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Sistemas de energización híbrida para fines productivos en comunidades de Lambayeque, Perú
1 Ingeniero Mecánico (UNI). Consultor pri-vado en Energías Renovables. Estudios de
Postgrado en Ingeniería del Gas Natural.2 Ingeniero Mecánico (UNI). Magíster en Ener-gías Renovables (Alemania) y Doctor enEficiencia Energética (USA). Consultor pri-vado en Energía.
Sistemas de energización híbrida para fines productivos encomunidades de Lambayeque, Perú
Hybrid energy systems for productive purposes in communities of Lambayeque, Peru
RESUMEN
El presente proyecto analiza los sistemas energéticos híbridos como alternativa desuministro de energía en zonas rurales aisladas. Se evalúa el perfil de demandaenergética actual, relacionada básicamente con iluminación y un nuevo perfil, in-corporando el uso de la energía para fines productivos. Considerando que en laregión existe potencial para el aprovechamiento de la energía solar, la energía eólica,así como la energía de la biomasa (biogás), se propone analizar una configuraciónenergética para el sistema híbrido en la cual se dispone de un aerogenerador, unpanel fotovoltaico, una batería, un inversor (DC-AC) y un motor-generador. Este
último puede operar con gasolina o con biogás. Teniendo en cuenta aspectos técni-cos y económicos relacionados con costos de inversión y operación a lo largo de lavida útil del sistema híbrido, para las características del perfil de demanda de ener-gía establecido y con la disponibilidad de los recursos energéticos identificados, searriba a una solución en la cual la mayor parte de la generación sería proporciona-da mediante una combinación del uso del motor-generador y las baterías. En menorproporción participarían los sistemas eólicos y solares. Resulta interesante observarque la modelización y caracterización del sistema híbrido permite analizar sistemaspuntuales y también realizar análisis de sensibilidad en la configuración óptima, a finde establecer cuáles son los valores críticos de diversos parámetros que hacen quela solución se incline por una configuración u otra. Así mismo, se aprecia que en elcaso de operar el motor-generador con biogás en lugar de gasolina, se reduciríanconsiderablemente las emisiones relacionadas con la quema de combustibles fósiles.
Palabras clave: energías renovables, sistemas híbridos, generación distribuida, energía-
economía y ambiente, eficiencia energética, simulación y optimización del suministro ener- gético, variación de la demanda energética, sistemas aislados, comunidades rurales, desa-rrollo sostenido, uso productivo de la energía.
ABSTRACT
The present project analyzes hybrid energy systems as an alternative for energysupply in isolated rural areas. It is assessed a current energy demand profile that isassociated with lighting and also a new profile that incorporates the use of energyfor productive purposes. Considering the existing potential in the region for usingsolar energy, wind energy, as well as energy from biomasa (biogas), it is proposed toanalyze an energy configuration for the hybrid system in which a wind generator, asolar photovoltaic panel, a battery, a converter (DC-AC) and a gasoline motor-
generator that might run on biogas, are all available. Having in account technicaland economic aspects, related to investment costs and operating costs along theuseful life of the hybrid systems, for the characteristics of the established energydemand profile and with availability of the identified energy resources, it is achieveda solution in which the major part of the generation would be provided by acombination of a motor-generator and batteries. Wind and solar systems wouldparticipate in lesser proportion. It is interesting to observe that modeling andcharacterization of the hybrid system allows to analyze specific systems and also tocarry out sensitivity analysis in the optimal configuration, in order to establish thecritical values for different parameters that make the solution target a particularconfiguration or another one. Last but not least, it is observed that in the case of running the motor-generator on biogas, instead of using gasoline, emissions relatedto combustion of fossil fuels would considerably be reduced.
Key words: renewable energies, hybrid systems, distributed generation, energy-economy
and environment, energy efficiency, simulation and optimization of energy supply, energy demand variation, isolated systems, rural communities, sustainable development, energy for productive uses.
Roberto Pineda León1, Johnny Nahui Ortiz2
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INTRODUCCIÓN
La necesidad de tener acceso a la energía eléctrica esurgente en la mayoría de poblaciones rurales de nuestropaís. Una alternativa la constituye la generación de
energía eléctrica a partir de energías renovables.La falta de energía, en adición a otros factores, impidemejorar la calidad de vida de las comunidades de la regiónLambayeque, en la cual se ha desarrollado el presenteproyecto. En más de un caso se observa que laspoblaciones aisladas enfrentan condiciones de vida queresultan peligrosas para su salud, en particular de los máspequeños y ancianos. El suministro de energía mediantetecnologías limpias, podría contribuir a solucionar estaproblemática de manera sostenible y en armonía con elambiente.
Al respecto, se ha observado que existe potencial parael posible uso de energías renovables en la zona, enparticular aquellas relacionadas con el aprovechamientode la energía solar, energía eólica y energía a partir dela biomasa.
La radiación solar existente en la zona permiteconsiderar la opción de la tecnología solar fotovoltaicacon fines de electrificación a efectos de iluminación yuso productivo. Así mismo, existe potencial de energíaeólica que podría se utilizado en forma conjunta con laenergía solar.
Por otro lado, existen residuos orgánicos en la zona quepueden transformarse en energía mediante la opción detecnologías de fermentación anaeróbica. Además, estaopción permite el tratamiento adecuado de estosresiduos, que de otra manera representan un peligropara la salud de la población y atentan contra el ambiente.
No obstante, existen aspectos de autonomía yconfiabilidad en los sistemas energéticos basados enfuentes renovables, motivo por el cual se plantea laalternativa de investigar la viabilidad de un sistema híbridoque pueda brindar de manera satisfactoria energía nosólo para atender requerimientos de carácter
doméstico (por ejemplo iluminación) sino también deíndole productivo (por ejemplo calor, refrigeración,fuerza motriz, electricidad, etc.), a fin de contribuir aldesarrollo sostenible de las comunidades rurales.
El presente proyecto ha sido desarrollado por laAsociación ADPII en colaboración con la Facultad deIngeniería Mecánica y Eléctrica de la UniversidadNacional Pedro Ruiz Gallo, ubicada en Lambayeque, ycon el auspicio del CONCYTEC.
MATERIAL Y MÉTODO
Los materiales principales utilizados en el presenteproyecto incluyen los componentes energéticos que
serán evaluados en el sistema energético híbrido.Además, se han considerado componentes relacionadoscon paneles fotovoltaicos para la generación deelectricidad mediante energía solar, aerogeneradorespara la producción de electricidad mediante energía
eólica, motor-generador gasolinero operando conbiogás para la producción de electricidad, baterías paraalmacenamiento de energía y convertidor de energíade corriente continua a corriente alterna.
El método de evaluación considera el análisis de lascaracterísticas individuales de los componentes, así comosu aporte energético al sistema híbrido en operaciónintegrada.
La metodología apunta a evaluar el costo de generaciónde energía eléctrica global, incluyendo costos deinversión, expresados en $/kW-año, y costos deoperación anual, expresados en $/kWh.
Cada uno de los componentes puede utilizarse endiferentes capacidades y en varias combinaciones, a finde producir la energía y potencia requerida por el perfilde demanda de energía al menor costo posible.
Otras variables de análisis pueden incluir también laminimización del uso de recursos no renovables y laminimización de las emisiones al ambiente.
RESULTADOIdentificación de los requerimientos energéticos
Se evaluaron las necesidades de servicios energéticosen comunidades de la región Lambayeque y sedeterminaron aspectos cuantitativos y cualitativos derequerimientos energéticos en aplicaciones queinvolucran la utilización de energía en la forma de calor,frío, fuerza motriz y electricidad.
Considerando los requerimientos integrados de energíaeléctrica y térmica, tanto actuales como potenciales, sepresenta la siguiente distribución porcentual que incluyelas diferentes necesidades energéticas de calor, frío,fuerza motriz y electricidad, que deberán ser atendidaspor el suministro del sistema energético híbridoresultante:
Cocción de alimentos : 30%
Lavado y hervido de ropa : 18%
Iluminación : 1%
Bombeo de agua : 7%
Refrigeración : 17%
Taller : 27%
Una vez incorporadas las actividades productivas, el perfilde demanda de energía eléctrica (en kW) varía de lasiguiente manera:
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06-07 h : 1,00007-08 h : 1,00008-09 h : 1,60009-10 h : 1,600
10-11 h : 1,60011-12 h : 1,60012-13 h : 0,60013-14 h : 0,60014-15 h : 1,60015-16 h : 1,60016-17 h : 1,60017-18 h : 1,60018-19 h : 0,06019-20 h : 0,06020-21 h : 0,06021-22 h : 0,060
Se aprecia que el perfil de demanda de energía eléctricavaría en forma cuantitativa y también cualitativa. Por unlado, la magnitud de la potencia requerida en ciertosintervalos de tiempo se eleva considerablemente,mientras que, por otro, la mayor cantidad de energíaes ahora en horario diurno. Estos aspectos resultandecisivos al momento de establecer la optimización dela generación de energía eléctrica en sistemas híbridosasí como la posterior estructura de tarifas por el servicio
de suministro eléctrico.
Modelización y caracterización
La modelización del sistema permite efectuar cálculoscomparativos basados en el costo de generación de laenergía eléctrica, expresado en $/kWh, para unaconfiguración determinada de la demanda de energía.Es importante destacar que si esta última varía, tambiénvarían los costos de generación de la nueva configuraciónóptima del sistema.
La caracterización del sistema integrado permiteobtener la configuración óptima del sistema y los costosasociados a su operación. A modo de ilustración, sepresenta una configuración en la cual el costo degeneración de energía eléctrica es $0,484/kWh. En estaconfiguración se utilizan un panel fotovoltaico de 50Wp, un aerogenerador de 100 W, un motor-generadorgasolinero de 2 kW, tres baterías de 200 Ah y unconvertidor de 1 kW.
La caracterización del sistema energético híbridopermite apreciar el impacto de cada componente enlos aspectos tecnológicos y económicos del sistema. Así
mismo, es posible establecer criterios de impactoambiental asociado con las diferentes configuracionesque el sistema puede adoptar.
En la configuración analizada, se observó la presencia decontaminantes como dióxido de carbono, monóxido decarbono, hidrocarburos inquemados, materia particulada,dióxido de sulfuro, así como óxidos de nitrógeno.
Estos impactos ambientales podrían ser significativa-mente mitigados si se utilizara biogás en lugar de gasolinaen el motor-generador.
Bases para transferencia tecnológica yreplicabilidad
La mayoría de los sistemas de energía renovableutilizados en zonas rurales opera a pequeña escala y enforma autónoma. En el caso de sistemas híbridos existenmúltiples variables que observar y optimizar.
En general existen múltiples barreras para la propagación
de sistemas basados en la utilización de energíasrenovables, pero podrían representar un esquemaalternativo que permita contribuir al desarrollo de zonasrurales bajo ciertas circunstancias.
De lo observado y aprendido a lo largo del desarrollodel proyecto, se pueden mencionar los siguientes aspectos:
Financiamiento
Es importante contar con un respaldo financiero parasolventar parte de la inversión inicial de los proyectosde energía renovable. Sin embargo, un porcentajedebería ser cubierto con fondos propios de los
beneficiarios. Además, parte del financiamiento externodebería ser repuesto mediante un mecanismo de fondorevolvente. Este aspecto es decisivo al momento deestablecer tarifas que apunten a garantizar en formasostenida la operación y el mantenimiento del sistema.
Capacitación
Los beneficiarios deben ser capacitados no solamenteen cuanto a la operación y mantenimiento del sistemasino también acerca de las buenas prácticas en el uso dela energía, en términos de optimización del perfil dedemanda energética.
Tecnología
Un paradigma frecuente acerca de las energíasrenovables es que como la energía «no cuesta»,entonces no es necesario controlar la energía que seconsume. En el caso de los sistemas híbridos esimportante observar los criterios de eficienciaenergética, para de esa forma contribuir a que lossistemas requeridos sean más compactos, con menorcosto de operación y mayor confiabilidad de suministro.Este último aspecto ha sido siempre el «talón de Aquiles»de los sistemas energéticos renovables autónomos, ante
lo cual se ha tendido siempre a sobredimensionar (conel consecuente encarecimiento de los sistemas) lacapacidad de los mismos.
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CONCLUSIONES
La generación de energía mediante sistemas híbridosofrece alternativas interesantes en relación a flexibilidadpara adaptarse a nuevos perfiles de demanda de energía
en zonas rurales.La mayor confiabilidad del sistema, debido a que operanen forma simultánea más de un subsistema energético,permite pensar en un mayor número de usos productivosde la energía.
Es importante destacar la relación que existe entreenergía y potencia, de la cual dependerá el perfil dedemanda de energía así como la configuración óptimadel sistema híbrido.
A efectos de evaluar el costo de generación de energíaeléctrica, se debe analizar la incidencia de los costos de
inversión inicial y los costos de operación anual. Estoresulta más evidente en el caso de sistemas híbridos, enlos cuales pueden interactuar subsistemas operandotanto con energías renovables como no renovables.
La modelización y caracterización de los sistemashíbridos permiten evaluar los aspectos técnicos yeconómicos de configuraciones bajo condicionesparticulares y también efectuar evaluación deescenarios, determinando los valores críticos de losparámetros que hacen que la solución se incline haciauna configuración u otra.
El modelo 3E (energy, economy & environment) resultadecisivo para el caso de sistemas híbridos, en los cualesla solución óptima puede optar por la minimización delcosto de generación, la minimización del uso de recursosenergéticos no renovables o la minimización de lasemisiones al ambiente.
AGRADECIMIENTOS
Los autores queremos expresar nuestro agradecimientoal Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(CONCYTEC) por el apoyo brindado a la presenteinvestigación. En particular, agradecemos la colaboracióndel Área de Tecnologías Limpias y del Ing. AlfredoOliveros Donohue. Así mismo, destacamos lacolaboración institucional desplegada por la Facultad deIngeniería Mecánica y Eléctrica de la UniversidadNacional Pedro Ruiz Gallo, especialmente de losdocentes ingenieros Carlos Chambergo, Blas Gonzales,Amado Aguinaga y Óscar Méndez. Manifestamos tambiénnuestro reconocimiento al equipo técnico yadministrativo de la Asociación ADPII por su dedicaciónconstante en el presente estudio. Finalmente,
agradecemos a todas las personas y entidades que de
una u otra forma han coadyuvado al desarrollo delpresente proyecto.
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