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I. INTRODUCCIÓN
Un cambio poderoso en el sector energético durante los próximos años es necesario, es decir, las estrategias futuras deben basarse en energías renovables como la concentración de energía solar térmica entre otros, lo que implica plantas más potentes de energía solar térmica (STE) en el futuro 1. La energía es un componente de desarrollo sustentable que actúa como instrumento metodológico en el ambiente y la planificación- gestión. La energía solar ha sido utilizada desde la prehistoria y desarrollada a lo largo de los años en diversas aplicaciones que van desde vasijas de oro a colectores solares 2. En sus inicios la generación de energía eléctrica fue realizada por la aplicación de la energía hidráulica mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua 3, debido a su indispensabilidad se creó tecnología para generar a partir de derivados del petróleo como las termoeléctricas cuyos combustibles son volátiles, poco fiables, limitados y muy contaminantes 4. Los sitios ricos en energía solar son un requisito esencial para la utilización de energía más limpia, el monitoreo y la conversión de energías renovables 5. En la actualidad se ha visto la necesidad de utilizar energías alternativas, por lo que se han ido desarrollando equipos que tengan la capacidad de captar la energía de fuentes renovables no contaminantes como: eólica, solar, biomasa y electroquímica que han tomado un gran interés en el mundo a fin de ser posibles sustitutos de las energías no renovables 4.
Uno de los principales problemas a tratar por la sociedad es la gestión racional de los recursos naturales, sobre todo fuentes de energía y agua dulce 6 por lo que la presente investigación analiza la aplicación de tecnología solar fomentando el desarrollo sostenible y la generación de una producción de energía eléctrica limpia 7. Aprovechando correctamente los recursos renovables que se pueden transformar en importantes y factibles fuentes de energía que cumplirían con la demanda de electricidad en los países en desarrollo como lo es el Ecuador. Los satélites meteorológicos geoestacionarios han sido utilizados para lograr confiabilidad, información de radiación solar y solar Mapas de radiación. Estos satélites tienen la ventaja de escanear Área grande con alta resolución espacial y temporal 8.
Según estudios si se aprovechara al máximo la energía solar que llega a la superficie de la tierra, se proporcionaría 7900 veces más energía de la que se consume actualmente a nivel mundial y que en promedio global, cada metro cuadrado de tierra que recibe suficiente luz solar puede generar 1700 kW-h (kWh) de energía cada año. La energía solar, es un tipo de energía renovable y el más abundante, accesible y gratuito para todo el mundo, mediante equipo especial se puede transformar en energía eléctrica y térmica 9. A nivel mundial se ha incrementado el investigar el potencial solar en zonas como el estudio en Colombia con costo- beneficio, en el que se obtuvo un potencial de absorción de 331W por día en un área de 1 m2 (10, Buenos Aires con el estudio de aplicación de energías renovables y lograr la eficiencia energética al uso de sistemas solares en diferentes hábitats 11, España con sus constantes estudios y su marco legislativo que permite la viabilidad económica de las centrales solares termoeléctricas bajo diferentes tipos de tecnologías como: centrales de torre, tecnologías cilindro parabólicas, concentrador lineal fresnel entre otros 12. Cuba con su propuesta de una central eléctrica termosolar con acumulación de energía en un proyecto de 50 MW y su evaluación económica, importancia y rendimiento 13. La India en el estudio del diseño y la evaluación del rendimiento del sistema solar fotovoltaico / térmico, muestran que los datos satelitales sobreestiman los datos medidos en la superficie entre 10 y 15% para siete ubicaciones, mientras que, para las cuatro restantes estaciones, es entre 7 y 9.5% 14. O en Ecuador en la provincia de Manabí donde se realizó un análisis conceptual y un esquema energético del potencial solar para la introducción de tecnología fotovoltaica 15.
El presente estudió también fue desarrollado en Ecuador, se analizó el potencial solar en toda la cuenca alta del Río Pastaza mediante imágenes satelitales y recolección de variables meteorológicas de estaciones automáticas ubicadas en diferentes puntos de las provincias con datos de radiación directa (DNI) en promedio de hora, en lugares alejados a las estaciones se utilizó datos satelitales, de la National Renewable Energy Laboratory determinamos 5 zonas de posibles emplazamientos ubicadas en la provincia de Chimborazo de las cuales P4 y P5 correspondientes a Chimborazo Sur y Chimborazo Norte, las cuales generan mayor energía eléctrica, en promedio de 90 y 81 GWh/anual respectivamente. Para la elección de turbinas de vapor se considera lo siguiente 16:
• Reacción o acción.
• Multietapa o monoetapa.
• Axiales o radiales.
• Según si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape. (contrapresión, escape libre o condensación) (16).
Se eligió turbinas de la SERIE SST-SIEMENS para el estudio y un colector parabólico de serie Solargenix SGX-1.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Recolección de información y base de datos.
La presente investigación se realizó utilizando los datos de estaciones meteorológicas y satelitales; el GEAA está encargada del monitoreo de 11 estaciones y tiene acceso a una red de otras estaciones las que están a cargo instituciones nacionales entre las que sobresalen: La Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Universidad Nacional de Chimborazo (UNACH) y la Universidad de Cuenca (UCUENCA), el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable (MEER), la Secretaría Nacional de Educación Superior (SENESCYT), entre otras. En la provincia de Chimborazo se han instalado estaciones meteorológicas con varios sensores que miden variables como: velocidad de viento, radiación solar global, temperatura, precipitación, entre otras 17.; mediante este monitoreo existe solo cuatro meses al año de período húmedo pero los promedios de radiación en estos meses es alrededor son superiores al mínimo recomendado de 1800W/m2 (18 y la concentración de radiación solar es alta en estos sitios 19 y la velocidad de viento tiene promedios anuales altos en los puntos P4 y P5 20 se podría implementar una planta híbrida.
La información meteorológica se transmitió desde la estación meteorológica hacia un servidor (FTP -Protocolo de Transferencia de Archivos), la información recibida fue un archivo de texto plano en formato REF, dicha información fue procesada en una base de datos y que puede ser descargada por los usuarios como hojas electrónicas de Excel. Cabe recalcar que la información enviada al servidor FTP son datos promedio de hora. Para toma de datos en puntos que no están cerca de una estación meteorológica se optó por realizar una descarga de bases satelitales. La cuenca del río Pastaza se cubrió con imágenes de 1 km2 de pixel descargadas del servidor National Renewable Energy Laboratory (NREL) por medio del software System Advisor Model (SAM) con la ubicación y promedio de DNI anual como se muestra en la Figura 1.
Análisis de las posibles zonas de emplazamiento, radiación solar y topografía
Se utilizó la base de datos de radiación solar provenientes del centro (NREL) imágenes y registros satelitales con ello se pudo determinar las zonas más adecuadas para la implementación de las centrales termosolares (ver Tabla 1) 21, fueron considerados y validados los datos de DNI de las estaciones meteorológicas; En el caso particular de los puntos de P4 y P5 poseen mayores áreas y un gran potencial solar.
Caracterización energética de los emplazamientos.
Mediante la herramienta de ArcGis 10.2 se visualizó el raster del Ecuador con un Datum WGS_1984_UTM_Zona_16 y 17 S el cual fue descargado del NREL. Al cual se realizó una extracción del área de estudio de la cuenca alta del río Pastaza mediante la herramienta extract by mask para visualizar las zonas planas de gran tamaño con potencial alto de DNI para la implementación de las centrales termosolares; una vez determinado estas zonas se procedió a insertar los puntos de interés y la respectiva escala de intensidad en KWh/m2/día como se muestra en la Figura 1.
Cálculo de potencia de generación
Con el sofware SAM, se escogió la herramienta CSP Parabolic Trough (empirical) con el módulo LCOE calculator (FCR method), en el menú (Location and Resource) se ingresó un archivo de tipo csv con los datos meteorológicos de cada punto escogido, en el menú (Solar Field) se programó las condiciones de físicas de lugar como: el área disponible, condiciones térmicas del fluido de trabajo, condiciones ambientales y orientación de los colectores solares. Para el menú (collectors(SCAs)) se ingresó la serie Solargenix SGX-1 que corresponde a un colector parabólico cuyas propiedades se muestran en la Tabla 2, en el menú (Power Block) se determina la potencia de la turbina en megavatios (MW) que se puede instalar en CSP (planta solar de cilindros parabólicos). En el caso de las zonas de Chimborazo son las que mayor potencia de generación, se pueden instalar llegando casi a los niveles de generación de la CSP LA RISCA ubicado en España, esta posee un bloque de potencia instalado de 50MW y produce un valor de unos 102GW al año 12. Basados en los resultados de potencia se determinó la elección del tipo de turbina de vapor más adecuada 22 como se muestra en la Tabla. 3. Y finalmente en el menú (Finantial Parameters) se ingresó valores del costo de la CSP con los valores de operación anual; variándoles estos para llegar a un valor de 9 centavos de dólar americanos como de base de venta por KW a lo que compra el país.
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con el análisis de los datos (Véase Figura 1) se buscó 5 sitios ideales de fácil acceso para la implementación de este tipo de CSP las cuales están ubicadas en la cuenca alta del río Pastaza, con diferentes capacidades; considerando que cada punto dispone de un diferente potencial energético a causa del área disponible y su recurso Solar. Se descartó las zonas menores a 1.800 kWh/m2 de DNI 23 debido a la nubosidad que existe en el lugar y como sugerencia en otros estudios realizados en otros países 13.
La implementación en los lugares se propone de la siguiente manera: En la zona de la P1 y P2 cuyos terrenos pertenecen a la ESPOCH se plantea proyectos demostrativos a baja escala con generación de energía eléctrica para autoconsumo institucional. La Zona P3 está pensado para abastecer el consumo local como apoyo la pequeña industria. Las zonas P4 y P5 serán consideradas para generación conectada al sistema nacional de Red Eléctrica.
La Gráfica 1, muestra los datos de promedio (DNI) en W/m2 de los puntos escogidos para cada mes del año. Se encuentra una mayor radiación en el mes de agosto especialmente en los puntos P4 y P5. Y una baja radiación en el mes de marzo para todas las zonas escogidas 24.
Como datos adicionales se debe considerar que se puede aumentar la capacidad de generación eléctrica en las zonas de Tunshi, Chingazo, Chimborazo Sur y Chimborazo norte; pero esto implicaría remoción de terreno para aumentar el área de captación la cual conlleva el aumento de gasto en la implementación.
Fuente: GEAA-ESPOCH. 2017
Gráfica 1 Promedio mensual de radiación en W/m2 de los puntos seleccionados
Agosto existe la mayor concentración de DNI en promedio en las Zonas Chimborazo Norte, la menor concentración en promedio anual de DNI es en el mes de abril la zona de Tunshi. Todos los emplazamientos están cerca de una vía principal por lo que son de fácil acceso para su implementación.
Topografía de los puntos de interés.
En las Figuras 2, 3, 4, 5, 6, se muestran las áreas disponibles en cada zona seleccionadas; para su selección se consideró los parámetros de nivel de radiación, cercanía a una vía principal y topografía del terreno (plano).
La Gráfica 2 muestra los datos de promedio de generación eléctrica en KW/h para cada mes del año las zonas de Chimborazo tienen el porcentaje más alto de generación eléctrica considerando que estas dos zonas tienen un área disponible mayor a los 3 puntos restantes. En el caso del punto P2 (ESPOCH), se implementaría una planta de tipo demostrativa y para el uso del mismo campo universitario debido a la pequeña área que se dispone.
Las Gráficas 3, 4, 5, 6 y 7 muestran la selección del bloque de potencia en MW para cada zona mediante iteración. Con el objetivo de buscar un valor máximo de cada curva.
La realización de las curvas de Power Block con respecto a la Generación Anual de Energía Eléctrica de basó en función del área escogida y con ella se determinó la mejor turbina para una mayor generación en 8 puntos distintos de MW, se llegó a determinar cuál sería la capacidad de generación más adecuada para aprovechar al máximo el área que no esté sobredimensionado ni minimizado la capacidad del Power Block.
La cantidad de energía producida depende del tamaño del área disponible en la gráfica 8. Se ilustra el promedio de radiación y generación eléctrica al año en donde: el punto P2 tiene la más baja generación, sin embargo, su promedio de radiación es aproximadamente igual a los puntos P4 y P5 los cuales estos generan mayor energía eléctrica, mediante la herramienta de ArcGis se dedujo que P4 era el área más grande.
Fuente: GEAA-ESPOCH. 2017
Gráfica 8 Comparación de la cantidad de radiación con la energía eléctrica producida en función del área
Análisis Financiero
Los parámetros del análisis financiero se plantearon en base a la teoría de conservación de tecnologías renovables 25. En la Tabla 3. Se muestra un resumen de las variables financieras, además considerando una inflación promedio de 2.94% en base de los datos desde el año 2008 hasta el 2018 26, en estos estudios se realizó la simulación considerando un endeudamiento total, basado en los 5 lugares escogidos para el emplazamiento.
IV. CONCLUSIONES
Mediante sensores remotos y la validación con las estaciones meteorológicas, hemos seleccionado 5 zonas de posibles emplazamientos; de las cuales las P4 y P5 que corresponden a Chimborazo Sur y Chimborazo Norte, generan mayor energía eléctrica, en promedio de 90 y 81 GWh/anual respectivamente. En cuanto al análisis financiero se lo realizó modificando las variables del mismo, para equiparar con el precio (KWh) actual del Ecuador que es de 9,33 centavos de dólar americano; donde el cálculo se realizó asumiendo un endeudamiento total y la recuperación de la inversión en 20 años a una inflación de 2.5% por cada año; por lo que el proyecto resulta aplicable y con impacto positivo para el medio ambiente
