Ciclos de Conversión de Energía. Electrificación de asentamientos montañosos en la provincia de Guantánamo Ing Pablo Enriques Diaz 1. Introducción La provincia de Guantánamo, la más oriental de Cuba, tiene un 75 %¸ de su territorio montañoso. Esta orografía condiciona de una forma importante la electrificación, no solo por el coste de construcción de las líneas de distribución eléctrica, sino porque también la población se distribuye de una forma muy dispersa y habría que construir también muchas, pero pequeñas líneas de reparto final. En estas zonas de montaña, existen 416 asentamientos con un total de 129.000 viviendas en las que habitan 511.000 personas, considerando asentamiento a un grupo de más de 15 viviendas con menos de 200 metros de distancia entre ellas. Se realizara un estudio para determinar si es factible de forma económica y energética la instalación de fuentes renovables de energías en un pequeño asentamiento en la zona montañosa de Guantánamo, para así de esta forma equilibrar la energía producida con los generadores diésel instalados hace un tiempo. Los cálculos deben estar dirigidos con un asentamiento de no más de 50 viviendas con un índice poblacional de no más de 4 personas por vivienda. 2. Estado actual y condiciones estratégicas para el empleo de las tecnologías energéticas Cuba es un archipiélago subtropical con un área de 110 000 km2 y una población de alrededor de once millones de habitantes. 0 0 0 0 Geográficamente, el país está localizado en el Mar Caribe, entre las latitudes 200 −12 −230 −17 N y longitudes 800 −53 −840 −57 W El país está bordeado por Estados Unidos al norte, por la Isla de Jamaica al sur, Haití por el este y por la Península de Yucatán al oeste. Climáticamente, es cálido, con un promedio de temperatura de 25 o C en verano y 22 o C en invierno. El promedio de lluvia es de 1 059 mm en el período lluvioso (Mayo-Octubre) y de 316 en el seco (Noviembre-Abril). La humedad relativa promedio anual es del 78 %¸ La producción nacional de petróleo (petróleo crudo y gas) alcanzó 3,9 millones de toneladas en el 2006, y continuará creciendo en los próximos años. La producción anual de electricidad está alrededor de 2,5 gigawatts (GW), y la capacidad de generación de 3,5 GW: más de 1,3 GW (52 %¸ ) está siendo producido por grupos electrógenos diesel y de fuel oil, y 0,495 GW (13 %¸ ) por el gas acompañante de la extracción petrolera, respectivamente. Diversos esfuerzos han sido hechos por instituciones cubanas para el desarrollo de las fuentes renovables de energía, entre las que se destacan el Centro de Investigaciones de Energía Solar, CIES en Santiago de Cuba; El Grupo de Energía Renovable Aplicada GERA, en la Universidad de Oriente; el Centro de Tecnologías Energéticas Renovables CETER, en la Habana y la Organización no Gubernamental Cubasolar; todas han jugado un papel importante en la popularización de las tecnologías de energías renovables Diversos esfuerzos han sido hechos por instituciones cubanas para el desarrollo de las fuentes renovables de energía, entre las que se destacan el Centro de Investigaciones de Energía Solar, CIES en Santiago de Cuba; El Grupo de Energía Renovable Aplicada GERA, en la Universidad de Oriente; el Centro de Tecnologías Energéticas Renovables CETER, en la Habana y la Organización no Gubernamental Cubasolar; todas han jugado un papel importante en la popularización de las tecnologías de energías renovables. A cotinuación se va a presentar la situación actual de las fuentes renovables de energía en Cuba, con particular énfasis en la energía solar, la eólica, la biomasa y la hidroenergía, en términos de su potencial, utilización y perspectivas. [1] 1 2.1. Energía solar Responsables de la investigación de la fuente solar afirman que cada metro cuadrado del territorio cubano recibe diariamente una cantidad de energía equivalente a medio kilogramo de petróleo, o 5 kWh de electricidad. Estiman que este valor promedio es prácticamente invariable durante todo el año, y casi uniforme a lo largo de la Isla, por lo que se considera estratégica a la fuente solar en la política energética y el esquema de desarrollo sostenible del país. Numerosas necesidades de electrificación fueron resueltas aprovechando el recurso solar, a través de instalaciones demostrativa producción de paneles solares nfraestructura para el diseño, montaje y mantenimiento de equipos. Una de las opciones más difundidas de aprovechamiento solar es la transformación directa, por conversión fotovoltaica, de la radiación solar en electricidad, que en los últimos años ha tenido un crecimiento del 33 %¸ anual a nivel mundial. En sus inicios, los sistemas fotovoltaicos eran de gran tamaño, pero en la actualidad son más reducidos y manejables, y de mayor economía y rendimiento. Éstos son ventajosos en lugares donde no hay acceso a las redes eléctricas, y en casos de emergencia por desastres naturales como ciclones, frecuentes en la Isla. Además, los sistemas fotovoltaicos pueden ser conectados a la red nacional. En 1989 se realizó la primera experiencia, cuando se electrificó con energía fotovoltaica la comunidad de El Mulato, en Guamá, provincia de Santiago de Cuba, al oriente del país. En 1994 se celebró en La Habana el primer taller internacional sobre energías renovables “Solar 94”, y se constituyó la sociedad cubana para la promoción de fuentes renovables “Cubasolar”. Para fines de los noventa, 220 consultorios de médico de familia y 3 comunidades de zonas rurales aisladas estaban electrificados mediante energía solar fotovoltaica. A través del programa de electrificación de consultorios médicos y zonas rurales apartadas, se encontraban funcionando en 2008 más de 460 instalaciones, entre ellas hospitales de montaña y escuelas con internado. La electrificación fotovoltaica, a la misma fecha, beneficiaba a unos 2.300 centros de enseñanza y 150 círculos sociales. Estos puntos se hallan aislados del sistema eléctrico, por lo que la opción solar resultó ventajosa por su autonomía, independencia, y confiabilidad de funcionamiento. Actualmente, se realizan trabajos de electrificación a partir de esta fuente en los municipios de Yateras y San Antonio del Sur, ubicados en la provincia de Guantánamo, en el extremo oriente del país, que beneficiarán a más de 200 familias campesinas y ampliarán el uso de esta fuente de energía limpia. 2.1.1. Energía Solar Térmica Cuba gasta entre 529 y 791 GWh/año en el calentamiento de agua, esto representa de 4,5 a 7 %¸ de la generación anual de electricidad. Cantidades considerables de este consumo se concentran en el horario pico, horas en la cual l mayoría de la población se baña y cocina; por estas razones, Cuba trabaja en la introducción masiva de calentadores solares de agua.e lleva adelante en Cuba un proyecto experimental de introducción de la tecnología de calentadores solares de agua de tubos al vacío, en las provincias de La Habana, Pinar del Río, Santiago y la Isla de la Juventud. La primera institución donde se implementó la tecnología fue el hogar de ancianos “Santovenia”, situado en el municipio habanero Cerro, donde se emplazaron 26 sistemas térmicos de procedencia china. Desde setiembre de 2007, se inició la instalación de estos calentadores solares en otros lugares considerados de interés social y económico, como ser: viviendas, hospitales, círculos infantiles, residencias estudiantiles, e industrias. El proyecto es subsidiado por el Estado y sus resultados definirán la aplicación generalizada. Otros establecimientos favorecidos por la iniciativa son los hospitales capitalinos “Frank País” y “Ramón Pando Ferrer”. En este último sanatorio oftalmológico, se atiende a pacientes de la “Operación Milagro”, programa de cooperación que permite a personas pobres de numerosos países acceder a tecnologías quirúrgicas de tratamiento a afecciones de la vista. En los sitios mencionados, se verificó que los calentadores solares de tubos al vacío son altamente eficientes, y entregan agua que alcanza una temperatura de entre 60 y 70 grados centígrados. Hasta abril de 2008, en la provincia de La Habana el proyecto hizo posible un ahorro de 238 MW de electricidad, además de una cantidad de más de 7.500 litros de combustible diesel, y de casi 5.500 litros de gas licuado, de acuerdo a la Dirección Provincial de Economía y Planificación. En esta provincia, fueron además situados artefactos solares en otros hospitales y escuelas, además de locales de interés social. 2 2.2. Energía eólica Se estima que Cuba podría disponer de alrededor de 5.000 MW de energía a partir de los vientos, por lo que se llevan a cabo investigaciones para expandir la generación eléctrica a partir de la fuente eólica. Cabe subrayar que la energía eólica no contamina, es inagotable, y ahorra combustibles fósiles, al igual que otras fuentes, como la solar. Se construyeron tres parques eólicos, con el objetivo de adquirir experiencias directas en la gestión, edificación, montaje, puesta en marcha y operación de esta tecnología. En 1999 comenzó a funcionar el primer parque demostrativo en la isla de Turiguanó, en la provincia de Ciego de Avila, con una potencia instalada de 0,45 MW. Asimismo, en el sur de la Isla de la Juventud, fue inaugurado en 2007 el parque eólico “Los Canarreos” de 1,65 MW, compuesto de 6 aerogeneradores de 275 kW cada uno, ubicados en torres de 55 metros de altura. Este parque genera actualmente alrededor del 10 %¸ eléctrica del municipio, en horarios de máxima demanda. Los aerogeneradores, fabricados con fibra de vidrio y proveídos por la empresa francesa Vergnet, son de montaje simple para lugares de difícil acceso, con la ventaja de ofrecer mayor versatilidad ante temporadas de ciclones, al poder ser desarmados. Se calcula que el aporte anual al sistema eléctrico del parque “Los Canarreos” es de 1.953 MWh, lo que permite un ahorro de 488 toneladas de combustible, y grandes cantidades de dióxido de carbono que dejan de ser emitidas. En 2008, se puso en marcha el parque eólico del municipio de Gibara, en la provincia de Holguín, al oriente de Cuba. El emprendimiento, de moderna tecnología, tiene una potencia instalada de 5,1 MW, con 6 aerogeneradores de tecnología española de 850 kW cada uno. El complejo de Holguín es el primero en entregar energía al sistema eléctrico, a través de una línea de 6 kilómetros y 33.000 voltios, que llega hasta una subestación, conectando desde allí con la red de distribución. El parque ahorra alrededor de 240 kilogramos de combustibles por cada MWh que entrega a la red. Concluido el proyecto de Gibara, se inició la construcción de “Gibara 2”, en la zona de Punta Rasa. Este parque contará con una capacidad de 4,5 MW, con 6 aerogeneradores de tecnología china de 750 kW cada uno, lo que permitirá a la provincia de Holguín una capacidad total de 9,6 MW. Con este segundo parque, el municipio de Gibara cubrirá aproximadamente el 30 %¸ de su demanda eléctrica, con un ahorro total de 7 toneladas de crudo por día, lo que representa más de 2.500 toneladas al año. Además, se proyecta la construcción de otro parque eólico en el municipio de Corralillo, zona costera de la provincia de Villa Clara, que contará con aerogeneradores de características similares a los del parque “Gibara”. Este emprendimiento tendrá una capacidad de generación de 10 MW, lo que lo convertirá en el de mayor potencial del país, y estará conectado a la red eléctrica. Una vez habilitado el complejo de Corralillo, la fuente eólica en Cuba llegará a generar un total de 21,7 MW, en sincronización con el sistema eléctrico. Para un futuro, están en proyecto la construcción de otros ocho parques eólicos a lo largo de la costa norte oriental de la Isla, hasta la provincia de Guantánamo. 2.3. Biomasa La biomasa constituye algo más del 96 %¸ de la energía renovable total en Cuba, y continuará dominando en el futuro, debido a las grandes cantidades de residuos de las industrias de agroforestales como las del azúcar, la madera, el café, el arroz y otras fuentes como las leñas, el biogás y las plantaciones de oleaginosas no comestibles.La industria por exelencia que mayores aporte puede dar a eta forma de genreación de energia es la Industria del azúcar pero también deben ser consideradas otras industrias como explotación forestal , arrocera o cafetalera 2.4. Energía hidroeléctrica a energía hidráulica es la fuente renovable más utilizada a nivel mundial, representa el 19 %¸ de la producción total de electricidad, y tiene un papel importante en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Cuba contaba al 2008, con una potencia instalada de 70 MW. No obstante, comparado al nivel mundial de producción, la Isla tiene un escaso aprovechamiento, que se estima en sólo el 9 %¸ del total disponible. Si bien la hidroenergía es renovable, la construcción de presas tiene desventajas que deben manejarse, como la necesidad de desplazamiento de la población, la degradación del ecosistema a través de pérdidas de biodiversidad y humedales, y la proliferación de algunas especies invasoras. Considerando que Cuba no posee grandes ríos, la opción más viable es la producción a través de centrales hidroeléctricas de reducida escala, que además disminuyen el impacto sobre el ambiente, prácticamente no llevan embalse, y oxigenan el agua. Por lo tanto, la estrategia definida es la construcción de pequeñas unidades generadoras en ríos, arroyos y presas, en lugares aislados y montañosos del interior del país, para el abastecimiento a centros educativos y productivos. Desde comienzos del siglo pasado, Cuba empezó a montar pequeñas hidroeléctricas, algunas de las cuales continúan en funcionamiento. Un programa de construcción se desarrolló en los años ochenta, previéndose la fabricación en la Isla 3 de parte de la infraestructura. Sin embargo, varias de estas instalaciones quedaron paradas en los noventa, debido a la depresión económica de esos años. Recientemente, se logró concluir 21 de estas centrales. A pesar del escaso aprovechamiento, mediante la generación hidroeléctrica el país ahorra anualmente alrededor de 30.000 toneladas de petró- leo, evitando de esta forma la emisión de 80.000 toneladas de dióxido de carbono. Actualmente, existen 180 centrales instaladas, en su mayoría de reducido tamaño y conectadas al sistema nacional 28 de ellas, las que generan el 85 %¸ del total de la producción. El programa hidroenergético nacional genera más de 100.000 MWh por año, beneficiando a 35.000 habitantes de zonas rurales, y a más de 500 objetivos económicos y sociales. De acuerdo al Ministerio de la Industria Básica, el objetivo es llevar electricidad a aquellos sitios donde no es posible obtenerla por medio de la conexión a la red nacional. Es de resaltar el componente social del programa, considerando que los puntos beneficiados son viviendas, consultorios del médico de familia, campamentos juveniles, círculos infantiles, escuelas, salas de video, cooperativas y centros tabaqueros, entre otros, todos de difícil acceso. A través de la construcción de más hidroeléctricas, se podría alcanzar una generación equivalente al 10 %¸ de la media actual del país. Considerando que numerosas mini-centrales tienen un bajo factor de carga, y algunas se encuentran en mal estado, factores que no permiten un aprovechamiento apropiado, el Instituto Nacional de Recursos Hídricos ejecuta un plan de mantenimiento y reparación de las unidades con mayor potencial, para incrementar la generación de electricidad y la calidad del suministro a los usuarios. El instituto implementa asimismo un programa de capacitación para los trabajadores vinculados al sector, y cursos para ingenieros y técnicos en el área de la hidroenergía. 2.5. Situación energética en la provincia de Guantánamo Este ‘proyecto’ se desarrollará en una comunidad aislada en la provincia Guantánamo, y tiene como objetivo contribuir a la mitigación del cambio climático mediante la introducción de fuentes renovables de energía, como la alternativa más práctica y económica para poder llevar la electricidad a los núcleos habitacionales que viven en esta zona montañosa de difícil acceso. Por la ubicación geográfica de esta comunidad ha sido imposible su enlace al Sistema Eléctrico Nacional (SEN), quedando fuera de su alcance un total de 50 viviendas, las que por ende no cuentan con servicio eléctrico, empleando sus pobladores mecheros de kerosina para el alumbrado y leña para la cocción de los alimentos. A partir de esta problemática se pretende electrificar las 50 viviendas con sistemas solares fotovoltaicos que proveerán a las familias de mejores condiciones de vida y con ello disminuirá la presión sobre los recursos madereros y las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero. Esta comunidad está enclavada en una zona rural de difícil acceso, en un área importante para la conservación de la biodiversidad en la región más oriental del archipiélago cubano, razón por la cual todas las acciones que se acometan como parte del proyecto contribuirán también a la conservación de la flora y la fauna y al desarrollo local. Los resultados de este ‘proyecto’ contribuyen a los objetivos previstos a alcanzar en el Marco de Asistencia de las Naciones Unidas para el Desarrollo 2013-2018 (MANUD), apoyando los resultados relacionados con el fortalecimiento de las capacidades nacionales para el ordenamiento sostenible de tierras, así como el fortalecimiento de las capacidades nacionales para brindar servicios sostenibles de energía y aplicar medidas para la mitigación del cambio climático y la adaptación a éste y a la promoción de estrategias de conservación y uso de la biodiversidad. 3. Objetivos estratégicos de la nación para cambiar su matriz energética El cambio de matriz energética en Cuba incluye cubrir el 24 por ciento de la generación eléctrica para 2030 mediante sus fuentes renovables de energía, y un ahorro considerable de combustible fósil, Específicamente, ahorraría aproximandamente un millón 800 mil toneladas (t) con lo cual dejaría de emitir anualmente más de seis millones de t de dióxido de carbono, declaró la Dirección de Energías Renovables del Ministerio de Energía y Minas. Economizaría también millones de dólares porque cada t de com bustible que compra el país equivale aproximadamente a 700 dólares americanos, Para constribuir a ese esfuerzo que ya están en marcha las principales inversiones para instalar bioeléctricas, tecnología solar fotovoltaica, parques eólicos y pequeñas centrales hidroeléctricas. Ello supondrá una generación de más de dos mil megawatt/hora mediante las fuentes no contaminantes, afirmó al añadir que esos programas de inversión son priorizados por el Estado cubano porque contribuirán a la independencia energética. Para ello es necesario un financiamiento cercano a los tres mil millones de dólares, y tiempo para construir, fabricar, montar y poner en marcha. Se debe resaltar que el programa solar fotovoltaico es de los más adelantados hasta el momento. 4 4. Descripción de los equipos y sistemas de las tecnologías a emplear. Se sstablecera el consumo de una vivienda tipo, teniendo en cuenta los horarios más comunes de utilización de los equipos existentes en las mismas. Deduciendo a partir de los mismos el consumo de la localidad ,suponiendo que es un asentamiento de no más de 50 viviendas . Se supone que en cada vivienda de esta localidad existen al menos los siguientes equipos: Equipos Cantidad Horas al día Días a la semana Días al año Refrigerador Televisor Radio Lámparas Ventiladores Hornilla Eléctrica Lavadora Olla Reina 1 1 1 8 2 1 1 1 24 5 4 6 6 1 0.5 1 7 7 7 7 7 7 7 7 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 7 × 52 = 364 Horas anuales 364 × 24 = 8736 364 × 5 = 1820 364 × 4 = 1456 364 × 6 = 2184 364 × 6 = 2184 364 × 3 = 1092 364 × 0,5 = 182 364 × 1 = 364 Partiendo de los datos brindados por [2] Equipo Refrigerador Televisor Radio Lámparas Ventiladores Hornilla Olla Reina Marca y Modelo Potencia (W) Potencia total (W) Horas al día Haier SED8 178.97 178.97 24 Panda 87.02 87.02 5 VEF206 7 24 4 LED 8 64 6 Hopeful FT-30E 38.46 76.92 6 LB-100f 953.56 953.56 1 YBD 680.31 680.31 0.5 Lavadora VinceXP135 444.84 444.84 1 El consumo de nuestra vivienda tipo sera de 2,056 kW h por lo que nuestra comunidad de 50 vivienda tendra un consumo de 102,8 kW h Para satisfacer esta demanda se cuneta con con varios paneles solares, generadores y turbinas eólicas. 5. Software empelado Las distintas combinaciones híbridas así como el análisis tecno-económico de éstas, referido todo ello a la zona del presente caso, lo proporcionará el software HOMER. HOMER (HybridOptimizationModelforMultipleEnergyResources) es un software originalmente desarrollado por NationalRenewableEnergyLaboratory, mejorado y distribuido por HomerEnergy. Extensamente utilizado para el diseño de redes aisladas remotas en cualquier sector, ya sea industrial, doméstico, militar, etc. . . El programa identifica el sistema de mínimo costo de un conjunto de alternativas posibles, simulando el comportamiento horario del sistema a lo largo de un año, y ordenando las soluciones crecientemente con el VAN para el ciclo de vida de la instalación. Dicho caso de estudio será contemplado en HOMER mediante la introducción de la curva de demanda eléctrica de la zona, las diferentes tecnologías que se quieren contemplar en las combinaciones híbridas (fotovoltaica, aerogeneradores, generador diésel, gasificadores. . . ) y los recursos que dispone la zona. La simulación se realiza hora por hora, calcula por cada hora del año la potencia renovable disponible, la energía eléctrica generada y la compara con la demanda de las carga. Cuando ha completado un año de simulación, el programa determina si se cumplieron las restricciones impuestas por el usuario, las cantidades de energía generadas, la fracción de energía renovable, las emisiones contaminantes, así como los costes procedentes del consumo anual de combustible, las horas de operación de los generadores, el consumo de la vida útil de las baterías, el exceso de electricidad, etc. Tras la simulación, optimización y análisis de sensibilidad realizada por HOMER, se procederá a la selección de las mejores alternativas según los resultados que nos proporciona A continuación, se muestra una metodología definida para hacer usos de ésta herramienta de forma eficiente: 5 Figura 1: Algoritmo de HOMER. 5.1. Introducción datos En primer lugar, se procederá a introducir los datos (inputs) que definirán nuestro espacio de trabajo, previo a la simulación de éste. 5.1.1. Carga eléctrica La demanda energética que se quiere alimentar se verá reflejada en el software mediante una carga eléctrica. Se definirá introduciendo los kilovatios consumidos cada hora del día de las 50 viviendas, Figura 2: Pestaña introducción carga eléctrica en HOMER. 5.1.2. Recurso eólico HOMER necesita el recurso eólico de la zona para calcular la potencia de los aerogeneradores para cada hora del año. Para ello se introducirán las velocidades medias de cada mes en esa zona, 12 datos en total, obtenidas de [3] . Para facilitar el cálculo, HOMER utiliza datos escalados respecto al valor medio anual para generar los 8760 valores de cada hora del año, pudiéndose modificar mediante parámetros avanzados. 6 Figura 3: Pestaña introducción recurso eólico en HOMER. 5.1.3. Recurso solar Para el cálculo de la potencia del módulo solar requerida para cada hora del día,ara el cálculo de la potencia del módulo solar requerida para cada hora del día, se necesitará introducir los valores de radiación solar diaria (kW h/m2 /dia) y el índice de claridad.Además de estos dos, será necesario especificar la situación geográfica de nuestra zona para que el software calcule el índice 0 0 de claridad desde la radiación solar media, con los valores de latitud y longitud, siendo en nuestro caso 200 −12 25 N −760 −44 58 O Figura 4: Pestaña introducción recurso solar en HOMER. 5.1.4. Diésel. En cuanto al combustible seleccionado para alimentar los generadores eléctricos, se usara diésel como fuente de combustible fósil, dado su menor precio y emisiones de CO2. Los generadores eléctricos de gasolina suelen ser más pequeños y silenciosos, ofrecen mejor calidad en la tensión eléctrica consumen menos combustibles. Pese a las numerosas ventajas que presentan, se ha descartado utilizar generadores eléctricos alimentados por gasolina ya que, aparte de ser el litro de gasolina más caro que el de diésel, no existen a día de hoy generadores eléctricos de gasolina de servicio continuo, si no, de servicio intermitente, variando éste entre las 4 horas.Para determinar el precio se buscó el precio de un barril de diésel ofrecido por [4] este precio que fue 66.91 $ el barril, considerando que un barril OPEP cuenta con 150 litros podemos deducir que el precio del litro de diésel ronda los 0.6 $ (se le hiso 7 un agrego al precio en correspondencia a las tarifas que suelen cobrar las distribuidoras ) Figura 5: Pestaña introducción recurso diésel en HOMER. 5.1.5. Equipos. Las distintas configuraciones de sistemas híbridos que generará HOMER tras la simulación, serán combinaciones de los equipos previamente introducidos. Figura 6: Pestaña introducción equipos en HOMER. Cada tecnología energética tiene definida una serie de equipos específicos: Energía eólica: aerogeneradores Energía solar: módulos fotovoltaicos Energía hidráulica: centrales a filo de agua. Fuente Hidrógeno: Celda electrolítica y tanque de hidrógeno. Energía eléctrica: generadores eléctricos de combustible, convertidores, baterías. 8 Figura 7: Pestaña introducción equipos en HOMER. De estas tecnologías citadas, no aprovecharemos la energía hidráulica, ya que no hay ningún río en el cual establecer la instalación, ni los equipos de hidrógeno, siendo una tecnología aún joven con altos costes.Para caracterizar cualquiera de los equipos, se deberá introducir la curva de costes, definida por; el coste de capital ($) para diferentes potencias de máquina (kW ), el coste de reemplazo ($) y el coste de mantenimiento ($/horas) . Equipo Potencia(kW) Coste Capital Reemplazo Mantenimiento Generador PV Aerogenerador Convertidor Batería 1 1 1 1 1 600 1500 1200 1000 1200 500 1500 1200 1000 1100 0.015 0 24 10 50 Vida útil 20000 horas 25 años 15 años 15 años La tabla muestra los costes en dólares y otras especificaciones para definir en Homer las restricciones de cada equipo que compondrá el sistema aislado de la red propuesta. Estos costes se han tomado del PER2011-2020 y las referencias allí citadas. La simulación combinara dicho equipo según las potencias establecidas en el parámetro “tamaños a considerar” (“sizes to consider’). Para los aerogneradores diremos que pertenece al modelo BWC-Excel-R y consideraremos que están en funcionamiento hasta dos aerogeneradores 9 Figura 8: Valores de entrada de los paneles en HOMER . Para el caso de los paneles solares considerando que cada panel solar puede tener una capacidad de 300,400 y 450 W y considerando que existe en nuestra comunidad un total de 50 podemos decir que nuestros paneles solares tendrán una potencia de 15, 20, 22.5 kW Figura 9: Valores de entrada de los paneles en HOMER . En el caso de los generador diésel consideraremos que podrá tener 25 , 50 , 75 kw de potencia 10 Figura 10: Valores de entrada de los generador diésel en HOMER . Para el caso de las baterías consideramos que son del modelo Surrette 4KS25P consideraremos que puede haber hasta 3 de ellas Figura 11: Valores de entrada de las baterías Surrette 4KS25P en HOMER . Para el caso de las convertidores de corriente podra tomar valores de 1kW y 2kW 11 Figura 12: Valores de entrada de convertidores de corriente en HOMER . 5.2. Simulación Una vez introducidos los datos que definen el sistema aislado de trabajo, el software estará preparado para proceder a la simulación. HOMER simula la operación de un sistema por medio de cálculos de balances de energía para cada una de las 8,760 horas de un año. Para cada hora, HOMER compara la carga eléctrica y térmica con la energía que el sistema puede entregar en una hora. Para sistemas que incluyen baterías o generadores a base de combustibles, HOMER también decide para cada hora, cómo operar los generadores y cargar o descargar las baterías. Si el sistema satisface las cargas para todo el año, HOMER estima el costo del ciclo de vida del sistema, contabilizando el costo de inversión, costo de reemplazo, costos de operación y mantenimiento, combustible e intereses. 5.3. Análisis de datos Tras la simulación, el software devolverá un conjunto de configuraciones compuestas por los equipos previamente escogidos y a diferentes tamaños de potencia. Cada una de las opciones que devuelve HOMER, esuna solución factible para el abastecimiento eléctrico de la carga. Además, a las distintas combinaciones de sistema híbrido le corresponden una serie de datos que detallan las características operacionales: Capital inicial ($) : Se corresponde con la inversión inicial, desembolso de la compra de los equipos que configuran esa alternativa. Coste de operación ($/año ) Coste presente neto total COE: coste en dólares para generar 1kW h Fracción Renovable: valor por unidad de la cantidad de electricidad generada por fuente renovable. Diésel (L): litros de diésel consumidos en un año de simulación. Diésel (horas): horas operativas del generador eléctrico en un año de simulación. 12 Figura 13: Configuraciones hibridas resultantes de la simulación con HOMER. Añadido a los parámetros operacionales anteriormente citados, HOMER también genera unos resultados de simulación para cada una de las configuraciones referidas a un año de trabajo, donde se encuentra; un resumen de todos los costes contemplados, el flujo de dinero, una comparativa entre electricidad generada y consumida, características operativas de cada componente del sistema, una comparativa entre el NPC del sistema aislado frente al conectado a la red y las emisiones de gases prejudiciales. Figura 14: Tipos de resultados de simulación en HOMER. Se seleccionaran 2 alternativas para su posterior análisis tecno-económico más detallado 5.3.1. Alternativa 1 en HOMER. La primera configuración que se va a seleccionar, estará compuesta por: Módulo fotovoltaico de 15 kW Generador eléctrico diésel de 25 kW 2 Batería S4kS25P de 500 kW Convertidor de 2 kW Aerogenerador BWC-Excel-R 13 Figura 15: Resultados alternativa 1 en HOMER. La inversión inicial es relativamente alta, con 7.700 $, el coste por equivalente a consumir un kWh es de 0.59 $. Figura 16: Resultados costes alternativa 1 en HOMER. El uso de los diferentes equipos para la generación de energía y su contribución a la demanda de la carga eléctrica a lo largo del año fue de la siguiente manera Figura 17: Producción media eléctrica mensual de alternativa 1 en HOMER Del uso de generadores diésel para producir la mayor parte del abastecimiento eléctrico, las emisiones de CO2 y otros gases perjudiciales alcanzan valores no tan significativos, como se puede ver en la siguiente tabla 14 Figura 18: Emisiones alternativa 1 En comparación con la electrificación de nuestra zona mediante conexión con la red eléctrica, el coste presente neto correspondiente comienza a ser mayor que la red aislada a partir de los 23.6 km Figura 19: Sistema aislado vs Sistema conectado en 1 5.3.2. Alternativa 2 en HOMER. La segunda configuración que se va a seleccionar, estará compuesta por: Módulo fotovoltaico de 15 kW Generador eléctrico diésel de 25 kW 3 Batería S4kS25P de 500 kW Convertidor de 2 kW Figura 20: Resultados alternativa 2 en HOMER. La inversión inicial es relativamente alta, con 7.700 $, el coste por equivalente a consumir un kWh es de 0.57 $. 15 Figura 21: Resultados costes alternativa 2 en HOMER. El uso de los diferentes equipos para la generación de energía y su contribución a la demanda de la carga eléctrica a lo largo del año fue de la siguiente manera Figura 22: Producción media eléctrica mensual de alternativa 2 en HOMER Del uso de generadores diésel para producir la mayor parte del abastecimiento eléctrico, las emisiones de CO2 y otros gases perjudiciales alcanzan valores no tan significativos, como se puede ver en la siguiente tabla Figura 23: Emisiones alternativa 2 En comparación con la electrificación de nuestra zona mediante conexión con la red eléctrica, el coste presente neto correspondiente comienza a ser mayor que la red aislada a partir de los 24.2 km 16 Figura 24: Sistema aislado vs Sistema conectado en 2 5.4. Análisis de sensibilidad. Se tomaron como variables sensibles para la simulación los siguientes parámetros Figura 25: variables de sensibilidad Utilizando la opción de variables de sensibilidad dentro de la ventana de los resultados de sensibilidad, modificaremos el tipo de gráfico a surface plot, y haremos que varíe las variables a graficar para mostrar diferentes perspectiva de la modelación Carga eléctrica vs Eficiencia del aerogenerador BWC-Excel-R La elección de este grafico radica a que podemos imaginar que debido a un aumento de los indicadores socioeconómicos de la región es posible que la carga energética pueda aumentar (para satisfacer las demandas de la población debido a que ha aumentado sus electrodomésticos) y considerando a que la eficiencia de los aerogeneradores BWC-Excel-R puede decaer con el tiempo debido a factores climatológicos o humanos seria provechoso saber cómo impactaría en el coste total del sistema. Y podemos apreciar que cuando se reúnen estas condiciones (baja eficiencia y aumento de la carga eléctrica) el costo total sufre un significativo aumento 17 Figura 26: Costo Total Otro análisis de interés seria ver como varia los costó operación y mantenimiento cuando se reúnen estas condiciones (baja eficiencia y aumento de la carga eléctrica) como es comprensible los costos de mantenimiento y operación son muy sensibles a las fluctuaciones de la eficiencia del aerogenerador Figura 27: Costo Total Otra consecuencia directa que podríamos tener en la situación antes planteada es ver como aumentaría las emisiones de CO2 , este dato es de vital importancia debido a que en muchas localidades montañosas del oriente del país presentan una situación medioambiental muy delicada y que constituyes grandes reservas naturales de la fauna y flora endémica de la isla por lo que un aumento de la emisión de sustancias 18 Figura 28: Emisiones de CO2 5.5. Escenarios propuestos De los escenarios propuestos en las orientaciones generales ya han podido ser resuelto en el trabajo solo quedaría por mostrar como influiría en nuestro sistema el aumento de los precios de la energía obtenida en la red. Figura 29: Aumento de los precios Para la alternativa 1 vemos que existe la siguiente modificación. En comparación con la electrificación de nuestra zona mediante conexión con la red eléctrica, el coste presente neto correspondiente comienza a ser mayor que la red aislada a partir de los 24.7 km 19 Figura 30: Sistema aislado vs Sistema conectado en 2 con los nuevos precios Para la alternativa 2 vemos que existe la siguiente modificación. En comparación con la electrificación de nuestra zona mediante conexión con la red eléctrica, el coste presente neto correspondiente comienza a ser mayor que la red aislada a partir de los 24.9 km Figura 31: Sistema aislado vs Sistema conectado en 2 con los nuevos precios Realmente la unión de este tipo de comunidades con el sistema electrógeno nacional no es una alternativa válida, no solo por la difícil y complicada situación geográfica que complicaría de manera exponencial los problemas logísticos que trae consigo esta alternativa, también hay que constituir que debido a que se encuentra en una zona altamente sensible desde el punto de vista medioambiental las autoridades competentes en esta materia desaprueban este tipo de soluciones [5] alegando la defensa de esta área en aras de conservar uno de los focos de mayor concentración de especies endémicas del caribe insular . 6. Conclusiones Con la metodología propuesta para el estudio y dimensionado de sistemas híbridos aislados de la red, se han conseguido resultados satisfactorios. Se ha podido comprobar cómo, utilizando los recursos disponibles en la zona de estudio, es factible considerar las fuentes de energía renovables junto a un uso limitado de combustibles fósiles para la generación íntegra de la electricidad en viviendas aisladas. En el análisis tecno-económico realizado con HOMER, se ha podido comprobar que, pese a las buenas condiciones de las fuentes renovables en la zona, no es posible prescindir del combustible diésel para el abastecimiento eléctrico de cargas de media-baja aisladas, ya que mediante configuraciones con 100 %¸ fracción renovable, la demanda eléctrica no llegaría nunca a ser completamente abastecida. De las dos alternativas propuestas en el trabajo la primera alternativa resulta más ventajosa debido a que a pesar de 20 tener los costos prácticamente iguales la aplicación la alternativa dos no podía satisfacer la demanda energética algo que si ocurría con la primera.Sería recomendable para próximos trabajos que persigan los mismos objetivos estudiar la implicación de la producción de energía a partir de los residuos de la industria cafetalera ya que esta presenta una gran extensión en las zonas montañosas de toda la región oriental del país 7. Referencias bibliográficas. 1. Suárez Rodríguez, José Antonio; Beatón Soler, Pedro Aníbal ESTADO Y PERSPECTIVAS DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN CUBA Tecnología Química, vol. XXVII, núm. 3, septiembre-diciembre, 2007, pp. 75-82 Universidad de Oriente Santiago de Cuba, Cuba 2. Daniel Argota Pupo ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS DEL SECTOR RESIDENCIAL EN CUBA.Moa 2012 3. Deivis Avila - Prats, Ramón Alesanco - García, Feliciano García - García Coste del kWh eólico generado en Cuba, a partir de datos de viento de una región de buenos potenciales eólicos Ingeniería Mecánica. Vol. 13. No. 3, septiembre-diciembre, 2010, p. 38-45 4. http://www.opec.org/ 5. http://web.archive.org/web/http://www.ama.cu 21
