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INTRODUCCIÓN
En la actualidad el mundo se enfrenta a una crisis medio ambiental debido al efecto invernadero ocasionado por la liberación de diferentes gases a la atmósfera, especialmente el dióxido de carbono (CO2). Este hecho es asociado directamente al sector energético debido a la demanda de combustibles fósiles (carbón, gas, petróleo) que se utilizan para la generación de energía de forma tradicional [1].
En América latina, para mitigar los efectos negativos producidos por el consumo de energía se emplean políticas que fomentan la eficiencia energética y el cambio de las sociedades hacia modelos que promuevan la eficiencia energética [2]. Desde hace 7 años en el Ecuador se priorizo por parte de Estado planes y programas para poder desarrollar políticas sobre cómo gestionar eficazmente la energía, y esto servirá de ayuda en este caso particular para nuestro sector de estudio que es la academia [3].
Por otra parte, la energía solar fotovoltaica es considerada como una fuente de energía renovable, inagotable y limpia, esta energía transforma la luz solar en electricidad mediante la utilización de celdas solares. El principio de funcionamiento de estas celdas solares depende de la radiación incidente que, provoca una diferencia de potencial, es decir los electrones que están presentes empiecen a circular de un lugar a otro para que esta manera se genere una corriente eléctrica [4].
Este tipo de energía renovable permite generar electricidad para satisfacer la demanda energética sea para lugares donde no existe una red eléctrica que son conocidos como sistemas fotovoltaicos autónomos o para generar energía y aportar a la red y a estos sistemas se los denomina sistemas conectados a la red [5]. El interés del estudio radica en el elevado consumo de energía en centros educativos; el uso desmedido de energía, y la ausencia de políticas energéticas que redunden en mayores beneficios.
Metodología
La propuesta metodológica se sustenta en la determinación de consumos históricos mensuales y diarios de la Universidad Católica. Se identificó los equipos eléctricos que representan un mayor consumo, al igual que la iluminación de cada uno de los edificios del campus.
El cálculo de la potencia instalada se realizó para los sistemas de iluminación, de climatización y equipos de fuerza; dentro de los equipos de fuerza se consideran computadoras, equipos de laboratorio, impresoras. Este consumo se estimó en base al perfil de uso, es decir, según el horario que se ocupa cada aula, oficina y pasillo al igual que el funcionamiento de los equipos del edificio.
Para los sistemas de iluminación y fuerza se realizó el inventario de luminarias que están instaladas en los diferentes edificios del campus universitario, diferenciando cada uno de ellos por su uso y características técnicas. Para los sistemas de climatización, únicamente se considera las especificaciones técnicas del fabricante y a partir de una potencia nominal y horas de uso se calcula la potencia instalada.
El mayor consumo en iluminación se origina en el edificio central, siendo este el objeto de análisis. En la edificación se cumple un horario académico de 15 horas, a diferencia de los otros establecimientos.
En la Fig. 1 se puede observar el campus universitario, el cual está distribuido de la siguiente manera: Edificio Central, Edificio de la Facultad de Medicina, Paraninfo, Laboratorio de Suelos, Cafetería, Biblioteca.
Se procedió a la revisión de la potencia de cada uno de los equipos para así determinar el consumo diario y mensual de los mismos.
La información de la radiación solar, del presente estudio se obtuvo del software Meteonorm [6].
Para el dimensionamiento de la instalación fotovoltaica; se evaluó áreas donde el consumo de energía es mayor, además se realizó el calculó de la cantidad de paneles necesarios para alimentar el consumo según los meses más críticos. También se seleccionó los equipos necesarios como inversores para el funcionamiento de la instalación.
A continuación, se estructuro la línea base sobre la cual se trabajará para alternativas de mayor eficiencia eléctrica y finalmente se realizó la propuesta de diseño fotovoltaico con los consumos diarios obtenidos para el edificio central del campus universitario.
Eficiencia Energética
La Eficiencia energética hace referencia al consumo inteligente de la energía, es decir, atender una necesidad con la menor cantidad de energía, es una de las políticas que llevan a mejorar el medio ambiente el uso y ahorro de energía [7].
Eficiencia Energética de edificaciones
Para disminuir el consumo es necesario la gestión eficiente de energía que debe estar incluida en los objetivos de la administración. Esto no solo ayuda a disminuir el impacto ambiental, sino que también mejora la relación costo-beneficio para la economía del mismo[8].
Para lograr la eficiencia energética, se fijan planes para disminuir el consumo de energía sin reducir los servicios y mantener el mismo nivel de prestaciones, haciendo un uso de los recursos sostenible y responsable. Una alternativa para una mejor eficiencia en una edificación es el uso de energías no convencionales, energías limpias como lo es la energía solar a través de sistemas fotovoltaicos, que permiten generar electricidad utilizando un recurso inagotable como lo es el sol por medio de la radiación solar, esto permitirá reducir el consumo en edificios como objetivo primario[9].
Radiación solar
Los valores de radiación solar fueron obtenidos de software Meteonorm como se muestra en la Fig. 2.
La mayor parte de la radiación es absorbida por la superficie terrestre. La radiación solar se divide en radiación global directa, la radiación difusa y la radiación reflejada. Para el presente estudio se utilizó la radiación global directa.
Componentes del sistema fotovoltaico
Para este diseño se consideró los siguientes componentes:
Panel Fotovoltaico
El panel solar que se determinó en este diseño es un poli cristalino de la marca Sunpower con una potencia de 355 W, en la tabla 1 se puede observar las especificaciones técnicas del módulo fotovoltaico [11].
Inversor de conexión a red
Los inversores desempeñan un papel importante en un diseño fotovoltaico, para este proyecto se consideró de la marca GPTech, en la tabla 2 se muestra las especificaciones técnicas [12].
El inversor se encarga de transformar la corriente continua que genera el módulo fotovoltaico en corriente alterna, el rendimiento depende de la potencia de la instalación.
Baterías
En los sistemas fotovoltaicos la función más importante de las baterías es el almacenamiento, de este modo la energía que es producida en horas de sol se puede utilizar durante la noche o cuando no se disponga de la radiación solar suficiente para generar energía, por lo general el tipo de baterías más empleado en estos sistemas son las de descarga profunda, en la actualidad existen diferentes variedades de baterías en el mercado siendo las más eficientes las baterías de Litio y las baterías de gel. La capacidad (Ah) de almacenamiento de las baterías se calcula en función a los consumos y al número de días de autonomía del sistema.
La profundidad de descarga (DOD) de una batería es el máximo porcentaje de su capacidad a plena carga[5].
En la tabla 3 se observa la batería utilizada para el diseño [13].
Tabla 3: Especificaciones Técnicas de la batería
| Tensite Gel 12 | ||
| Voltaje nominal | 12 V | |
| Capacidad descarga | 90% | |
| Capacidad de almacenamiento | 300 Ah | |
2.3.4 Inversor cargador
La función principal de un inversor cargador es de verificar la tensión de las baterías y determinar si es necesario la carga de las mismas.
Dimensionamiento del sistema fotovoltaico
En la tabla 4 se puede evidenciar el consumo del campus universitario en la actualidad, el mismo que indica que el 71% de consumo está destinado para equipos eléctricos y un 29% para iluminación.
Tabla 4: Calculo del Consumo Mensual de Energía
| Consumo Equipos (kWh/mes) | Consumo Luminarias (kWh/mes) |
| 11 284,5 | 4 715,3 |
El cálculo de número de módulos fotovoltaicos se realiza tomando como referencia [14] y se expresa con la siguiente formula:
Donde HSP representa la hora solar pico.
Para determinar la inclinación de los paneles se basó en [15] que se representa en la ecuación (2).
Donde
La distancia entre los módulos está definida por (3), en el Ecuador al tener una latitud de 0 a 5 grados la inclinación del panel se debe considerar de 5 a 10 grados [16].
l es la longitud del panel.
Para determinar el número de inversores, se debe conocer la potencia nominal del arreglo fotovoltaico y seleccionar un inversor o un grupo de inversores, que sean capaces de cubrir la misma cantidad de potencia.
El número de paneles por inversor se calcula con la ecuación 5.
El inversor cargador para este tipo de diseño es la marca Victron Energy modelo Quatro48/15000, según las especificaciones técnicas tiene una capacidad de 12000W.
La batería que se seleccionó es de la marca Tensite Gel con una capacidad de almacenamiento de 300 Ah y tensión nominal de 12 V.
Para realizar el cálculo del número de baterías se utilizó la expresión tomada de [17], es necesario conocer la capacidad total de almacenamiento del sistema para ello se utiliza la ecuación 6.
La ecuación 7 muestra el proceso de cálculo del número de baterías.
Ah es la capacidad de almacenamiento
Vb es el voltaje de la batería
Resultados
Para determinar el consumo diario y mensual del campus universitario se realizó el levantamiento de los equipos y luminarias que se encuentran en funcionamiento a determinadas horas.
La iluminación de los edificios está basada principalmente en lámparas fluorescentes T8-TF-120mm.
En el edificio de análisis el porcentaje con mayor potencia instalada en iluminación es para aulas como se puede observar en la Fig. 3.
Los resultados obtenidos del cálculo de la energía al realizar el inventario de los equipos y luminarias son similares en un 93 % a los consumos facturados por la Empresa distribuidora, en la Fig. 4 y Fig. 5 se puede observar el consumo histórico mensual del año 2019 que presenta la distribuidora.
El campus universitario dispone de un contador de energía con tarifa comercial y registrador de demanda horaria, que se encuentra establecido según el pliego tarifario, este contador registra las diferentes lecturas en cada una de sus variables; según el horario el costo de la energía varia. La empresa distribuidora realiza la facturación mensual en base a las lecturas tomadas del contador que dispone el campus universitario, teniendo como referencia las siguientes variables: (ADN, APN, ATN) representa la energía activa. Registra un consumo de demanda no pico y demanda en el rango horario de 18:00 a 22:00 pm, y la energía reactiva RN como se muestra en la Tabla 5 la facturación realizada del mes de consumo Julio 2019.
ADN 7/18 es la variable del contador que registra el consumo que presenta en las horas de 7 am a 18:00pm, APN 18/22 registra el consumo de las 18:00 a las 22:00, ATN es el consumo a partir de las 22:00 a 7:00 y finalmente se registra un consumo de energía reactiva (N).
Se puede evidenciar que el personal administrativo, docentes y alumnos no llevan una política de ahorro de energía, el uso desmedido de energía ocasiona el incremento en las planillas eléctricas. Se considera que este consumo es desmedido ya que la Universidad Católica presenta un consumo superior al Instituto Superior Luis Rogelio González de la ciudad de Azogues, en la Fig. 6 se puede observar los consumos correspondientes al mes de junio de los dos establecimientos educativos.
El consumo anual en iluminación del edificio analizado se encuentra alrededor de 45 349,45 kWh, la demanda máxima diaria es de 217,2 kWh, mientras la potencia instalada es de 31,77 kW.
Una vez identificado los parámetros como la potencia máxima y el consumo de energía anual, mensual y diario, se expresan los resultados de la propuesta de diseño fotovoltaico.
Análisis de la radiación solar en el Campus universitario
Para el análisis es necesario trabajar con el mes de menor radiación teniendo como resultado el mes de julio con una radiación mensual de 161 kWh/m².
Se determinó que la hora solar pico (HSP) para nuestro caso de estudio es igual 4,39 horas.
Selección de los módulos fotovoltaicos
Al aplicar la ecuación (1) se obtiene que el número necesario de módulos fotovoltaicos es de 140.
La potencia instalada en módulos fotovoltaicos será 49,7 kW.
Inclinación de los paneles
La inclinación de los paneles aplicando (2) es 5,59°.
Es recomendable alejarse 10 ° del ángulo óptimo para obtener pérdidas del 1% por lo tanto la inclinación de los paneles será 15,59 °.
La distancia entre los módulos es de 1,78 m.
Selección del inversor de red
La cantidad de inversores necesarios son 4 conectados en paralelo, para prevenir en el caso que uno de ellos falle. El número de paneles por inversor se calcula con la ecuación 4.
En total se necesita 42 paneles por inversor, para no sobrecargar a los inversores se considera que las conexiones en serie no sean superiores a la tensión de circuito abierto del lado de corriente continua, se distribuye para cada inversor un total de 35 paneles, que están divididos en 5 grupos conectados en paralelo de 7 paneles en serie.
Selección del inversor cargador
El número de inversores cargadores se determina con la potencia instalada en el arreglo fotovoltaico y la potencia del inversor dando como resultado que son necesarios 4 inversores.
Selección de las baterías
Aplicando la ecuación 6 se calcula la capacidad de almacenamiento de la batería siendo esta de 241,31 kWh.
La ecuación 7 muestra el proceso de cálculo del número de baterías siendo necesarias para este dimensionamiento de 64.
Las baterías son distribuidas en 16 grupos cada uno con 4 baterías cumpliendo cada grupo los 48 Vdc al inversor cargador.
Medidas de eficiencia energética
Entre las medidas de eficiencia se puede adoptar la instalación de sensores de movimiento para pasillos y en aulas el uso de sensores de presencia, aprovechar la luz solar.
Otra propuesta es el cambio de luminarias del edificio principal ya que existe aún lámparas fluorescentes que incrementan el consumo, y con esta nueva línea base se realiza el dimensionamiento del sistema fotovoltaico.
Se realiza los respectivos cálculos de la potencia con iluminación Led, y se puede verificar que la potencia disminuye.
En la tabla 3 se puede observar que, al cambiar a tecnologías más eficientes se reduce significativamente el consumo eléctrico.
Diseño fotovoltaico
Con los nuevos datos se procede a realizar el cálculo, utilizando los equipos y las ecuaciones de la sección 2.4.
Aplicando la ecuación (1) se obtiene que el número de módulos necesarios es de 96.
El edificio central tiene un área de cubierta de 861 m2, la distribución de los paneles se realizará como se muestra en la Fig. 7. En la parte lateral derecha del edificio se instalarán 28 paneles distribuidos en 4 filas de 7 paneles cada fila.
En la parte central se colocarán 48 paneles distribuidos en 4 filas de 12 paneles cada fila y finalmente en la parte lateral izquierda se colocará 20 paneles distribuidos en 3 filas de 7 paneles cada fila. El área total de la instalación es de 715 m2.
La potencia instalada en el arreglo fotovoltaico es de 34.08 kW.
El número de paneles por inversor se calcula con la ecuación (5) obteniendo como resultado 42 paneles por inversor. Se considera 3 inversores, con 32 paneles cada uno.
Para el cálculo de las baterías se tiene que partir de la capacidad de almacenamiento aplicando la ecuación 6 de la sección 2.4 se obtiene 166,27 kWh.
Utilizando (7) se determina el número de baterías necesarias siendo estas 44 baterías. La distribución de las baterías será de la siguiente manera 11 grupos de 4 baterías cada grupo.
Discusión
Análisis de los resultados.
En la Fig. 8 se puede evidenciar que, al aplicar el cambio de luminarias a led como medida de eficiencia energética, se reduce significativamente el consumo eléctrico del edificio central. Las barras de color azul corresponden al estado actual del campus universitario.
Análisis técnico, económico y ambiental
Como herramienta para este análisis se utilizó el método payback para determinar el tiempo de recuperación de la inversión de un proyecto.
Se presentan tres escenarios para realizar este análisis.
Cambio de luminarias a tecnología eficiente led
En la tabla 4 se puede observar el presupuesto que implica cambiar a tecnología led y el periodo de recuperación de la inversión.
Implementación del sistema fotovoltaico
Para determinar el presupuesto del sistema se obtiene los datos referenciales de proyectos fotovoltaicos realizados [14].
Para calcular el periodo de retorno se utilizó la siguiente ecuación:
La inversión necesaria para este proyecto basado en energías renovables y cambio a luminarias led está alrededor de los USD $58 448,4 dólares americanos, el ahorro anual utilizando tecnología led es de $ 2 104,06.
El periodo de retorno al implementar el sistema fotovoltaico es de 27 años, lo cual no resulta viable desde el punto de vista económico.
En la Tabla 5 se puede observar cada uno de los rubros del sistema fotovoltaico.
Viabilidad ambiental Mecanismos de Desarrollo limpio
Es importante dentro de estudios de eficiencia energética y el uso de energías renovables el conocer la viabilidad medioambiental.
La demanda energética anual del edificio central es de 45 349,44 kWh de acuerdo a la generación térmica de energía del SNI [18] y el factor de emisiones de CO2 en el Ecuador este valor alcanza los 0,3434 tonCO2/kWh [19].
Ahora bien, si se implementara esta medida de eficiencia energética las toneladas de CO2 al año que se evitan son 15 572,99.
Las toneladas que se evita emitir pueden ser financiadas por empresas internacionales, mediante mercados de carbono, que puede ser tratado como un proyecto (MDL) Mecanismo de Desarrollo limpio. El objetivo principal de los MDL es invertir en proyectos que sean sostenibles y que den lugar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los países desarrollados acreditan y enfocan la implementación de este tipo de proyectos a los países en vías de desarrollo [20]. Los mercados de carbono tienen diferentes precios de la reducción de emisiones certificadas, para este análisis se tomó como referencia los precios del Sistema Europeo de negociación de CO2 [21]; el mismo que presenta un valor anual para las toneladas de CO2 de 0,31€ que representa $0,37 de dólares norteamericanos. El precio de ahorro anual es de $5 762.
Utilizando la ecuación 8 se determinó el tiempo de recuperación de la inversión desde el punto de vista ambiental como proyecto MDL dando como resultado el tiempo de retorno de 10 años.
Es importante también considerar los criterios descritos en la Guía Ecuatoriana [22] que califica como elegibles bajo MDL a proyectos que promuevan la eficiencia energética, generación basada en fuentes renovables como instalaciones fotovoltaicas, reemplazo de equipos con tecnologías más eficientes, con el fin que se pueda aplicar una estrategia para cumplir con los objetivos planteados del presente estudio.
Por otro lado, si el caso de estudio se analiza en base a la regulación vigente del Arconel 003/18 [23], es importante conocer los siguientes parámetros como son: la tarifa del cliente regulado, facturación mensual y anual del servicio eléctrico y determinar si es viable cumpliendo las observaciones de la regulación.
La tarifa que presenta el cliente es Comercial con demanda horaria, siendo esta rentable debido al costo del kWh de acuerdo al rango horario.
La empresa distribuidora factura mensualmente a la Universidad Católica un valor promedio de $2 474,88 y anualmente $ 25 552,9 dólares norteamericanos.
En la tabla 6 se presenta el análisis de flujo del capital, si la Universidad Católica financia la inversión al 100% se obtiene el TIR del 17%. La regulación aprueba estos proyectos para un tiempo de 20 años, si se considera el costo que cancela anualmente el Campus por energía, el tiempo de recuperación de inversión es 2 años 3 mes y a partir del año 3 se dispone de un ahorro de energía.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El sistema de iluminación del edificio central tiene durante varias horas del día encendida las luminarias en varias zonas, el mayor consumo representa en aulas un 49 % dando lugar a un incremento en la factura eléctrica mensual, para ello es necesario realizar el cambio de luminarias a tecnología led, obteniendo como beneficio el periodo de recuperación de inversión y además tomando como medida de eficiencia energética para calificar como un proyecto MDL.
Es necesario también considerar los criterios de la regulación ARCONEL 003/18 de Microgeneración fotovoltaica para autoabastecimiento de consumidores finales, la misma que establece lineamientos para la implementación de este tipo de proyectos englobando múltiples beneficios ambientales y técnicos.
Dentro de las ventajas de la generación fotovoltaica, es el mantenimiento ya que no es intensivo, la reducción de pérdidas en el sistema eléctrico, los incentivos que presenta la aplicación de Net Metering.
La viabilidad del proyecto está ligada directamente con la tarifa que el consumidor dispone en la empresa distribuidora. Una de las barreras que el Ecuador presenta para la integración de sistemas fotovoltaicos es el subsidio en las tarifas de servicio eléctrico.
Es importante concientizar a todo el personal el uso responsable de las instalaciones esta medida resulta conveniente ya que no requiere ninguna inversión para lograr un consumo responsable.
No hay limitantes para que el proyecto sea MDL sin embargo los factores a tomar en cuenta son las actividades y emisiones que se deberán incluir en la Línea Base y, por otro lado, las actividades y las emisiones que serán objeto de monitoreo una vez que el proyecto entre en operación.
Todos los segmentos de mercado contribuyen a la inserción de las energías renovables a la matriz energética del Ecuador, y uno de los desafíos a los que se enfrenta es la penetración de la Generación Distribuida considerando los parámetros establecidos en la regulación vigente.
