar 65 63 59 47 18

Viento 35 35 34 32 24

Resultados (3)

Resultados (4)

TecnologíaNúmero de

comunidades Porcentaje

Red 486 33

Solar 648 45

Viento 319 22

GRACIAS