Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural


Tesis Doctoral / Disertación, 2011
105 Páginas, Calificación: Maxima Calificación

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TABLA DE CONTENIDOS

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE CRITERIOS PARA LA VALORACIÓN INTEGRAL
1.1. Estado del Arte
1.2. Matriz de criterios para la valoración integral de sistemas energéticos de electrificación rural
1.3. Discusión y conclusiones del capítulo

CAPÍTULO 2. SELECCIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS EÓLICO-FOTOVOLTAICOS ESTANDARIZADOS
2.1. Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA)
2.2. Sistemas híbridos eólico-fotovoltaico-Diesel
2.3. Características de los componentes tecnológicos y sus costos
2.4. Calidad del servicio ofrecido por los sistemas energéticos propuestos
2.5. Acoplamiento y estrategia de control para los sistemas híbridos
2.6. Herramienta de simulación del comportamiento de sistemas energéticos
2.7. Estimación del consumo energético de las comunidades rurales
2.8. Estimación del recurso solar
2.9. Estimación del recurso eólico
2.10. Diseño y selección de soluciones energéticas para comunidades rurales venezolanas
2.11. Discusión y conclusiones del capítulo

CAPÍTULO 3. MODELO DE SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SISTEMAS HÍBRIDOS
3.1. Metodología empleada para la determinación del modelo de simulación
3.2. Descripción del modelo de simulación para la valoración de sistemas híbridos
3.3. Restricciones del modelo
3.4. Procedimiento para la aplicación del modelo de simulación
3.5. Aplicación de la valoración integral de sistemas híbridos a casos de estudio
3.6. Discusión y conclusiones del capítulo

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANEXO 1. TABLAS

ANEXO 2. FIGURAS

ANEXO 3. ECUACIONES DEL MODELO DE SIMULACIÓN

ANEXO 4. CUESTIONARIO APLICADO A EXPERTOS

ANEXO 5. MAPA

ANEXO 6. ACRÓNIMOS

AGRADECIMIENTO

A Hugo Rafael Chávez Frías, por su valentía y empeño en realizar sus sueños, de hacer de nuestro país un mejor lugar para la vida de nuestros hijos, por su invitación al estudio y amar a la patria grande de Bolívar.

A mi maestro, el Dr. CT. Antonio Sarmiento Sera, guía sabia siempre, en este camino infinito de aprender a investigar; mi cariño y agradecimiento por sus horas de entrega a enseñarme, por su excelsa amistad fielmente demostrada.

Al personal directivo y compañeros de trabajo de CORPOELEC-ENELCO, por confiar en mí y apoyarme para ser formada en el área de electrificación rural, para continuar apoyando a servir energía al pueblo venezolano.

Al heroico pueblo de Cuba, del cual he aprendido mucho más de lo que he podido plasmar en esta tesis, especialmente al personal de CETER.

A Alina María y Amanda Isabel por su sabia comprensión y apoyo, en tantas horas robadas de nuestro hermoso compartir de vida, para este proyecto.

Al pozo inagotable de mi vida:

Mis abuelos, América y Jesús Borges, María Antonia y Carlos Marturet.

Mis Padres, Alicia y Freddy,

y mis hijas, Alina María y Amanda Isabel.

A los hombres y mujeres, cuyas motivaciones para el logro del bien colectivo, trasciende sus vidas, entre ellos Simón Bolívar.

A todos los niños del mundo, razón para la lucha y esfuerzo incansable por un mejor mañana.

A mi tutor Antonio Rafael Sarmiento Sera, por sus nobles enseñanzas.

SÍNTESIS

En el presente trabajo se desarrolla una valoración integral de distintos sistemas híbridos de electrificación rural, como apoyo para la selección de la tecnología adecuada a cada comunidad.

Se propone para la valoración de los sistemas híbridos el empleo de múltiples criterios, entre los que se encuentran: porcentaje de aporte de generación Diesel, costo de la energía equivalente, valor presente neto, costo de operación y mantenimiento, riesgos de la instalación y facilidad de gestión del sistema.

Se estudia un conjunto de tecnologías de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos, con los cuales se logra satisfacer los consumos de energía que presentan las distintas comunidades rurales en estudio (desde 20 a 320 kWh/día), empleando seis dimensionamientos con una confiabilidad similar a la brindada por la extensión de red y con bajo nivel de aporte de generación Diesel.

Finalmente se desarrolla una herramienta matemática que estima el comportamiento de los criterios de valoración para cada sistema híbrido propuesto, para lo cual se emplean tres datos característicos de la comunidad: irradiación solar promedio diaria, velocidad del viento promedio y consumo promedio diario. El resultado se constituye en un procedimiento sencillo para la valoración integral de sistemas híbridos, aplicable a comunidades rurales de Venezuela.

ABSTRACT

In this work, it is developed an integral valuation of different rural electrification hybrid systems, like support for the selection of the appropriate technology to each community.

It intends for the valuation of the hybrid systems, the employment of multiple approaches, among them: contribution of Diesel generation percentage, equivalent energy cost, net present value, operation and maintenance costs, installation risks and easiness of system administration.

A group of wind-photovoltaic hybrid system technologies is studied, with which it is possible to satisfy the energy consumptions of different rural communities under study (from 20 to 320 kWh/day), using six system sizing, with a similar reliability than the given by the net extension and with low level of Diesel generation contribution.

Finally, it is developed a mathematical tool that estimates the behavior of the approaches of valuation for each proposed hybrid system, where three characteristic data of the community are used: average daily solar irradiation, average wind speed and average energy consumption. The final result is a simple procedure, for the applicable integral valuation of hybrid systems to rural communities in Venezuela

INTRODUCCIÓN

El empleo de combustibles fósiles para la generación eléctrica presenta múltiples limitaciones, entre las que se encuentran: la baja disponibilidad de reservas de estos recursos a nivel mundial[1-2], sus crecientes y fluctuantes costos[3], la concentración geográfica de estos recursos en un conjunto muy pequeño de países[4]y el notable impacto ambiental que genera su uso en los procesos de generación de electricidad[4-5].

Lo antes mencionado pone en evidencia la necesidad de establecer estrategias dirigidas a incorporar nuevas fuentes de energía a la matriz energética mundial, siendo una de las posibilidades la utilización de fuentes renovables de energía, lo cual permitirá atenuar aspectos tales como: las crecientes demandas anuales de energía eléctrica (estimada en 30 TWh para el año 2050[6]), el impacto ambiental generado por combustibles fósiles[5]y la carencia de servicio eléctrico de aproximadamente 2,5 miles de millones de personas que habitan en regiones aisladas de la red eléctrica a nivel mundial[7].

Respecto a las diferentes fuentes de energías renovables, cabe destacar las siguientes: la eólica, solar, marina, geotérmica y biomasa, las cuales presentan capacidades de generación eléctrica muy variables en dependencia con la localización y la tecnología empleada, estas abarcan potencias desde décimas de kW hasta los MW y permiten el aporte energético tanto a redes de distribución eléctrica, como a sistemas autónomos de electrificación rural[8-9].

Es de interés en este estudio, la valoración de los sistemas autónomos de electrificación rural que emplean como fuentes de energía a la solar fotovoltaica y la eólica, dada la alta disponibilidad de estos recursos energéticos en diversas regiones de América Latina y el Caribe (ALC), a los fines de presentar propuestas que permitan satisfacer el conjunto de necesidades energéticas de diferentes comunidades rurales, que no cuenta con electrificación (ver anexo 1)[10].

En este sentido, las tecnologías denominadas sistemas híbridos de energía (SHE), brindan la posibilidad de emplear la fuente de energía solar fotovoltaica y la eólica en sistemas autónomos para la electrificación rural; a los casos en que se emplean simultáneamente ambas fuentes, se les denomina sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos (SH EFV)[11-12].

Las tecnologías antes mencionadas presentan las ventajas de ofrecer un nivel de confiabilidad superior al de los sistemas que emplean una sola fuente de energía, además de presentar costos similares o menores a los de la extensión de la red eléctrica para diversas regiones geográficas a nivel mundial[12].

En este sentido una de las tareas pendientes por realizar es el desarrollo de estudios para la valoración de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos, que permitan satisfacer las diferentes demandas de energía que presentan las comunidades rurales aún sin electrificar[13].

Debe considerarse la factibilidad de incorporar sistemas híbridos estandarizados que puedan ser empleados en distintas comunidades o regiones, a los fines de obtenerse una mayor homogeneidad en la configuración de las soluciones energéticas de electrificación rural, lo que traería consigo ventajas tales como: menor tiempo y costos de instalación, menores costos de mantenimiento, mayor confiabilidad, entre otros beneficios[14-15].

La valoración de los SH EFV, hasta donde ha sido reportada en la bibliografía consultada, se basa principalmente en la valoración de aspectos técnicos y de forma más reciente en aspectos económicos, considerando indicadores muy particulares que obedecen a necesidades y objetivos planteados por los agentes decisores[14-23].

En los estudios consultados se señala el interés de contar con un valoración integral, dados los múltiples aspectos que suelen involucrarse en los proyectos de electrificación de cualquier índole, particularmente los aspectos ambientales y sociales; adicionalmente se encontraron señalamientos respecto a las diferencias que pueden hallarse en cada una de las tecnologías de electrificación rural y donde se especifica en el caso de las tecnologías convencionales, que las mismas generaran emisiones de gases contaminantes en función al porcentaje de combustible Diesel que empleen[24-26].

Considerando lo antes señalado y que uno de los principales problemas que presenta la electrificación rural, es la dificultad para la selección de tecnologías adecuadas a cada comunidad, se ha considerado que disponer de modelos para la valoración de estos sistemas energéticos, sería de utilidad para facilitar el proceso de toma de decisión y para la disminución del nivel de incertidumbre que suele asociarse a estos tipos de proyectos[27-28].

Es posible afirmar entonces, que la ausencia de herramientas para la valoración integral de las tecnologías de electrificación rural , representa una limitante importante a ser superada si se aspira avanzar en el procesos de electrificación; tal es el caso de los proyectos energéticos que se encuentran en fase de desarrollo en Venezuela, con los cuales se aspira a dotar de servicio eléctrico a casi la totalidad de las comunidades fronterizas, indígenas y aisladas de la red, siendo los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos una de las opciones propuestas y actualmente ya en desarrollo[29-32].

Planteamiento del problema

El problema científico de la presente investigación queda definido como se señala a continuación:

En la valoración para la selección de tecnologías de sistemas híbridos de electrificación rural formuladas hasta la fecha en Venezuela; no se contempla el análisis integral del comportamiento esperado de estos sistemas, en cuanto a los aspectos económicos, técnicos, ambientales y sociales, lo que genera incertidumbre y dificultad en el proceso de selección del sistema adecuado a cada comunidad.

El objeto de la Investigación: es la estimación del comportamiento de los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos para diferentes demandas de energías, mientras que el campo de la investigación: está enmarcado en la electrificación de comunidades rurales aisladas de la red eléctrica mediante fuentes renovables.

Hipótesis

Si se elabora una propuesta para valoración integral de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos, mediante un modelo de estimación del comportamiento de las variables técnicas, económicas, ambientales y sociales, entonces se facilitará el proceso de selección de tecnología de electrificación rural a los agentes decisores.

En función de dar solución al problema científico señalado, se plantean el objetivo general y los específicos en esta investigación:

Objetivo General

Elaborar una propuesta integral para la comparación de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos, mediante un modelo de estimación del comportamiento de las variables técnicas, económicas, ambientales y sociales, cuya aplicación facilite la selección de tecnologías de electrificación rural, mediante un procedimiento sencillo de apoyo en la toma de decisión para su aplicación en comunidades rurales de Venezuela.

Objetivos específicos

1. Determinar una matriz de variables técnicas, económicas, ambientales y sociales, que faciliten la valoración de diferentes tecnologías de electrificación rural.

2. Seleccionar un conjunto estandarizado de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos que permitan: brindar servicio eléctrico a distintas comunidades rurales con un nivel de confiabilidad en la entrega de la energía comparable al de la red convencional, el empleo de un bajo nivel de aporte de generación Diesel, un mínimo de 2 días de autonomía y el menor costo de la energía equivalente.

3. Formular un modelo matemático (herramienta) y su procedimiento, que permita estimar el comportamiento de diversas variables características de los sistemas energéticos, para la comparación integral de las tecnologías y su uso conjunto con Sistemas de Información Geográfica (SIG), en la valoración de soluciones energéticas de cada comunidad o conjunto de ellas.

Tareas de la investigación

El trabajo de investigación desarrollado está basado, en un conjunto de simulaciones para distintos sistemas energéticos SH EFV, donde los resultados surgen de la aplicación de modelos y ecuaciones matemáticas, así como del conjunto de tareas que se resumen a continuación y que fueron necesarias para alcanzar los objetivos trazados.

1. Estudio del estado del arte de investigaciones realizadas respecto a las tecnologías de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos, empleados en la electrificación rural y de los criterios utilizados para la valoración de estas tecnologías.

2. Evaluación de las bases de datos de irradiación solar, velocidad de viento y demandas energéticas para distintas regiones de Venezuela.

3. Diseño de una matriz de variables técnicas, económicas, ambientales y sociales, que permita la valoración integral de los sistemas híbridos.

4. Simulación de escenarios y evaluación de un conjunto de sistemas energéticos híbridos (eólico-fotovoltaicos), que permitan brindar servicio eléctrico a distintas comunidades rurales de Venezuela.

5. Formulación matemática de un modelo que considere múltiples criterios para la valoración de tecnologías de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos.

6. Diseño de un procedimiento sencillo para la aplicación del modelo matemático formulado y la integración del modelo de valoración a un SIG.

Entre los Métodos empleados en esta investigación se destaca el dialéctico materialista, el cual permitió integrar los restantes utilizados.

Los métodos técnicos empleados fueron:

- Histórico–Lógico, que permitió el estudio crítico y la definición de la orientación para el desarrollo del modelo matemático formulado.
- Análisis–Síntesis, que posibilitó el estudio de los rangos de recursos energéticos y demandas características de las diversas regiones bajo estudios, así como de las distintas variables consideradas en el modelo matemático propuesto.
- Sistémico-Estructural, para la Integración del modelo matemático como un todo y la articulación del conjunto de variables y su aplicación con otras herramientas como los SIG.
- Hipotético-Deductivo, que permitió definir futuras líneas de investigación a partir de los resultados alcanzados.

Entre los métodos empíricos utilizados se destaca, el análisis documental para la revisión de la bibliografía de los criterios planteados, para la valoración de las tecnologías y sistemas híbridos de electrificación rural. Además se utilizó la técnica de entrevista a expertos, para conocer la apreciación de estos con respecto a la valoración cualitativa de las variables sociales.

Dentro de los resultados obtenidos en esta investigación se encuentran:

1. El diseño de una matriz para la valoración integral de las tecnologías de electrificación rural.
2. Un conjunto de soluciones energéticas (eólica-fotovoltaicas) estandarizadas, para abordar el problema de la electrificación rural en las distintas comunidades de Venezuela.
3. Un modelo matemático, que permite efectuar la estimación del comportamiento de las variables de la matriz de criterios, para los diferentes escenarios de consumo y recursos energéticos que presentan las comunidades, considerando cada una de las tecnologías propuesta.
4. La formulación de un procedimiento para la valoración integral de las diferentes tecnologías de electrificación rural y comunidades de forma simultánea, dada la facilidad que presenta para integrarse a los SIG.

La Novedad Científica de la tesis radica en: La valoración integral del comportamiento de los sistemas híbridos, mediante indicadores económicos, técnicos, ambientales y sociales, para la selección de tecnologías de electrificación rural utilizando un modelo matemático y su procedimiento confeccionado al efecto.

El aporte teórico de la investigación se encuentra en: la concepción de una matriz de criterios para la valoración integral de tecnologías de electrificación rural, que logra incorporase con una propuesta de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos estandarizados, para las condiciones de las comunidades rurales de Venezuela, integrando un modelo matemático y su procedimiento, que facilita la selección de la tecnología adecuada a cada comunidad.

El aporte práctico queda reflejado en: la valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural propuesta.

En los aportes sociales de la investigación, pueden mencionarse los siguientes:

1. La introducción de una nueva herramienta para la valoración integral de tecnologías de electrificación rural, facilitando la toma de decisiones para la selección de los sistemas adecuados a cada comunidad.
2. Un conjunto de diseños de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos estandarizados, adaptados a los rangos de consumo y recursos energéticos presentes en las comunidades rurales venezolanas.

Algunas de las novedades y aportaciones originales presentadas en esta tesis doctoral, han sido publicadas por la autora en revistas científicas especializadas:

1. Dimensionado mediante simulación de sistemas de energía solar fotovoltaica aplicados a la electrificación rural. Revista Ingeniería Mecánica. Vol. 14. No. 1, Enero- Abril 2011, pp. 13-21. Cuba, 2011.: (Indexada por SciELO)
2. Compensación del número de paneles y baterías en sistemas fotovoltaicos autónomos. Revista Universidad, Ciencia y Tecnología UNEXPO, Venezuela. Aceptado para publicación, Julio 2011. (Indexada por SciELO)
3. Sistemas de información geográfica y su aplicación en los proyectos de electrificación rural. Revista ECO SOLAR. Revista 32. Cuba, 2010.
4. Wind-PV hybrid system modeling for rural communities’ electrification in Venezuela. Revista de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia. Venezuela. Aceptado para publicación, 2011. (Indexada en la Web de la Ciencia)

CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE CRITERIOS PARA LA VALORACIÓN INTEGRAL

En función de dar cumplimiento a las tareas de la investigación, se realizó una amplia revisión bibliográfica orientada a dar respuesta al problema que representa la selección de tecnologías para la electrificación rural, considerando la valoración integral de aspectos técnicos, económicos, ambientales y sociales; bajo la premisa de poder predecir impactos que puedan generarse en los proyectos de electrificación rural[34-35]. Siendo la interrogante planteada la siguiente:

¿Qué criterios o variables deben ser contemplados para la evaluación integral de las tecnologías de electrificación rural?

A continuación se describe el marco general en el que se planificó esta fase de la investigación, que permitió dar respuesta a la pregunta señalada.

1.1. Estado del Arte

Hasta hace unas décadas la mayoría de las publicaciones referidas a sistemas energéticos de electrificación rural, estaban enfocadas en la disponibilidad de energía y potencia que podía brindar cada una de las diferentes tecnologías. A partir del año 2000, empiezan a publicarse investigaciones que señalan otros elementos relevantes para la selección de las distintas tecnologías, incorporando criterios económicos tales como: el menor costo de la energía equivalente y el valor presente neto de la inversión[35 - 37].

De igual forma el desarrollo computacional de la última década, ha brindado la posibilidad de diseñar programas informáticos para simular el comportamiento energético de los distintos sistemas en diferentes escenarios, empleando modelos matemáticos que permiten representar las condiciones y característica de la energía entregada, a la vez que facilitan la valoración de diferentes criterios económicos y técnicos para distintas tecnologías[36].

Los criterios para la selección de tecnologías de electrificación rural, han sido objeto de análisis y discusión por parte de diferentes entes mundiales, entre ellos, la Comisión Mundial de la Energía (CME), aunque no existe un consenso sobre los indicadores o variables que deben emplearse, se han referido algunos de importancia como por ejemplo: la necesidad de considerar la facilidad de satisfacer la demanda, accesibilidad (costos), la disponibilidad y la aceptación social de la energía generada, entre otros aspectos inherentes a cada tecnología[38].

Los planteamientos antes formulados ponen en evidencia, la necesidad de considerar en la selección de las tecnologías de electrificación rural, más allá de los elementos técnicos-económicos que suelen emplearse habitualmente en los proyectos de ingeniería, los relacionados a las implicaciones e impactos sociales y ambientales, que puede generarse en la comunidad producto de la introducción de cada tecnología en particular[39-41].

En los estudios desarrollados recientemente, se han presentado evaluaciones para la selección de tecnologías de sistemas energéticos autónomos, considerando criterios tales como: calidad de la energía (minimización de energía insatisfecha), disminución de costos de generación y reducción de la contaminación ambiental[12, 27, 40, 41].

Otro enfoque con el que se ha abordado la problemática de la selección de las tecnologías de electrificación rural, es a través de una óptica multidisciplinar integrada a la planificación territorial, empleando el apoyo de los SIG e incorporando simultáneamente criterios económicos y ambientales, en función de buscar un equilibrio entre las tecnologías y el entorno de estos proyectos[36, 42, 44].

No obstante haberse encontrado estudios que evalúan simultáneamente diferentes criterios para la selección de tecnologías (como los antes mencionados), estos han sido realizados para comunidades con características y necesidades distintas a las que se presentan en países en vías de desarrollo, por lo que se evidencia la ausencia de criterios sociales en la valoración [45, 46].

Una de las metodologías que incorpora elementos para la valoración del impacto social de las tecnologías de electrificación rural, a través de parámetros cuantitativos y cualitativos es la denominada SURE (Decision Support System for Rural Energy), en la cual se expresan los aspectos diferenciadores de cada tecnologías respecto al tipo de comunidad y aunque no contemplan las tecnologías de sistemas híbridos, ofrece una orientación de los diversos elementos a considerar para la selección.[47].

Las facilidades de gestión que brinda cada tecnología, su complejidad y periodicidad del mantenimiento deben ser valoradas para la comparación y selección adecuada, dadas las diferencias que pueden presentarse, por lo que estos parámetros resultan de influencia para garantizar la vida útil del sistema energético a seleccionar y por ende del retorno social esperado con la inversión realizada en proyectos de esta naturaleza[48].

Es posible afirmar que el análisis para la valoración de los sistemas energéticos autónomos debe obedecer a múltiples criterios, combinando aspectos cuantitativos y cualitativos con aspectos y criterios técnicos, económicos, sociales y ambientales, a los fines de brindar una visión amplia de las diferencias que presenta cada tecnología, en función de poder seleccionar la más adecuada[36, 47].

La necesidad de contar con una estrategia o método para la valoración y selección de tecnologías de electrificación rural, se encuentra presente en los países de ALC, en los cuales se cuenta con estudios preliminares que indican un alto potencial en fuentes renovables de energía tales como: solar, eólica y mini hidráulica[ 29, 36, 47].

En el caso particular de Venezuela, se desarrolla actualmente un proyecto nacional para la electrificación de comunidades rurales aisladas (cuya meta es elevar el porcentaje de electrificación nacional del 97.8%[29], a valores más cercanos al 100%), para lo cual se han estudiado y probado diferentes tecnologías, configuraciones y modelos de sistemas de electrificación rural, pudiendo comprobar que los sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos representan una oportunidad para la electrificación de comunidades de forma centralizada[30, 49, 52].

La ausencia de una herramienta que permita valorar de forma integral diferentes tecnologías de electrificación, es una limitación que se ha presentado en el caso venezolano para la comparación y selección de la tecnología, haciendo más lenta y laboriosa la tarea para los agentes decisores y planificadores energéticos[29], durante la estimación del comportamiento esperado para estos sistemas.

1.2. Matriz de criterios para la valoración integral de sistemas energéticos de electrificación rural

Resulta necesario evaluar la idoneidad de los criterios ya reportados para la valoración de las tecnologías, así como sugerir la incorporación de otros parámetros que de forma integrada (matriz), brinde una visión amplia del comportamiento esperado para distintos sistemas híbridos propuestos.

Se entenderá en el presente estudio como matriz de criterios o de variables: al conjunto de indicadores económicos, técnicos, sociales y ambientales, que conforman el modelo para la valoración de las soluciones energéticas. Será a través de la matriz de criterios que se brindará un conjunto de datos necesarios a los agentes decisores, para la toma de decisión en cuanto a la selección de la tecnología adecuada para cada comunidad venezolana.

Cada indicador seleccionado para conformar la matriz de criterios, fue escogido por su pertinencia para describir de forma diferenciada, el comportamiento de un aspecto resultante de la operación de cada sistema híbrido estudiado. A continuación se presentan las definiciones de los criterios e indicadores que conforman la matriz.

- Criterio Técnico: refleja información de la accesibilidad que presenta cada sistema energético respecto a la distancia a la red eléctrica más cercana, ofreciendo una valoración comparativa de la idoneidad del sistema híbrido respecto al método convencional de extensión de red. A continuación se describe el indicador seleccionado.

Distancia Crítica a la Red: es la distancia medida en kilómetros (km) en la que se igualan los costos de dos opciones de energización:

a) la extensión de la red como método

b) el sistema híbrido evaluado, tal como se representa en la siguiente ecuación:

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Este indicador representa la factibilidad de cada sistema energético con respecto al método de extensión de red. Su bondad está dada en la sencillez para el análisis y comparación, por lo que ha sido empleado en varias investigaciones[53, 55].

A partir de la ecuación 1 es posible llegar a la ecuación 2, con la que se realiza el cálculo de la distancia crítica a la red.

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Donde:

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Criterios Económicos: permiten ilustrar los costos en que se incurre cuando se selecciona un sistema energético respecto a otro, representado un objetivo de interés para los agentes decisores.

En el trabajo fue necesario considerar tres indicadores que brindan información complementaria de los desembolsos requeridos en diferentes momentos en el tiempo: el costo equivalente de la energía, el valor presente neto (balance de ingresos y costos valorados traídos a valor presente) y el costo de operación y mantenimiento (provisión de gasto que garantiza la continuidad de operación del sistema), siendo todos de amplia utilización en las bibliografías consultadas[36, 56, 59]. A continuación se describe en detalle la definición y ecuación de cada uno de los indicadores seleccionados:

Costo Equivalente de la Energía (CEE): este indicador es de amplio uso para la valoración económica de los sistemas energéticos y permite cuantificar el costo promedio en producir 1 kWh de energía eléctrica con un sistema[27, 31, 32, 34, 59, 60].

La ecuación empleada para el cálculo de esta variable, se presenta a continuación:

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Donde:

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Valor Presente Neto de la inversión (VPN): este indicador es también de común empleo para la valoración económica de proyectos de electrificación, se basa en la representación de un balance de costos e ingresos totales durante la vida útil del sistema energético trasladados al tiempo presente[27, 31, 32]. A continuación se presenta la ecuación que permite efectuar estos cálculos:

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Donde:

Cinv inic→ costo de la inversión inicial para la adquisición de todos los componentes del sistema híbrido (en $).

Canual sist→ costo de operación y mantenimiento anualizado para todos los equipos (baterías, aerogenerador, paneles fotovoltaicos, generador Diesel, inversor) (en $).

Creemplazo→ costo anualizado de adquisición de componentes del sistema híbrido, cuya vida útil sea menor que la del sistema, por lo que ameritan ser reemplazados una o varias veces en el tiempo de vida útil del proyecto (por ejemplo: baterías, inversores, entre otros) (en $).

Csalvamento→ ingreso obtenido por el valor económico que conservan los componentes del sistema híbrido cuando finaliza la vida útil del mismo (en $).

FPN→ factor de ajuste al valor presente, que permite traer los costos anuales de cada año al valor presente para su evaluación.

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Donde:

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Este indicador estará expresado en $ y será representado con el término VPN.

Costos de Operación y Mantenimiento (COyM): este indicador permite representar un aspecto de interés en cuanto a la sustentabilidad del sistema energético, dado que en el pasado no solían considerarse los gastos de mantenimiento y operación en la toma de decisión para la selección de la tecnología, ya que se consideraba que estos gastos podían ser asignados a las poblaciones beneficiarias del servicio[27].

Posteriormente la realidad ha dejado en evidencia que estos costos de operación y mantenimiento en algunos casos son altos, en dependencia de la tecnología y no pueden ser asumidos por la comunidad, elemento que debe ser valorado si se aspira que el sistema brinde un retorno social y opere satisfactoriamente durante toda la vida útil planificada[24, 27, 48].

En este indicador se reflejan la totalidad de los gastos de mantenimiento anualizados, tales como: mantenimiento preventivo que requerirá cada sistema (limpieza del equipo, cambio de accesorios, etc.), la estimación de los gastos por mantenimiento correctivo y los gastos de operación de estos sistemas (que involucran el combustible y mantenimiento para el generador Diesel), así como los gastos relacionados con la mano de obra y la operación de estos sistemas. La ecuación empleada para este cálculo es:

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Donde:

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Este criterio estará expresado en $ y será representado con el término COyM.

Para el Criterio Ambiental se procedió a seleccionar un indicador de relevancia, en función del impacto ambiental que suele representar en las comunidades rurales el empleo del generador Diesel, por lo que dentro de los valorados, el más representativo resultó ser el porcentaje de aporte Diesel, permitiendo medir una serie de impactos no solo ambientales, sino económicos y sociales, que son producto de un mayor o menor empleo de este tipo de generación (basada en combustibles fósiles); aunque no se desconoce el impacto ambiental que en menor grado generan las tecnologías como la eólica y la fotovoltaica[61, 63], partiendo del criterio de que ninguna es totalmente libre de impacto ambiental.

Este indicador permite medir el grado de utilización de fuentes convencionales de generación Diesel, dentro del total de la energía que debe ser generada para suplir el consumo eléctrico de la comunidad, el cual está inmerso en la ecuación general que debe cumplir todo sistema energético, el balance de energía.

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Donde:

Egenerada→ energía promedio diaria generada por las diversas fuentes que dispone el sistema energético.

Este último término (Egenerada), representa la sumatoria de generación de energía de todos los sistemas que conforman el sistema híbrido, siendo la ecuación general empleada la siguiente:

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Donde:

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Pérdidas→ cantidad de energía que es consumida por el mismo sistema de generación o que se pierde por disipación térmica u otras causas en el sistema fotovoltaico, en el eólico, en las baterías y en el generador Diesel.

La cantidad de energía aportada por el generador Diesel debe ser medida para su control, por lo que el indicador porcentaje de aporte Diesel, permite reflejar la proporción de energía entregada por este sistema respecto al total de energía generada en el sistema híbrido, por lo que puede emplearse para su cálculo la siguiente ecuación:

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Dado que el empleo de combustibles fósiles en la generación de energía en las comunidades produce diferentes efectos contaminantes al ambiente[64, 66], genera una dependencia de estos insumos externos a la comunidad, es que se afirma que el porciento de aporte Diesel, representa una estimación del impacto social que es introducido en la comunidad, en la medida de la mayor o menor utilización de la generación Diesel [67].

Los Criterios Sociales resultan relevantes en la valoración integral del sistema de electrificación, dado el origen social de estos proyectos, sin embargo es muy escaso el material bibliográfico que fue encontrado, respecto a algún tipo de indicador aplicable para la medición del impacto generado, como consecuencia de la implementación de sistemas energéticos [36, 37].

Por lo antes señalado fue necesario realizar una consulta a expertos en la materia, con el objetivo de determinar los indicadores que facilitan reflejar el impacto, así como la aceptación o rechazo de las tecnologías por parte de la sociedad.

De igual forma, se procedió posteriormente en una segunda consulta a un grupo más amplio de expertos (un total de 12), para que emitieran a través de un cuestionario (ver anexo 4), una evaluación cualitativa del nivel estimado de impacto de cada tecnología para los indicadores seleccionados. Procediéndose a definir dos indicadores y su escala de medición.

Riesgo del sistema: variable de medición cualitativa que refleja la probabilidad de ocurrencia de eventos, que pueden ocasionar afectaciones a las personas o al entorno, como consecuencias de: contacto eléctrico con componentes del sistema, generación de residuos contaminantes en el suelo o el agua, generación de gases o ruido, etc., originados por la incorporación del sistema energético en la comunidad.

Nivel de complejidad de operación del sistema: es una valoración del grado de complejidad del conjunto de las tareas requeridas, durante el seguimiento de la operación diaria de un sistema energético (por parte del operador local), para la corrección de pequeñas fallas o averías, así como efectuar el abastecimiento de combustibles y cuidado de las baterías.

La valoración de estos indicadores es intrínseca a la tecnología, con un bajo grado de dependencia de la comunidad donde se instalará el sistema, por lo que es posible contar con la valoración previa de estos indicadores (obtenida mediante criterio de expertos). A continuación se presenta un ejemplo de los resultados de estos indicadores para diferentes sistemas.

Tabla 1.1. Indicadores sociales del riesgo de la instalación y facilidades de gestión de sistemas híbridos

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Fuente: Elaboración propia

La conjunción de estos indicadores sociales con los anteriormente señalados, conforman los criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales que permiten contar con una matriz de criterios, para la valoración integral de los sistemas energéticos, la que se propone para ser empleada de forma conjunta con los siguientes elementos:

a) modelo matemático
b) conjunto de sistemas energéticos de diferentes capacidades de generación
c) y procedimientos para su aplicación.

En la tabla 1.2 se muestra la integración de cada uno de los criterios e indicadores señalados, lo cual facilita el proceso para la valoración integral de las tecnologías de electrificación rural.

Tabla 1.2 Matriz de criterios para la valoración integral de tecnologías de electrificación rural

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Fuente: Elaboración propia

1.3. Discusión y conclusiones del capítulo 1

La revisión bibliográfica de los aspectos relevantes señalados por diversos autores, permitió determinar que existe consenso en cuanto a la necesidad de evaluar las tecnologías de electrificación rural, considerando diversos criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales.

De igual forma, fue posible corroborar en los estudios de otros autores, que no existe una herramienta que agrupe un conjunto de criterios para la valoración de tecnologías de electrificación rural, de forma que se facilite el proceso de selección de las tecnologías adecuada a cada comunidad, siendo necesario proponer una matriz de criterios (conformada por siete indicadores), que facilite la comparación y valoración de los distintos sistemas energéticos, que puedan ser propuestos para su empleo en las comunidades rurales de Venezuela.

CAPÍTULO 2. SELECCIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS EÓLICO-FOTOVOLTAICOS ESTANDARIZADOS

La electrificación rural presenta características particulares con la que suelen identificarse y definirse los proyectos de este tipo; entre estas se encuentran: la baja densidad de conexiones por km de extensión de red, los bajos promedios de consumos energéticos y los altos costos de operación y mantenimiento (por condiciones propias de su ubicación)[34].

No debe ignorarse que las características antes mencionadas, estarán condicionadas al tipo de solución técnica, que hasta hace unas décadas solían brindarse a estas comunidades como solución casi exclusiva, tal era el caso de la extensión de la red eléctrica.

En la actualidad se contemplan otras opciones para la ejecución de proyectos de electrificación rural, como lo son el empleo de fuentes renovables para las cuales se utiliza la integración de tecnologías (en algunos casos), facilitando el acople y la flexibilidad para las distintas necesidades de consumo que presentan las comunidades rurales y por ende, pueden brindar un costo menor de la energía[68, 69].

El dimensionamiento de los sistemas híbridos empleados en la electrificación rural, deben responder al menos a las siguientes condiciones: la satisfacción del consumo de energía estimado, garantizar el mínimo costo y presentar la menor cantidad no servida (fallos o apagones)[34, 51, 62, 63].

La estructuración de sistemas híbridos para la electrificación rural, debe perseguir adicionalmente como objetivo su estandarización (para un conjunto de condiciones de diseño), a los fines de impulsar el desarrollo acelerado de proyectos, lo que aportaría numerosas ventajas que se presentan al estandarizar los diseños, entre ellas: la disminución en los costos, tiempo de instalación, de mantenimiento, facilidad para el adiestramiento del personal y mayor confiabilidad en los sistemas[14, 15, 24, 69, 70].

En la electrificación rural, donde se pretende abarcar amplias extensiones geográficas con diferentes condiciones climatológicas, representan un reto considerable el uso de sistema estandarizados, máxime cuando estos sistemas deben presentar el menor número de fallos en el servicio[12, 24].

En la práctica existen proyectos de electrificación rural, que se han implementado mediante una estrategia de estandarización para distintos sistemas energéticos. Se conoce de diversos sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos estandarizados, como es el caso de los proyectos: Luz para todos, de Brasil[24], Sembrando Luz, de Venezuela[29-30]y Brightness Program, de China[18], entre otros.

El objetivo específico a alcanzar, está enfocado en la definición de un conjunto (limitado) de SH FVD, que permitan brindar servicio eléctrico a diferentes comunidades rurales de Venezuela, con un nivel de confiabilidad en la energía brindada similar a la ofrecida por la extensión de red y bajo los criterios de: mínimo costo de la energía, nula probabilidad de fallos por dimensionamiento y mínimo impacto ambiental.

A continuación se describen las tecnologías y el método considerados para la selección de los dimensionamientos propuestos, con el fin de ser utilizados en la valoración de soluciones de electrificación rural para las comunidades de Venezuela.

2.1. Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA)

La tecnología fotovoltaica es considerada hoy, como una alternativa apropiada para abordar los problemas de la electrificación rural descentralizada[24]. Esta tecnología basa su principio de funcionamiento (descubierto por el físico francés Becquerel, en el año 1839), en el fenómeno que se caracteriza por la liberación de electrones, en materiales con capacidad para transportarlos y constituir una corriente eléctrica a partir de la absorción de energía electromagnética o radiante[37].

El dispositivo de captación de la energía, denominado panel o módulo fotovoltaico, suele estar conformado por varias celdas fotovoltaicas, encerradas en una estructura rígida (vidrio frontal) que garantiza la absorción de la radiación solar y la evacuación del calor para obtener un rendimiento máximo[12].

Las celdas fotovoltaicas están fabricadas principalmente de silicio, existiendo diferentes variantes para este tipo de celdas, como son: las de silicio cristalino, policristalino o amorfo; que ofrecen opciones en el costo y la eficiencia en cada una de ellas. La apariencia general de estos paneles fotovoltaicos una vez instalados para su funcionamiento, es la que se muestra en la figura 2.1.

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Figura 2.1 Paneles fotovoltaicos instalados

Estos sistemas pueden emplearse para su conexión a la red eléctrica convencional o para sistemas de electrificación rural, estos últimos se le denominan sistemas aislados o autónomos (SFA).

Los paneles fotovoltaicos ofrecidos comercialmente, brindan desde pocos Watt hasta 300 Watt, con eficiencias del orden del 15 al 20 % aproximadamente, aunque se estudian actualmente otros materiales que puedan brindar mayores niveles de eficiencia y menores costos, entre ellos: el sulfuro de cadmio, arseniuro de galio, entre otros[24].

Una de las barreras que ha limitado la expansión en el uso de esta tecnología en años anteriores, ha sido el relativamente elevado costo que presentaban algunos de sus componentes (particularmente paneles y baterías), por lo que el costo de la energía generada con estos sistemas, solía considerarse alto con respecto a los ofrecidos por otras fuentes de generación.

En la actualidad existe la tendencia a la disminución en los costos de los paneles fotovoltaicos, los cuales presentaron un precio promedio en el año 2010, de 2,32 €/W y su costo podría disminuir a la mitad en pocos años según estimaciones realizadas, lo que constituye un impulso en el empleo de esta tecnología[71-72].

Los SFA inicialmente fueron empleados para la satisfacción de pequeñas demandas (servicio comunitario en escuelas, centros de salud, bombeo de agua, etc.) o para brindar servicio eléctrico a viviendas. En la actualidad esta tecnología permite satisfacer demandas significativas de energía en comunidades completas.

Los componentes tecnológicos básicos que integran los SFA son: los paneles fotovoltaicos (cuya cantidad dependerá en cada caso de la disponibilidad de irradiación solar diaria y de la demanda energética a suplir), un control-inversor (dado que en la actualidad se requiere de suministro exclusivo de energía en corriente alterna (AC)), y un banco de baterías con su regulador de carga; estando estos componentes integrados en un sistema energético semejante al que se ilustra en la figura 2.2.

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Figura 2.2 Sistema fotovoltaico autónomo (SFA)

Fuente: Elaboración propia

El sistema de la figura 2.2 puede emplearse en algunos casos con un sistema de respaldo Diesel, cuyo objetivo es suplir la carga en los momentos en que no existe o es insuficiente la generación de energía solar fotovoltaica y no existiera disponibilidad de energía en las baterías, por lo que la generación mediante el combustible fósil (Diesel u otro combustible), permite garantizar un 0 % de probabilidad de falla o apagón por falta de capacidad de generación.

Los sistemas híbridos que emplean respaldo de generación Diesel, se denominan híbridos fotovoltaico-Diesel (SH FVD), los cuales forman parte de las tecnologías que deben ser analizadas, para determinar su factibilidad de empleo en las comunidades rurales de Venezuela[29, 30, 59].

La configuración o tipología a ser utilizada en los SH FVD, es la conexión en paralelo, agrupando los componentes como se ilustra en la figura 2.3.

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Figura 2.3 Sistema híbrido fotovoltaico-Diesel (SH FVD)

Fuente: Elaboración propia

Para la estimación del comportamiento de los Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA), se emplea un número significativo de ecuaciones, a continuación se exponen sólo algunas ecuaciones empleadas a modo de ejemplo, dado que el método utilizado para el cálculo fue a través de un programa de simulación que contempla un número extenso de ecuaciones[24].

El cálculo de la potencia de los generadores fotovoltaicos (paneles), puede realizarse empleando la ecuación que se presenta a continuación:

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Donde:

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Para el cálculo del tamaño de la capacidad del banco de baterías en los sistemas híbridos en general, puede emplearse la siguiente ecuación[27]:

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Donde:

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En el caso del generador Diesel debe ser capaz de suministrar la carga total demandada, por lo que suele considerarse que su capacidad sea igual o superior a la de demanda máxima, esta consideración también es aplicada para determinar la capacidad requerida en el inversor[66].

Dada la diversidad de condiciones geográficas de las comunidades en estudio, las que en algunos casos cuentan con velocidades de viento superiores a 3,5 m/s, es factible y beneficioso considerar la integración de la energía eólica como fuente de generación adicional al SH FVD, denominándose entonces a estas tecnologías sistemas híbridos eólico-fotovoltaico–Diesel (SH EFD)[29].

A los fines de considerar esta última dentro de las opciones de electrificación rural para el caso de Venezuela, se realiza a continuación una breve descripción de los principios de funcionamiento que rigen la misma.

2.2. Sistemas híbridos eólico-fotovoltaico-Diesel

El principio de funcionamiento de las turbinas eólicas, se basa en la transformación de la energía cinética del viento en energía mecánica. En algunos casos se emplea para mover directamente una máquina, como por ejemplo una bomba de agua, o bien para impulsar un generador de electricidad y aportar energía a una instalación[73].

La capacidad o potencia de los generadores eólicos actuales es muy diversa (desde los W (Watt) hasta el orden de los MW (Mega Watts)), por lo que suelen emplearse los de menor potencia en el abastecimiento eléctrico de comunidades rurales y los de mayores capacidades (superior a 30 kW) para aportar energía a la red, bajo configuraciones denominadas parques eólicos[74-75].

La potencia de los aerogeneradores puede calcularse para cualquier localización geográfica, empleando la siguiente ecuación[74]:

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Donde:

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Debido a condiciones propias de este fenómeno, no toda la potencia del viento puede extraerse, por lo que se determinó un límite teórico denominado límite de Betz, el cual expone que sólo puede extraerse un máximo del 59 % de la potencia contenida en el viento, por lo que debe aplicarse un factor de conversión energética (Cp) a determinarse en cada caso, con el que es posible estimar de forma aproximada la potencia del aerogenerador, empleando para ello la siguiente ecuación:

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Todos los aspectos antes mencionados dejan evidencia que es posible obtener una curva denominada curva de potencia, a través de la interacción de la ecuación (13) para diferentes velocidades de viento. La cual suele ser ofrecida por los fabricantes de los aerogeneradores, a los fines de que pueda estimarse con precisión, la cantidad de energía que es posible obtener en cada lugar y mediante cada aerogenerador en particular[74].

Un ejemplo de curva de potencia típica para pequeños aerogeneradores, es la que se muestra en la figura 2.4, donde se observa que la velocidad de arranque es de 3 m/s (aproximadamente) y la potencia máxima de 3,5 kW, para una velocidad de viento de 14 m/s.

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Figura 2.4. Curva de potencia de un aerogenerador

Fuente: Aerogenerador Bornay 3 kW

La disponibilidad de curvas de potencia, es de utilidad en el campo energético como parte de un método adecuado, para la estimación de la energía que puede entregar cada aerogenerador según su localización, aunque se reconoce que existe menor precisión en los casos de los aerogeneradores de pequeña potencia (en algunas marcas comerciales)[76].

Un ejemplo de la integración de los aerogeneradores en la configuración de los SH EFD, a ser valorados como sistemas energéticos para las comunidades rurales en estudio, es el que se ilustra a continuación en la figura 2.5.

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Figura 2.5 Sistema híbrido eólico-fotovoltaicos-Diesel (SH EFD)

Fuente: Elaboración Propia

Debido a que la capacidad para la generación eléctrica de cada sistema, está condicionada por la integración de sus componentes tecnológicos, se presentan diferentes niveles de eficiencia, por lo que será necesario realizar una descripción detallada de los componentes tecnológicos que se proponen para su empleo.

Las características técnicas y económicas que presentan estos componentes, deben ser consideradas y descritas en el proceso de simulación a realizarse para cada dimensionamiento, por lo que fue necesario en algunos casos, hacer referencias a determinadas tecnologías considerando algunas marcas comerciales que presentan determinado nivel de eficiencia o características técnicas consideradas a modo de referencia.

2.3. Características de los componentes tecnológicos y sus costos

En Venezuela se viene realizando un esfuerzo sostenido durante los últimos cinco años (con apoyo de convenios internacionales, entre ellos el proyecto Alianza Bolivariana para las Américas (ALBA) Cuba-Venezuela), para incrementar el porcentaje de electrificación nacional (superior al 97 %) como parte del plan estratégico nacional[50-52]. Por lo que se han realizado estudios específicos dirigidos a seleccionar tecnologías (componentes) y sistemas de electrificación rural, considerando niveles de eficiencia, precios competitivos de mercado y novedad en la calidad del servicio eléctrico ofrecido[51].

Estos estudios han permitido la selección de un conjunto de tecnologías que han sido probadas para las distintas condiciones climatológicas de Venezuela, además de haberse empleado en la instalación de más de 1.000 sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA) y un total de 4 sistemas híbridos eólico-fotovoltaico-Diesel que se encuentra en funcionamiento[29-30].

Por todo lo antes expuesto se consideró oportuno y ventajoso, incluir en esta investigación los mismos componentes tecnológicos que están siendo usados en los proyectos de electrificación de Venezuela, en función de aprovechar los beneficios ofrecidos por estas tecnologías y promover la estandarización de estos sistemas energéticos.

En la figura 2.6 se muestra de forma ilustrativa, uno de los sistemas SH EFD instalados en la Guajira venezolana, en la comunidad del Táparo, donde se pueden apreciar los componentes tecnológicos mencionados.

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Figura 2.6. Sistema híbrido SH EFD de la comunidad del Táparo.

A continuación se describen cada uno de los componentes seleccionados, para integrar los dimensionamientos de los sistemas SH FVD y SH EFD.

Generador fotovoltaico

Para los sistemas fotovoltaicos se consideran diferentes cantidades de kWp en cada uno de los arreglos, siendo sus características las siguientes: panel de corriente continua, 24 Volt, eficiencia del 13 %, vida útil de 25 años, voltaje máximo de 27.0 Volt (V) y corriente máxima de 6.9 Ampere (A).

Respecto a los precios se asume un costo de 2.620 $/kWp y un costo estimado de mantenimiento de 25 $/año por cada 1 kWp, basado en los precios promedios del mercado europeo del primer semestre del año 2011[77].

Se asume que estos sistemas serán instalados en una estructura de soporte fabricada en acero galvanizado, con una inclinación fija de 10º (cuya selección no introduce errores significativos para su uso en todas las regiones de Venezuela)[29].

Baterías

En este análisis se consideran baterías de plomo ácido, tubulares, de 2 V y 800 A hora, permisibilidad de descarga máxima del 30 %, vida útil de 20 años, como referencia se ha considerado la marca Hoppecke[78].

Los arreglos de baterías serán medidos por su capacidad de acumulación en kWh, siendo organizados en bancos de baterías, donde la cantidad exigida estará en función de las necesidades energéticas y el nivel de calidad exigido respecto a los días de autonomía. La ilustración del tipo de batería y su arreglo empleado, se presenta en la figura 2.7.

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Figura 2.7. Banco de baterías de los sistemas energéticos propuestos

El costo de cada batería se fijó en 480 $ y el costo de mantenimiento estimado en 2 $/año por batería, debiendo señalarse que este componente es el más costoso dentro de los sistemas energéticos empleados. Los precios considerados corresponden al valor promedio del mercado colocados en sitio para el primer semestre del año 2011, según referencias del mercado europeo[78].

Aerogeneradores

Los aerogeneradores considerados son de 3 kW, empleando como referencia la marca Bornay de 24 V de CA, instalados en torres metálicas de 13 m de altura. El costo de adquisición del aerogenerador (incluye la torre) es de 7.950 $/aerogenerador y el gasto estimado de mantenimiento de 100 $/año por aerogenerador, según precios promedios consultados para el primer semestre del año 2011[79].

Inversores

El tipo de inversor seleccionado forma parte de los denominados “inteligentes”, con una potencia de 5 kW, empleando como referencia el modelo Sunny Island, que permite ejercer a la vez su propiedad de inversor y controlador de la carga de las baterías, así como del encendido del grupo electrógeno, siendo el tiempo estimado de vida útil de 5 años[80].

Se estima un costo de adquisición de 5000 $ por inversor y un gasto de mantenimiento anual estimado en 263 $ anuales, tomando como referencia el promedio de precio de mercado del primer semestre del año 2011[60, 80].

Generador Diesel

Fue necesario considerar diferentes potencias de generación Diesel, en función de las necesidades energética de las comunidades rurales en estudio, evitando generar costos innecesarios por sobredimensionamiento en las situaciones de bajo consumo de energía.

Se consideraron cuatro potencias diferentes de generador, que se corresponden a: 10, 15, 20 y 35 kW, empleando la referencia técnica de la marca Yanmar, con una vida útil de 15.000 horas de funcionamiento[81].

El costo estimado de adquisición de estos generadores es de 1.000 $/kW y los gastos por mantenimiento estimados en 1,12 $/h de operación, este último dato fue tomado de estudios realizados en sistemas de generación Diesel, empleados en la electrificación rural de Brasil bajo condiciones similares[60].

Adicionalmente se considera un precio de costo de combustibles, que representa un promedio del costo del insumo y del gasto de transporte necesario para disponer del mismo en las distintas comunidades rurales, el cual se fijó en 0,425 $/litro (el bajo costo del combustible Diesel, obedece a condiciones del mercado venezolano).

Se consideró una tasa de interés bancaria del 6 % anual (preferencial aplicable a proyectos sociales)[27, 57].

2.4. Calidad del servicio ofrecido por los sistemas energéticos propuestos

La calidad de los sistemas energéticos de electrificación rural, suele medirse por la capacidad que brindan para satisfacer la demanda, por lo que tienden a ser dimensionados en función de un nivel de confiabilidad esperada. En el caso de la investigación se propone el empleo de dos indicadores, que de manera integrada permiten el aseguramiento de la confiabilidad de los sistemas propuestos, como son:

El indicador denominado probabilidad de pérdida de carga (PPC), que también es conocido como porcentaje de fallos por dimensionamiento o porcentaje de apagones (término que suele denominarse en el idioma inglés, Loss of Load Probability (LLP))[37].

Este indicador ha sido definido, como la probabilidad matemática de que el sistema falle o interrumpa el suministro eléctrico por falta de generación de energía o ausencia de esta en las baterías[37]y la ecuación empleada para su cálculo, es la que se presenta a continuación:

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Se consideró necesario contemplar un segundo indicador para asegurar la calidad en el suministro de la energía ofrecida por los sistemas, adicional a la PPC, correspondiendo a los días de autonomía del sistema, el que se mide atendiendo al número de días consecutivos que en ausencia de aporte de energía de las fuentes renovables, el sistema sea capaz de atender la demanda mediante la energía almacenada, sin sobrepasar la profundidad máxima de descarga de la batería y sin el uso del generador Diesel[62, 82].

La ecuación que puede emplearse para el cálculo de este indicador, es la siguiente[27]:

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Dónde:

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Ediaria→ promedio de carga diaria (kWh/día).

Los días de autonomía suelen ser fijados en función del tipo de instalación a la que se le brindará el servicio y las condiciones climatológicas de la región donde se instala el sistema híbrido, dado que permite cubrir los períodos prolongados de nubosidad (baja irradiación solar) y baja velocidad del viento.

El nivel de calidad exigido a los sistemas híbridos propuestos en esta investigación, es de 0 % probabilidad de pérdida de la carga y un mínimo de 48 horas de autonomía para baterías (2 días), lo que resulta una restricción exigente, aún en comunidades urbanas (con servicio eléctrico obtenido bajo red de distribución).

Además se considera como relevante establecer una restricción al aporte de la generación Diesel, para las condiciones de diseño de los sistemas propuestos, limitando esta fuente energética a un máximo de 10 % de aporte del total de la generación de energía (en condiciones nominales de operación), para garantizar el predomino del aporte de las fuentes renovables y por ende un bajo nivel de impacto ambiental.

Finalmente se considera el criterio de mínimo sobredimensionamiento o dimensionado crítico, lo que significa seleccionar una cantidad ajustada de paneles fotovoltaicos, aerogeneradores y baterías, manteniendo el nivel de calidad definido[62,83].

Esta condición señalada puede ser representada como se ilustra en la figura 2.8, indicándose dos puntos críticos para dos dimensionamientos de SFA, donde la zona a la izquierda de los puntos críticos de fallo nulo representa sistemas denominados infradimensionados (los cuales presentan niveles de fallos bajos, pero no nulos), en cambio aquellos con mayores cantidades de baterías (a la derecha del punto crítico de fallo nulo) pertenecen a sistemas sobredimensionados.

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Figura 2.8. Dimensionamiento de SFA para puntos críticos

Fuente: Elaboración Propia

El considerar dimensionamientos para el punto crítico (con cero porcentaje de sobredimensionamiento) o cercanos a éste, ofrece la garantía de que los sistemas híbridos presentan el mínimo costo de la energía, lo que ofrece la ventaja relacionada con la posibilidad de compensación o equivalencia entre componentes (flexibilidad en el diseño), facilitando el análisis en función de las oportunidades en los precios más bajos en el mercado (los SFA ofrecen la posibilidad de intercambiar cantidad de paneles y baterías, sin afectar el % PPC)[83].

2.5. Acoplamiento y estrategia de control para los sistemas híbridos

Debido a las exigencias de calidad del servicio requerido y en función de la tecnología seleccionada, se incluye entre los componentes un inversor bidireccional, el que permite operar al sistema bajo la configuración denominada en paralelo, ofreciendo múltiples ventajas respecto a las configuraciones en serie y conmutada, debido al control que ejerce el inversor bidireccional sobre la entrega de energía de las fuentes renovables, la carga de las baterías y el arranque del generador Diesel[34, 65,66].

El diseño de control seleccionado para estos sistemas híbridos sigue la estrategia denominada “Ciclo de Carga”, la que permite que cuando las fuentes renovables o la carga de las baterías no puedan suministrar la demanda “instantánea”, el sistema de generación Diesel funciona a plena potencia (nominal), de modo que el generador asume la demanda de la comunidad y se mantiene funcionando hasta que culmine de cargar las baterías, ya que la potencia del Diesel es superior a la demandada de la comunidad[27].

2.6. Herramienta de simulación del comportamiento de sistemas energéticos

Es poco probable poder contar con resultados (datos experimentales), del comportamiento presentado por sistemas híbridos para un conjunto de condiciones tan amplias como las planteadas en este estudio. Por lo que el trabajo de experimentación significaría una inversión considerable en tiempo y dinero para la obtención y depuración de los datos[12, 27].

Existen actualmente programas de computación que permiten la simulación del comportamiento esperado de un sistema energético, para el período de vida útil estimado del mismo, estos programas emplean diversos métodos y modelos matemáticos, los que facilitan la estimación del comportamiento de variables técnicas y económicas, ahorrando una cantidad considerable de tiempo y recursos[12, 36].

A continuación se relaciona un conjunto de programas que han demostrado contar con un nivel amplio de confiabilidad a nivel mundial, dadas las comparaciones realizadas entre las predicciones obtenidas con los mismos y mediciones registradas en los sistemas energéticos en su funcionamiento, entre estos están: HOMER (Hybrid Optimisation Models for Electric Renewables)[54], RETScreen (International Clean Energy Decision Support Centre of Natural Resources)[84], HYBRID2[85], HOGA (Hybrid Optimization by Genetic Algorithms)[86], TRNSYS[87], INSEL[88], entre otros.

El programa seleccionado como herramienta para la simulación es el HOMER, desarrollado por Tom Lambert, el que permite evaluar diferentes tipos de sistemas energéticos y componentes como: sistemas solares fotovoltaicos, eólicos, mini-hidráulicos, biomasa, sistemas Diesel, baterías, etc. Mediante el manejo de este programa es posible obtener una evaluación del nivel de PPC y días de autonomía[36, 54].

El HOMER permite contemplar una serie de componentes de los sistemas híbridos y con un amplio nivel de detalle (incluso refleja eficiencia y comportamiento para algunas marcas comerciales), permite seleccionar entre diferentes estrategias de control, entre ellas: seguimiento de la demanda (load following), ciclo de carga (cycle charging) y estrategia combinada (combined), variando la prioridad del tipo de fuente de energía a emplear para satisfacer la demanda[12].

Una de las desventajas que presenta el HOMER es que no permite iterar de forma automatizada, para determinar una elección óptima de diseño en las condiciones particulares de cada situación, por lo que la búsqueda de los dimensionamientos debe realizarse, por iteraciones manuales sucesivas (tanteos) según la experiencia del diseñador, que lo hace un programa para conocedores de los sistemas y no de fácil empleo para los agentes decisores.

En función de alcanzar el objetivo propuesto de determinar un conjunto de sistemas híbridos que satisfagan las necesidades energéticas de las diferentes comunidades rurales de Venezuela, se procederá a la caracterización de los consumos y recursos energéticos disponibles.

2.7. Estimación del consumo energético de las comunidades rurales

El ejercicio de dimensionado y simulación del comportamiento energético de los sistemas de electrificación rural, debe partir de un escenario de consumo diario de energía[37], entendido por la sumatoria de todos los consumos de energía medidos en kWh/día requeridos por la comunidad a electrificar, dado que los sistemas energéticos considerados son centralizados sin conexión a la red[34].

Una de las disyuntivas que se presentan en el dimensionado de estos sistemas, es el método para determinar de forma asertiva el valor promedio del consumo diario, dado que una sobre-estimación del mismo se traduce en un aumento de los costos de estos sistemas, generando una valoración económica no adecuada[34].

Entre los factores con mayor influencia en el consumo energético se encuentran los siguientes: la temperatura ambiental estacional (lo que genera incrementos en las necesidades de refrigeración o climatización), factores socioeconómicos (tamaño de la vivienda, facilidad para la adquisición de equipos electrodomésticos, cantidad de habitantes por vivienda), patrones culturales y promedio de ingresos familiares[89].

De igual forma debe considerarse al momento de definir el consumo a satisfacer con el sistema energético, las expectativas que presentan los usuarios respecto a la disponibilidad del servicio (evitando de esta forma la “frustración energética”), incluyendo una estimación del incremento en la cantidad de viviendas de la comunidad, por la incorporación de nuevas familias provenientes de poblados cercanos[34].

Dentro de los métodos de estimación que pueden seleccionarse se encuentran los siguientes:

a) estimación por censo de carga

b) estimación de cargas eléctricas por equipamiento

c) y estimación de la demanda por consumo “per cápita” o vivienda[34].

Respecto al consumo de energía de las comunidades rurales, se han realizado diversos estudios en varios países, en los que las evaluaciones han demostrados consumos diarios promedio por vivienda entre 1,5 a 2,5 kWh/día, pudiendo citar el ejemplo de las estimaciones realizadas en comunidades rurales españolas[34].

Estas estimaciones realizadas coinciden con estudios similares de Venezuela, donde se señalan consumos energéticos promedios anuales de 191 kWh/habitante al año[31], traduciéndose en un promedio por vivienda de 2,01 kWh/día (considerando un total de 4 habitantes por vivienda, según el censo de población y vivienda, Instituto Nacional de Estadística (INE))[90].

Sin embargo como se ha señalado los consumos energéticos no pueden ser del todo precisados, dadas las características de cada comunidad dentro del conjunto de regiones de Venezuela, por lo que se procedió a establecer un rango de consumo diario esperado por vivienda, entre 2 y 4 kWh/día (este rango de consumo permite la realización de diversas actividades socio productivas como: bombeo de agua, alumbrado público, escuelas, actividad con empleo de motores eléctricos y de refrigeración o secado, entre otras actividades).

El consumo energético de la comunidad puede obtenerse mediante la multiplicación del consumo promedio de las viviendas, por la cantidad de estas que presente la comunidad.

De igual forma se procedió a indagar el comportamiento horario de la demanda (W o kW), en función a los registros de la Oficina de Operación de Sistemas Interconectados (OPSIS) de Venezuela, donde se señala como hora de máxima demanda las 20:00 horas, coincidente para todas las regiones del país[91]. Por lo que se asumirá un comportamiento horario en la demanda similar al presentado en la figura 2.9.

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Figura 2.9. Distribución horaria de la demanda de las viviendas.

Fuente: OPSIS[91].

Este comportamiento de la demanda residencial es similar al de otros países de la región, como por ejemplo el caso de Colombia, donde el comportamiento seguido en distintos estados, departamentos y regiones del país, es similar al presentado en la figura 2.9, coincidiendo incluso en la hora de demanda pico y en la distribución de las demandas horarias[89].

Para considerar el crecimiento anual esperado en la demanda energética, se asumió un 1 % anual en función del estudio de diversos registros como son, los datos estadísticos provistos por el Sistema Nacional de Producción de Energía Eléctrica de Venezuela (para los años de 1996 al 2009), en los cuales existe una marcada tendencia al crecimiento cercano al 1 % anual[29].

Por lo que considerando el horizonte de vida útil esperado para estos proyectos de electrificación, que generalmente corresponde a 20 años[27, 36], es posible estimar bajo este escenario un incremento del consumo del 20 % total a lo largo de la vida de estos sistemas, el que será asignado desde el inicio como holgura para su funcionamiento.

Finalmente debe señalarse que la demanda de servicio a ser considerada en este estudio, estará centrada en la demanda de AC para 120 y 240 V, con un factor de simultaneidad estimado en 0,8 y una demanda pico por vivienda de hasta 450 V-A, que permite satisfacer el conjunto de las necesidades energéticas de estas comunidades[30, 59].

El consumo energético de las comunidades a considerar se encuentra entre 10 a 320 kWh/día (dado que abarca comunidades de 5 a 160 casas, con un consumo 2 kWh/día-vivienda), siendo importante declarar, que algunas investigaciones suelen reflejar la capacidad del sistema, expresándola en cantidad de viviendas, pudiendo demostrar en esta investigación que dicho criterio genera valores más imprecisos del consumo total de la comunidad.

Estas consideraciones permiten concluir, que resulta más conveniente y preciso expresar la capacidad de estos sistemas en kWh/día, representativo del consumo de toda la comunidad.

2.8. Estimación del recurso solar

La energía solar pueden ser aprovechada entre otras posibilidades para la generación de electricidad a través de dos tecnologías: la fotovoltaica y la de concentración solar[24, 37], para ambas debe valorarse inicialmente la disponibilidad de radiación solar.

Las primeras experiencias de estimación del recurso solar fueron realizadas por Auguste Mouchot y descritas en su libro “La chaleur solaire”[92], posteriormente el investigador suizo Saussere (en el año 1967) inventó el primer solarímetro, para realizar mediciones de la radiación solar basado en los principios que habían sido formulados por Mouchot[ 92,93].

Desde entonces se han realizado diversas investigaciones y estudios para registrar y valorar los datos de radiación solar, empleándose diferentes métodos y modelos matemáticos, que han permitido la elaboración y publicación de una valiosa base de datos de radiación solar a nivel mundial[94,97].

En la actualidad existen diferentes formas de acceder a la información que posibilita la evaluación del recurso solar a gran escala, uno de ellos es el uso de mapas solares que ofrecen el resultado de un conjunto de datos superficiales, medidos directamente o derivados a partir de información meteorológica y satelital, que combinan distintas variables con incidencia en la distribución de la irradiación solar global[98].

En los años setenta fueron producidos, publicados y distribuidos a través de libros de ingeniería solar, una amplia variedad de los primeros mapas solares[99], constituyendo un recurso gráfico de valor respecto a la disponibilidad este recurso en un país, región o localidad geográfica[100].

Es importante considerar la existencia de discrepancias en los datos de diferentes fuentes de información (entre ellos los mapas), siendo una de la causas, el conjunto de premisas asumidas (y metodologías) para la obtención de la información[37].

Para la estimación del recurso solar es necesario disponer de datos históricos, dada la complejidad de la variabilidad natural del fenómeno, por lo que este ejercicio de estimación, estará asociado siempre a un determinado nivel de incertidumbre[37].

Disponibilidad de datos de radiación solar en Venezuela

El organismo oficial responsable de los datos meteorológicos de radiación solar, es el Servicio de Meteorología de la Aviación (SMA)[101], que cuenta con 36 estaciones a lo largo del país que registran datos de radiación solar.

A pesar de no contarse con un mapa solar a escala nacional, existe información preliminar (ver anexo 2) en las se pueden identificar las áreas geográficas con mayor incidencia de irradiación, sirviendo de guía en los proyectos energéticos que hasta ahora han sido evaluados en materia de electrificación rural[28, 68].

Además se dispone de diferentes fuentes satelitales que ofrecen estimaciones de este recurso (macro escala), tales como: la Agencia (NASA) National Aeronautics and Space

Administration [61]y el (NREL) National Renewable Energy Laboratory[62], entre otras organizaciones que ofrecen este tipo de servicio.

El análisis de los datos antes mencionados permite afirmar que en el 90 % del territorio venezolano, existe una alta incidencia de radiación solar, influenciada por la ubicación geográfica del territorio, al igual que la mayoría de los países de ALC y que en el caso particular de Venezuela, el promedio anual de irradiación solar global se encuentra entre 4 y 6,8 kWh/m2 día [10,29].

La variación mensual de la irradiación solar global, está representada en función del comportamiento típico encontrado en las diversas regiones de Venezuela, según se ilustra en la figura 2.10, siendo el producto de una revisión y clasificación de los datos satelitales mensuales de las diferentes regiones, obtenidos de la página de internet de la NASA[94].

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Figura 2.10 Distribución de la variabilidad del recurso solar mensual.

Fuente: NASA[94].

2.9. Estimación del recurso eólico

El recurso eólico suele ser medido mediante distintos parámetros, entre lo que podemos señalar: la velocidad y dirección del viento con distintos instrumentos y con diferentes grados de precisión, como por ejemplo: anemómetros, veletas y otros.

La caracterización de este recurso requiere contar con un conjunto de datos como: registros de velocidad del viento con frecuencia menor a 1 hora (por un lapso de dos o más años), a los fines de poder determinar la velocidad media mensual y el patrón típico diario de velocidades del mismo, así como la distribución anual, mensual y diaria de períodos de calma de velocidades máximas y de la frecuencia en la dirección, entre otros datos[102].

Para los estudios de la evaluación del recurso eólico, puede utilizarse la información ofrecida por las agencias de servicios satelitales como: NASA, NREL y NOAA, que ofrecen registros de dirección y velocidades de viento promedio mensuales (con datos estadísticos de más de 15 años).

Existen mapas del recurso eólico o atlas eólicos que brindan información general para la identificación de zonas de alto potencial, en función del aprovechamiento de este recurso y representan una ayuda para los primeros diagnósticos en la determinación de la factibilidad de empleo de sistemas de electrificación rural.

Para el caso de los parques eólicos se requiere un mayor nivel de detalle, que suele denominarse como determinación del micro sitio, en los cuales se obtiene la mejor ubicación para los aerogeneradores en una localidad, considerando un conjunto de factores más amplios[57, 74].

Información sobre la disponibilidad del recurso eólico en Venezuela

Aunque no se cuenta en Venezuela con registros para una evaluación precisa del recurso eólico en el mediano plazo, se han iniciado proyectos dirigidos a la generación de mapas eólicos y mediciones del viento a distintas alturas. Existiendo actualmente un mapa preliminar de vientos que ha servido para dar las primeras orientaciones, en la realización de estudios más detallados de los dos parques eólicos perspectivos, ubicados en los estados de Falcón (sector los Taques) y Zulia (sector Zuliamar, municipio Guajira)[102].

Se dispone de un conjunto de datos que han sido registrados a partir de mediciones terrestres, efectuadas por el Servicio de Meteorología de la Fuerza Aérea Venezolana (FAV), con un total de 36 estaciones climatológicas a lo largo de todo el país[101], cuyas mediciones han sido realizadas a una altura de 10 m.

Además de la información que se posee de las agencias satelitales, se dispone de una base de datos estadísticos de velocidad y dirección de viento, que ofrecen otras agencias dedicadas a estos servicios, para los cuales se involucran novedosas modelaciones matemáticas, donde se consideran variables que intervienen en el comportamiento del viento.

Entre estas agencias y empresas se encuentran: Renewable Energy Risk Analysis Wind, Solar, Hydro Data (3TIER)[96]y METEOSIM truewind (Numerical Wheater Predition Services) [104].

El rango de valores promedio de velocidad de viento asumido para las diferentes regiones de Venezuela es de 3 a 7 m/s, dado que esta amplitud del rango permite considerar las diferencias encontradas a nivel de las diversas regiones de todo el país (ver anexo 2).

El valor promedio de velocidad de viento identificado en cada región, será ajustado siguiendo mes a mes la curva típica de comportamiento, representativa de las diferentes regiones de país y donde se consideran los resultados de investigaciones preliminares realizadas[94], así como los datos satelitales de velocidad de viento mensual provistas por el NREL[95], los que se representan en la figura 2.11.

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Figura 2.11. Distribución promedio mensual de viento

Fuente: NREL[95].

La tendencia anual de la velocidad de viento presentada en la figura anterior, refleja una ligera tendencia al crecimiento durante el semestre octubre-marzo (respecto al promedio anual), experimentándose una disminución progresiva de la velocidad para el resto del año.

2.10. Diseño y selección de soluciones energéticas para comunidades rurales venezolanas

A continuación se define el conjunto de condiciones nominales, para las cuales fueron diseñados seis sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos , cuya configuración es idónea para los rangos de demanda (desde 10 a 320 kWh/día) y disponibilidad de recursos energéticos típicas de las comunidades (velocidades de viento de 3 a 7 m/s e irradiación solar de 4 a 6 kWh/m2 día).

Estos sistemas energéticos satisfacen de forma simultánea los criterios de calidad fijados, entre ellos: 0 % de probabilidad de pérdida de carga, 2 días mínimos de autonomía, porcentaje de aporte Diesel igual o menor al 10 % y menor costo de la energía para las condiciones nominales de su diseño, las cuales son: una irradiación solar global diaria de 5 kWh/m2 día, una velocidad de viento promedio diaria de 4 m/s y una demanda nominal de acuerdo a la capacidad de cada sistema, que para cada uno es: 40, 80 y 160 kWh/día respectivamente.

Para las combinaciones de la disponibilidad de recursos energéticos y consumo diario en las diferentes condiciones de diseño, ha sido validado el cumplimento en todos los casos de los siguientes criterios: 0 % de probabilidad de pérdida y menor costo de la energía, ya que las otras variables como son: el porcentaje de aporte Diesel y los días autonomía brindados por cada sistema, están en función de los recursos energéticos disponibles y el consumo de cada comunidad.

Una vez analizados todos los escenarios, criterios y restricciones planteadas, se seleccionaron los dimensionamientos que cumplen satisfactoriamente todas estas condiciones, siendo estos los que se describen a continuación en la tabla 2.1.

Tabla 2.1. Dimensionamientos de los sistemas híbridos seleccionados

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Fuente: Elaboración propia

Se debe señalar que estos dimensionamientos fueron planteados en función de una estrategia de control denominada “Ciclo de carga”, donde el generador llevará la carga hasta el nivel superior del 80 % (State of Charge, SOC=80%)[12].

Estos sistemas híbridos propuestos como opción de electrificación, presentan cada uno determinados límites en su capacidad de generación, concebidos como una medida de la capacidad de generación de energía inferior y superior, dentro de los cuales es recomendable la utilización del sistema.

Se entenderá como límite superior del SH: la mayor capacidad posible de generación en la que no se incurre en fallos o apagones de energía entregada por el sistema y por ende cumple las características de calidad del servicio eléctrico exigido para las condiciones nominales de irradiación solar y velocidad promedio del viento (5 kWh/m2 día y 4 m/s respectivamente).

Se considera como límite inferior del SH; la menor capacidad de generación en la que todas las fuentes de generación de energía aportan al menos 1 % de generación al año, dado que por debajo de este límite se considera que existe un sobredimensionado del sistema y en este caso se recomienda otro de menor capacidad o potencia.

Las capacidades de generación de los SH EFD y sus límites superiores e inferiores se ilustran a través de la figura 2.12. En esta se muestra además la complementariedad de los 3 sistemas (SH 10 EFD, SH 15 EFD y SH 35 EFD) para satisfacer un rango de consumo (que abarca desde 10 a 300 kWh/día), bajo los cuales existe variación del % de aporte de Diesel para cada situación y donde los pequeños círculos negros representan el punto de operación para condiciones nominales en cada uno de los sistemas SH EFD.

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Figura 2.12 Límites de la capacidad de los sistemas SH EFD

Fuente: Elaboración propia

A continuación se presentan en la tabla 2.2 la descripción de las condiciones de diseño que fueron fijadas, para un conjunto de sistemas híbridos que se proponen y los límites superiores e inferiores que admitieron cada uno de los seleccionados.

Tabla 2.2. Condiciones de diseño nominal de los sistemas híbridos seleccionados

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Fuente: Elaboración propia

Las características que presentan estos sistemas en cuanto a su capacidad y equipamiento, se describen a continuación.

Sistemas Híbridos Eólico-fotovoltaico-Diesel.

SH 10 EFD: Sistema Híbrido Eólico-fotovoltaico-Diesel cuya capacidad nominal de diseño es 40 kWh/día (con una capacidad de demanda pico de 9,2 kW), siendo capaz de satisfacer un límite superior de consumo de 90 kWh/día y un límite inferior de 10 kWh/día, por lo que es competente para satisfacer cualquier demanda entre los valores antes señalados, producto de la combinación de la cantidad de viviendas y consumo promedio diario por cada una de estas.

Por ejemplo: una comunidad con 30 viviendas, con un consumo de 3 kWh/día por cada una u otra de 45 viviendas, con un consumo de 2 kWh/día por cada una o cualquier otra comunidad cuya combinación de demanda diaria sea igual a 90 kWh/día, podrá ser satisfecha con el sistema SH 10 EFD. En general con algún valor para la comunidad dentro del rango de 10 a 90 kWh/día.

De igual forma a la antes mencionada pueden describirse los sistemas SH 15 EFD y SH 35 EFD, con el apoyo de las tablas 2.1 y 2.2 anteriormente presentadas.

Sistemas híbridos fotovoltaico-Diesel

Las características de los SH 10 FVD, SH 20 FVD y SH 35 FVD, pueden ser descritas también empleando las tablas 2.1 y 2.2.

A los fines de especificar las condiciones de entrega del servicio eléctrico a cada una de las viviendas, se señala que se realizará a través de una mini red que se empleará para distribuir la energía a cada una.

A continuación se presenta en la tabla 2.3, la forma para operar con la matriz de criterios antes determinada, con el conjunto de sistemas híbridos propuestos para las comunidades rurales de Venezuela, por lo que de contarse con un modelo matemático y un procedimiento específico, se logra potenciar la aplicación de este modelo para la valoración integral de sistemas híbridos

Tabla 2.3. Matriz de criterios para la valoración integral de sistemas energéticos

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2.11. Discusión y conclusiones del capítulo 2

El conjunto de simulaciones realizadas permitió comprobar que mediante un número limitado de sistemas híbridos, pueden abordarse con amplitud diversos escenarios de disponibilidad de recursos y consumos energéticos presentes en la comunidades típicas de Venezuela, ofreciendo un planteamiento inicial para su valoración en cuanto a la solución del problema de la electrificación rural, dadas las ventajas que se ofrecen.

El conjunto de sistemas híbridos seleccionados queda conformado por 3 sistemas fotovoltaico-Diesel y tres sistemas eólico-fotovoltaico-Diesel, con lo que se cubre un amplio rango de comunidades venezolanas, cuyos consumos oscilan entre 10 a 320 kWh/día, para las cuales es posible satisfacer de energía con un nivel de calidad semejante al de la red eléctrica convencional, en las que se dispongan de un promedio de irradiación solar (entre 4 y 6 kWh/m2 día) y una velocidad promedio del viento (entre 3 y 7 m/s).

CAPÍTULO 3. MODELO DE SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS SISTEMAS HÍBRIDOS

La realización de propuestas aplicables a la electrificación rural deben ir dirigidas al menos en dos sentidos, por un lado hacia el análisis sistemático de las experiencias disponibles y por el otro hacia la exploración mediante técnicas de simulación de un amplio abanico de escenarios posibles, más amplio de lo que cabe esperarse de la mera experimentación[27, 37].

El modelo para la valoración integral de sistemas híbridos propuestos, se generó a partir de conjuntos de simulaciones (haciendo uso del programa HOMER), así como del empleo del método de regresión múltiple, que permitió formular un modelo matemático capaz de estimar de forma integral los criterios económicos, técnicos, ambientales y sociales que conforman la matriz diseñada para este fin.

Dado que las herramientas de simulación que se conocen no han sido pensadas para estudiar de forma integral este conjunto de criterios, de manera que puedan compararse distintas opciones de electrificación rural, resulta meritoria la formulación de un modelo matemático que facilite la valoración integral de sistemas híbridos, para la electrificación de comunidades rurales venezolanas.

El modelo formulado no se ha diseñado para la selección de una opción “óptima o más adecuada” dentro de los sistemas energéticos propuestos, dado que no establece pesos ni jerarquías entre las variables, sin embargo brinda la facilidad para realizar el análisis de las variables que conforman la función decisora, mediante la combinación de resultados obtenidos para cada una de ellas.

A continuación se detalla el procedimiento seguido para la determinación de las ecuaciones que conforman el modelo de simulación propuesto, así como las limitaciones y restricciones que presenta.

3.1. Metodología empleada para la determinación del modelo de simulación

La herramienta desarrollada en esta investigación consiste básicamente, en un simulador del comportamiento de las variables que conforman la matriz de criterios seleccionada, las cuales son evaluadas para las diferentes opciones de electrificación propuestas.

Es precisamente el método de regresión múltiple el que más se adapta a las relaciones entre las variables consideradas en este estudio, quedando definidas para su valoración como variables independientes las siguientes: irradiación solar promedio diaria, velocidad de viento y consumo energético diario.

Para el fin antes mencionado fue necesario realizar un análisis del comportamiento seguido por cada una de las variables dependiente, para lo cual se empleó el siguiente procedimiento:

a) Se estimó el número de simulaciones requeridas para la determinación de los coeficientes de la ecuación de ajuste, en función del número de variables independientes relacionadas con cada variable dependiente.

b) Se generó el conjunto de simulaciones (en HOMER) requeridas para la estimación de los coeficientes de las ecuaciones en las distintas variables dependientes.

c) Se procedió a la determinación de los coeficientes en cada ecuación, aplicando las herramientas estadísticas del programa STATGRAPHICS.

Las ecuaciones propuestas para estimar el comportamiento de los SH EFV, pueden ser representadas por una ecuación que adopta la siguiente forma general:

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Donde:

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Para el caso de los SH FVD se consideraron dos factores de influencia, como lo son: irradiación solar promedio diaria y el consumo energético diario, por lo que la ecuación queda reducida como se muestra a continuación:

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Donde:

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De igual forma es posible establecer para los casos de los sistemas híbridos de generación Diesel con baterías (SH GDB), las ecuaciones dependientes, las que cuentan con un solo factor de influencia, el de consumo energético diario y obedecen al mismo tipo de ecuación de los sistemas antes mencionados, con excepción de la variable CEE cuyo comportamiento se adapta mejor a un modelo potencial, con una ecuación que se expone a continuación:

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Donde:

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Las ecuaciones adecuadas al modelo fueron ajustadas buscando minimizar el error cuadrático medio (empleando las funciones estadísticas que brinda el programa Statgraphics), obteniendo valores de R2 como los que se presentan a continuación en la Tabla 3.1 para las distintas variables del sistema SH 15 EFD, de igual forma se procedió con el resto de la ecuaciones de los otros siete sistemas híbridos estudiados.

Tabla 3.1. Valores de R2 para el sistema SH 15 EFD.

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Fuente: Elaboración propia

La herramienta matemática elaborada logra resolver varios aspectos no contemplados en el programa HOMER, como por ejemplo: poder comparar en un mismo procedimiento varias opciones de sistemas energéticos sin requerir procesos de iteración, valorando un conjunto de criterios relevantes para la toma de decisión en materia energética, con un número limitado de datos (tres datos de entrada).

Otra ventaja de esta herramienta (modelo) es la forma de presentación de los resultados, ya que los mismos pueden ser usados empleando herramientas como los SIG, que garantizan un mayor nivel de integración de los datos requeridos con las condiciones de la comunidad, además de facilitar la replicabilidad de las valoraciones de estos sistemas para varias comunidades de una región o país.

3.2. Descripción del modelo de simulación para la valoración de sistemas híbridos

El modelo quedó conformado por un total de 38 ecuaciones que permiten valorar los 8 sistemas híbridos considerados (ver anexo 3).

Las expresiones que representan cada una de las variables (o criterios de valoración) para el sistema SH 15 EFD, serán presentadas a modo de ejemplo resultando representativo del conjunto de ecuaciones encontradas para todos los sistemas energéticos considerados.

Las variables independientes encontradas para todos los indicadores son las siguientes: la irradiación global promedio diaria (kWh/m2 día) se representará con el símbolo (I), la velocidad promedio de viento (m/s) con el símbolo (V) y el consumo energético promedio diario (kWh/día) con el símbolo (C).

Estimación del aporte de generación Diesel requerido en el SH 15 EFD

La ecuación que se presenta a continuación, permite brindar respuestas ajustadas al número de posibles combinaciones de recursos energéticos y de consumo, bajo los rangos típicos de estas variables en las comunidades de Venezuela.

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El conjunto de resultados obtenidos mediante la ecuación de la variable porcentaje de aporte Diesel, pueden ser representado gráficamente como se muestra a continuación en la figura 3.1.

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Figura 3.1 Comportamiento del porcentaje de aporte Diesel en el SH 15 EFD.

Fuente: Elaboración propia

Esta figura permite ilustrar la aplicación del modelo para determinar la dependencia del % de aporte Diesel con los valores de irradiación solar. La familia de tres curvas que se reflejan representan diferentes valores del viento mostrados en la leyenda, en este caso se considera constante el consumo de 130 kWh/día para la comunidad.

En cada uno de los gráficos que se exponen en este capítulo se modela el comportamiento del sistema SH 15 EFD y se selecciona una variable independiente para permanecer constante, dado que son tres variables independientes y resulta recomendable solo representar dos variables en un plano.

La figura 3.2 que se presenta a continuación fue realizada fijando el porcentaje de aporte Diesel en 10 % y las curvas en la figura representan las combinaciones de factores que satisfacen esa condición, este resultado permite valorar las situaciones en que se cumple esta circunstancia considerando el valor nominal del aporte Diesel, lo que representa además un criterio de reducido nivel de contaminación ambiental.

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Figura 3.2 Comportamiento del porcentaje de aporte Diesel en el SH 15 EFD

Fuente: Elaboración propia

Estimación del costo de la energía equivalente para el SH 15 EFD

Para los rangos de irradiación solar, velocidad del viento y consumos energéticos diarios definidos, el CEE para el SH 15 EFD pueden ser calculados a través de la siguiente ecuación:

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A partir de la ecuación antes señalada, es posible construir una representación gráfica empleando los tres datos característicos de la comunidad; de los valores del costo de la energía equivalente a obtener en cada sistema, para el conjunto de condiciones particulares como se presenten, tal como se muestra en la figura 3.3.

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Figura 3.3. Comportamiento del CEE para el SH 15 EFD

Fuente: Elaboración propia

En la figura 3.3 las curvas representan el comportamiento de la variable para cada uno de los valores de la velocidad del viento señalados en la leyenda y con un consumo constante de 80 kWh/día para la comunidad.

Estimación del valor presente neto del proyecto (VPN) para el SH 15 EFD

Para las condiciones de recursos energéticos y consumo típicos de las comunidades rurales de Venezuela, puede estimarse el valor presente neto del proyecto (VPN) para el sistema SH 15 EFD, mediante la siguiente ecuación:

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La estimación del VPN para el sistema SH 15 EFD también pueden ser determinada mediante la representación gráfica realizada, empleando los resultados de la ecuación formulada para esta variable, la cual se ilustra en la figura 3.4 que se presenta a continuación.

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Figura 3.4. Comportamiento del VPN para el SH 15 EFD

Fuente: Elaboración propia

En la figura 3.4 cada una de las curvas representa el comportamiento de la variable para distintos valores de la irradiación solar, considerado un consumo constante de 80 kWh/día para la comunidad.

Estimación de la distancia crítica a la red (DCR) para el SH 15 EFD

Para las condiciones de recursos energéticos y demandas típicas de las comunidades rurales de Venezuela, puede estimarse la distancia crítica a la red (DCR) para el sistema SH 15 EFD, mediante la siguiente ecuación:

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La estimación de las diferentes DCR para el SH 15 EFD pueden ser determinada, empleando la representación gráfica con los resultados obtenidos a partir de la ecuación formulada para esta variable, la cual se ilustra en la figura 3.5 que se presenta a continuación.

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Figura 3.5 Comportamiento de la DCR para el sistema SH 15 EFD.

Fuente: Elaboración propia

En la figura 3.5 las curvas representan el comportamiento de la variable para cada uno de los valores de la velocidad del viento, con un valor constante de irradiación solar de 5 kWh/m2 día. Los consumos considerados aparecen en la leyenda.

Estimación de los costos de operación y mantenimiento (COyM) para el SH 15 EFD

Para las condiciones de recursos energéticos y demandas típicas de las comunidades rurales de Venezuela, pueden estimarse los COyM para el SH 15 EFD, mediante la siguiente ecuación:

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La estimación del comportamiento de la variable COyM para diferentes valores de irradiación solar y consumo energético en el sistema SH 15 EFD, puede representarse a través de la siguiente figura 3.6 que se presenta a continuación.

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Figura 3.6. Comportamiento del COyM para el sistema SH 15 EFD

Fuente: Elaboración propia

En la figura 3.6 se representan el comportamiento de la variable para cada uno de los valores del consumo, con un valor constante de velocidad de viento de 5 m/s. Los valores de la irradiación solar aparecen en la leyenda.

Para los restantes 7 sistemas energéticos propuestos (SH EFD, SH FVD y SH GDB) se empleó el mismo método antes mencionado, obteniéndose las ecuaciones que representan el comportamiento de los criterios: % de aporte Diesel, CEE, VPN, DCR y COyM, para cada uno de los sistemas (ver anexo 3).

A continuación se plantean un conjunto de restricciones que presenta el modelo propuesto respecto a los datos de entrada (variables independientes), las cuales pudieran afectar la capacidad de predicción del modelo o aspectos relativos a su ámbito de aplicación temporo-espacial.

3.3. Restricciones del modelo

El modelo propuesto para la valoración integral está basado en un conjunto de condiciones bajo las cuales fue formulado, las que limitan la aplicación del mismo a regiones cuyos valores de irradiación solar y la velocidad del viento, presenten promedios entre los valores contemplados en estas modelaciones, es decir: irradiación solar global diaria entre 4 y 6 kWh/m2 día y la velocidad promedio del viento entre 4 y 7 m/s.

Debe considerarse que la propia utilización de valores de irradiación solar y velocidades del viento de un año promedio (que pueden ser obtenidos en períodos de 20 o 50 años de mediciones), puede contener una dispersión o desviación de un 10 % y esta incertidumbre se propaga hasta los resultados finales del modelo.

La capacidad de predicción del modelo puede ser afectada debido a que se consideran valores de irradiación solar y velocidad viento promedios, a partir de los cuales se generan mediante funciones estadísticas propias del HOMER, un conjunto de variaciones diarias y horarias para el comportamiento estacional indicado (representativo de un conjunto de regiones de Venezuela).

Un aspecto que podría limitar la aplicación del modelo lo constituyen los valores económicos contemplados para los diversos componentes de cada uno de los sistemas energéticos propuesto, así como el precio del combustibles y la tasa de interés contemplada (sujetas a cambios en el mercado nacional e internacional), dada la influencia de estos valores en algunos resultado, como el: CEE, VPN, DCR, COyM.

3.4. Procedimiento para la aplicación del modelo de simulación

A continuación se señala el procedimiento que ha sido diseñado para realizar la valoración integral de los sistemas híbridos de electrificación rural, a los fines de facilitar la selección de la tecnología más adecuada para cada comunidad y cuyos resultados permiten contar con la valoración de un conjunto de variables influyentes para la selección de estos sistemas. El procedimiento para la aplicación del modelo de valoración integral, se ilustra en la figura

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Figura 3.7. Procedimiento para la valoración integral de sistemas híbridos

Tal como se ilustra en la figura 3.7 el requisito fundamental para la aplicación de este modelo, es contar con los datos de: irradiación solar, velocidad de viento y consumos energéticos de la comunidad que será evaluada para su posible electrificación. A partir de estos datos el modelo es capaz de construir un conjunto de resultados estimados del comportamiento, para las diferentes variables de interés en la selección de las tecnologías de electrificación rural.

El empleo de las ecuaciones para los cálculos de cada uno de los indicadores, puede realizarse mediante un programa de computación sencillo, con la aplicación de una calculadora programable o empleando una hoja de cálculo, a la cual se le integren las ecuaciones que conforman el modelo, siendo posible efectuar los cálculos empleando procedimientos de forma gráfica (como fue señalado en epígrafe 3.2), facilitando el proceso de toma de decisión.

Los datos resultantes de la aplicación del modelo propuesto son presentado en forma de matriz para la comparación de los seis sistemas híbridos, en conjunto con los dos sistemas híbridos de generación Diesel con baterías (SH GDB), a los fines de contar con una amplia base de criterios y opciones para la toma de decisión, en cuanto a la tecnología que más se adecua a las características de la comunidad.

3.5. Aplicación de la valoración integral de sistemas híbridos a casos de estudio

A los fines de presentar la aplicación de la valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural, se seleccionan tres casos de estudios de comunidades rurales sin electrificación en diferentes regiones de Venezuela.

Las comunidades que fueron seleccionadas son: Jacuque (Estado Falcón), los Mangles (Estado Bolívar, frontera con Brasil) y San José de la Sierra (Estado Zulia, zona de la Guajira venezolana). A continuación se presentan cada uno de los casos de estudio y el análisis realizado con la herramienta propuesta.

Dado que para cada uno de los sistemas híbridos propuestos fueron fijados límites superiores e inferiores, en los casos de que el sistemas híbrido se encuentre por debajo del límite inferior (donde el aporte Diesel es menor al 1 % de la energía generada en un año), entonces en la matriz de resultado (en el indicador de % de aporte Diesel) de estos casos se mostrará un letrero identificado con las siglas SFR (sistema fuera de rango) a fin de indicar que debe considerarse otra opción energética y el resto de los indicadores de ese sistema híbrido estarán sin información.

Es importante señalar respecto al límite superior del sistema híbrido, aquellos en que las condiciones de la comunidad exija más demanda que su capacidad de generación, entonces se mostrará un letrero identificado con las siglas SFR (sistema fuera de rango) (SFR), con el fin de indicar que debe considerarse otra opción energética y el resto de los indicadores de ese sistema híbrido estarán sin información.

Caso Comunidad Jacuque

Esta comunidad ubicada en el Estado Falcón presenta un consumo promedio estimado de energía de 130 kWh/día, con una irradiación solar de 6 kWh/m2 día y una velocidad promedio de viento de 7 m/s. Una vez aplicado el modelo matemático, la matriz de soluciones del comportamiento encontrado para cada variable, se representa mediante la tabla 3.2.

Tabla 3.2. Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural de la c omunidad Jacuque

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En la Tabla 3.2 puede observarse que los valores del indicador % aporte Diesel para algunos SH EFD y SH FVD son altos y que existen opciones como el SH 15 EFD y SH 15 FVD que ameritan un porciento de aporte Diesel del 13,1 y 32,1 respectivamente, lo cual resulta muy atractivo cuando se considera incurrir en el menor impacto ambiental y social.

De igual forma el indicador de CEE ofrece información respecto a las diferencias en cuanto a los costos de la energía, donde el de menor precio es el SH 15 EFD y DCR indican que varios sistemas podrían ser seleccionados, dado que la distancia real a la red es superior a los valores presentados. De forma similar puede realizarse un mayor número de análisis si se procede a combinar (cruzar) indicadores de interés para cada caso y objetivo de los agentes decisores.

Caso Comunidad Los Mangles

La comunidad de los Mangles se encuentra ubicada en el Estado Bolívar con un consumo promedio de energía estimado en 240 kWh/día, con una irradiación solar de 5 kWh/m2 día y una velocidad promedio de viento de 3 m/s. El resultado obtenido una vez aplicado el modelo matemático propuesto es el que se presenta en la tabla 3.3.

Tabla 3.3. Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural de la c omunidad Los Mangles

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Los resultados de la aplicación del modelo de valoración integral en el caso de la comunidad de los Mangles, ponen en evidencia que se pueden considerar varios sistemas de mediana capacidad, entre ellos: SH 15 EFD, SH 35 EFD, SH 35 FVD y SH 20 GDB; pero en función de satisfacer el criterio de bajo empleo de generación Diesel, resulta más adecuado el SH 35 EFD respecto al CEE, resultando más favorable el SH 15 EFD y el SH 20 FVD, por lo que la decisión puede obedecer incluso a otro criterio, como el menor costo de operación y mantenimiento, en cuyo caso sería más favorable el SH 35 FVD, por lo que la decisión estará sujeta a la ponderación que asuman los agentes decisores.

Caso Comunidad San José de la Sierra

La ubicación de esta comunidad es en la región conocida como la Guajira, del estado Zulia, siendo el consumo promedio de energía estimado en 40 kWh/día, con una irradiación solar de 6 kWh/m2 día y una velocidad promedio de viento de 4 m/s. Considerando que los recursos disponibles con baja velocidad del viento y alta radiación solar, pueden predecirse mediante la valoración integral de los sistemas y que los menores costos de energías son los ofrecidos en los SH FVD, se procedió con la aplicación del modelo propuesto, obteniéndose los resultados indicados en la tabla 3.4 que se presenta a continuación:

Tabla 3.4. Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural de la c omunidad San José de la Sierra

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Como puede observarse en la tabla 3.4 los resultados de la aplicación de la valoración integral señalan que los sistemas híbridos de menor capacidad, permiten suplir satisfactoriamente la demanda, por lo que sistemas como el SH 15 EFD, SH 35 EFD, SH 20 FVD y SH 35 FVD no son recomendados “SFR”, dentro de las dos opciones que se presentan, el sistema SH 10 FVD ofrece un requerimiento de menor aporte Diesel y además un menor costo de la energía, por lo que constituye una propuesta a los agentes decisores sobre su utilización, basado en el conjunto de resultados que brinda la herramienta de valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural.

Dado el interés mostrado por la Empresa Eléctrica Estatal con respecto a la electrificación de la región Guajira y con el objetivo de evaluar un conjunto de comunidades cercanas a

San José de la Sierra, se procedió mediante la aplicación de un SIG, a identificar las características de irradiación solar, viento y estimación de consumo de estas comunidades, empleando informaciones disponibles en SIG, lo cual quedó plasmado en la figura 3.8.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenFigura 3.8 Mapa de distribución de red eléctrica y comunidades sin servicio eléctrico

Como puede observarse en la figura 3.8 las comunidades representadas con unas circunferencias rosadas, son las que carecen de electrificación (entre ellas San José de la Sierra), por lo que se procedió a partir de los datos generados por el SIG de irradiación solar, velocidad de viento y consumo, a la aplicación de la valoración integral de los sistemas híbridos propuestos dentro del SIG, determinándose que en todos los casos la tecnología más adecuada para su empleo en este conjunto de comunidades es el SH 15 EFD, lográndose un análisis simultáneo deseado con esta herramienta, para hacer más ágil y eficiente el proceso de valoración de todas las comunidades sin electrificación en zonas geografía venezolana (ver anexo 5).

3.6. Discusión y conclusiones del capítulo 3

El análisis realizado mediante un amplio conjunto de combinaciones de recursos y consumo energético para diferentes opciones de sistema híbridos de electrificación rural propuestas, permitió determinar que era posible a través de la aplicación del modelo de regresión múltiple, generar las ecuaciones que responden al comportamiento del conjunto de variables que constituyen la matriz de criterios, ofreciendo un procedimiento sencillo (mediante el modelo propuesto) a los agentes decisores, para la valoración integral de estas tecnologías durante la realización de la evaluación de cada comunidad empleando solo tres datos.

Los casos de estudio permitieron confirmar que mediante el modelo de valoración integral para sistemas híbridos, se puede obtener una estimación del comportamiento esperado para el conjunto de criterios de valoración en cada uno de los sistemas híbridos propuestos, con el fin de facilitar la valoración de estas tecnologías en las distintas comunidades rurales sin electrificación de Venezuela.

CONCLUSIONES

Las necesidades de disminuir el número de comunidades sin electrificación rural en los países en vías de desarrollo, es parte de los primeros pasos que deben darse para la disminución de la pobreza y para promover la igualdad de oportunidades para toda la población, por lo que deben agotarse todos los esfuerzos posibles para identificar soluciones energéticas, que permitan a las comunidades rurales contar con servicio eléctrico sostenible y de calidad.

En este sentido la tesis doctoral elaboró una valoración integral para sistemas híbridos de electrificación rural, que se basa en una matriz de criterios, un modelo matemático y su procedimiento de aplicación, en función de facilitar la selección de las tecnologías más adecuadas en cada comunidad rural de Venezuela. Entre los elementos más resaltantes de esta valoración se encuentran:

1. Se determinó que la matriz de criterios de valoración puede ofrecer una visión amplia a los agentes decisores, sobre las implicaciones en la selección de cada tecnología, debiendo estar conformada por al menos las siguientes variables: porcentaje de aporte Diesel; costos de la energía equivalente; valor presente neto; distancia crítica a la red; costo de operación y mantenimiento; riesgos de la instalación y facilidad de gestión del sistema.

2. Se logró la selección de un conjunto de 6 sistemas híbridos estandarizados (tres de ellos eólico-fotovoltaicos-Diesel y tres fotovoltaico-Diesel), que permiten abarcar los diferentes escenarios de recursos y consumos energéticos típicos de las diferentes comunidades rurales no electrificadas de Venezuela.

3. Se formuló un modelo matemático (constituido por 38 ecuaciones) y su procedimiento de aplicación, que hace posible estimar el comportamiento de los sistemas híbridos mediante una valoración integral, de aspectos relevantes en la selección de las tecnologías de electrificación rural que pueden ser aplicados a cada comunidad o conjunto de ellas (regiones), mediante su integración al SIG para lograr una amplia cobertura de evaluación.

En los tres casos de estudios realizados se demuestra la utilidad práctica de la herramienta para la valoración de sistemas híbridos de electrificación rural, que de forma sencilla y empleando la caracterización de la comunidad, mediante los datos de: irradiación solar promedio diaria; velocidad del viento y consumo promedio diario de la comunidad, logra brindar un conjunto de resultados que facilita la tarea de los agentes decisores en materia de electrificación rural.

RECOMENDACIONES

En lo que respecta a posibles trabajos subsecuentes a esta tesis, sería deseable la realización de las siguientes acciones:

1. El empleo de la valoración integral para sistemas híbridos de electrificación rural por los organismos designados, para la planificación de los procesos de electrificación rural en Venezuela.

2. La realización de estudios que consideren las fuentes renovables de energía como: la biomasa (residuos forestales) y las mini hidroeléctricas, dada la presencia de estos recursos en algunas comunidades rurales de Venezuela.

3. El desarrollo y valoración de sistemas alternativos de almacenamiento de la energía, entre ellos: el hidrógeno y pilas de litio, a los fines de minimizar la contaminación ambiental y los costos que generan las baterías de plomo consideradas en esta investigación.

4. La realización de estudios dirigidos a caracterizar la demanda energética de las comunidades rurales, lo que permitirá una mejor aproximación al tipo de solución energética requerida.

5. El desarrollo de mecanismos de regulación de carga y control de operaciones de sistemas híbridos, para garantizar una distribución adecuada de la energía a todas las viviendas de la comunidad electrificada y una mayor sustentabilidad de los sistemas energéticos a ser instalados.

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ANEXO 1. TABLAS

Anexo 1.1. Disponibilidad de recurso solar en América Latina y el Caribe

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Anexo 1.2. Disponibilidad del recurso eólico en América Latina y el Caribe

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ANEXO 2. FIGURAS

Anexo 2.1 Mapa preliminar de la irradiación solar en Venezuela

Fuente:[69].

Anexo 2.2. Mapa preliminar de la energía eólica en Venezuela

Fuente:[69].

ANEXO 3. ECUACIONES DEL MODELO DE SIMULACIÓN

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Fuente: elaboración propia.

ANEXO 4. CUESTIONARIO APLICADO A EXPERTOS

Cuestionario para consulta a expertos

ESTUDIO PARA LA VALORACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE ELECTRIFICACIÓN RURAL

El presente cuestionario tiene por objetivo validar la percepción de un conjunto de experto en diversas disciplinas del área energética, respecto a los riesgos que representan los sistemas híbridos de generación eléctrica empleados para la electrificación rural y el nivel de complejidad de operación de estos sistemas, considerando entre ellos los sistemas centralizados: fotovoltaico-Diesel, eólico-Diesel, eólico-Fotovoltaico-Diesel y grupos de generación Diesel.

Dado que estos criterios pueden ser valorados de forma cualitativa en función de la experiencia y conocimiento adquiridos, así como plasmada en una escala de medición que traduzca los diferentes niveles de riesgo y complejidad que posee cada integración tecnológica, a fin de contar con una guía que facilite a los agentes decisores en el proceso de selección de los sistemas energéticos.

Se entenderá a los fines de este cuestionario el término riesgo del sistema híbrido: como la probabilidad de ocurrencia de eventos que puedan ocasionar afectaciones a las personas o al entorno, a consecuencia de contacto eléctrico con componentes del sistema, generación de residuos contaminantes del suelo o del agua, generación de gases o ruido y otros elementos, originados por la incorporación del sistema energético en la comunidad.

Siendo los niveles de valoración de riesgo, la combinación de la probabilidad y severidad del daño que pueden causar los sistemas a las personas y al entorno, como se indica a continuación:

MUY ALTO: aquellos que conllevan riesgos inminentes para los cuales habrá que adoptar un conjunto considerable de medidas y acciones, en función de lograr disminuir el grado del riesgo. Se amerita seguimiento constante de entes externos.

ALTO: requiere adoptar diversas medidas para controlar y evitar incidentes o daños a las personas, mediana probabilidad de ocurrencia. Se amerita seguimiento constante de entes externos.

MEDIO: riesgos que pueden ser controlados mediante una serie de medidas que impidan el daño ambiental o a las personas. Se amerita seguimiento y control de entes externos a la comunidad.

BAJO: riesgo capaz de generar bajo impacto ambiental y poca probabilidad de lesión a las personas, requiere medidas de carácter permanente que pueden ser adoptadas por la comunidad, sin la necesidad de apoyo externo.

MUY BAJO: aquellos cuya probabilidad de ocurrencia y capacidad de ocasionar daños a las personas o entorno de la comunidad es muy bajo y que las medidas requeridas pueden ser adoptadas por la comunidad sin la necesidad de apoyo externo.

Siendo la acepción asumida para el término nivel de complejidad de operación del sistema híbrido; la valoración del grado de complejidad del conjunto de las tareas requeridas para el seguimiento de la operación diaria del mismo (operador local), la corrección de pequeñas fallas o averías (operador local) y la frecuencia y costos de mantenimiento requerido (personal calificado y operador local).

Debido a que estos criterios aún carecen de suficiente documentación y evaluación en la revisión bibliográfica encontrada, se procede a solicitar su valiosa colaboración en función de su experiencia, conocimiento y percepción de experto en esta materia a los fines señalados anteriormente.

Agradecemos por anticipado su gentileza al aportar esta valiosa información, la cual es de carácter anónimo y se empleará en la investigación doctoral denominada “Dimensionamientos y selección de sistemas híbridos para la electrificación rural”, que realiza la Msc. Ciaddy Gina Rodríguez Borges (Venezuela) en el Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría”, de la República de Cuba.

Atentamente,

MsC. Ciaddy Gina Rodríguez Borges

CUESTIONARIO

EVALUACIÓN DE LOS RIESGOS Y COMPLEJIDAD DE LAS OPERACIONES REQUERIDAS EN LOS SISTEMAS HÍBRIDOS DE ELECTRIFICACIÓN RURAL

A continuación se presenta una serie de ítems, los cuales les solicitamos marque con una “X” en caso de estar de acuerdo.

1. Desde el punto de vista eléctrico. ¿Considera Usted que hay riesgos importantes para las personas y el entorno de la comunidad, cuando se emplean sistemas energéticos de electrificación rural (eólico-fotovoltaico-Diesel)?.

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¿Por qué? No hay riesgos importantes para las personas y el entorno desde el punto de vista eléctrico, debido a que las fallas que pudieran tener lugar en el sistema híbrido solo afectarían el servicio eléctrico y no la seguridad física de las personas.

2. Según su experiencia y conocimiento:

¿Cuál es el nivel de riesgo (probabilidad y severidad) que presenta cada uno de los siguientes sistemas híbridos empleados en la electrificación rural?

Los grupos electrógenos, presentan un nivel de riesgo:

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Los sistemas Fotovoltaico-Diesel, presentan un nivel de riesgo:

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Los sistemas Eólico-Diesel, presentan un nivel de riesgo:

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En los sistemas Eólico-Fotovoltaico-Diesel, el nivel de riesgo es:

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3. Si tuviese que comparar los sistemas energéticos de electrificación rural, en cuanto al nivel de riesgo que representan para la comunidad y las personas. ¿Qué nivel de riesgo le asignaría a cada sistema energético en una escala de 4 al 1, donde 4 es el nivel de más riesgo y 1 el de menos riesgo?.

Nivel de Riesgo

Sistemas Fotovoltaico-Diesel

Sistemas Eólico-Diesel

Sistemas Eólico-Fotovoltaico-Diesel

Sistemas de Grupo electrógenos

4. Según su experiencia y conocimiento

¿Cómo considera que es el nivel de complejidad de las tareas que debe desarrollar el operador local, para la operación diaria (seguimiento y restitución del funcionamiento en casos de pequeñas averías) de los siguientes sistemas?

a) El nivel de complejidad de operación de los sistemas Fotovoltaico-Diesel, es:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

b) El nivel de complejidad de operación de los sistemas Eólico-Diesel, es:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

c) El nivel de complejidad de operación de los sistemas Eólico-Fotovoltaico-Diesel, es:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

d) El nivel de complejidad de operación de los sistemas de grupo electrógenos, es:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

5. Si tuviese que comparar en cuanto al nivel de complejidad de tareas, para operar los siguientes sistemas energéticos de electrificación rural. ¿Qué puntaje le asignaría a cada uno de ellos de acuerdo a la complejidad de su operación diaria?. En una escala del 4 al 1, donde 4 es el nivel de mayor complejidad y 1 el de menor complejidad.

Nivel de Complejidad

Sistemas Fotovoltaico-Diesel

Sistemas Eólico-Diesel

Sistemas Eólico-Fotovoltaico-Diesel

Sistemas de Grupo electrógenos

Muchas gracias por su valiosa información, aportada a esta investigación.

MsC. Ciaddy Gina Rodríguez Borges

ANEXO 5. MAPA

Anexo 5 Mapa de distribución de red eléctrica del municipio Mara,Venezuela (generado con SIG).

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ANEXO 6. ACRÓNIMOS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

105 de 105 páginas

Detalles

Título
Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural
Calificación
Maxima Calificación
Autor
Año
2011
Páginas
105
No. de catálogo
V293543
ISBN (Libro)
9783656915201
Tamaño de fichero
2620 KB
Idioma
Español
Etiqueta
valoración
Citar trabajo
Ciaddy Gina Rodríguez Borges (Autor), 2011, Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/293543

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Título: Valoración integral de sistemas híbridos para la electrificación rural


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