Electrificación
por microrredes en zonas rurales de la provincia del Azuay, Ecuador
Electrification
by microgrids in rural areas of the Azuay province, Ecuador
Eletrificação por
microrredes em áreas rurais da província de Azuay, Equador.
Diego Ochoa Ochoa [1], Christopher Ochoa Malhaber [2], Sergio Ochoa Ochoa [3]
Recibido: Mayo 2022 Aceptado:
Noviembre 2022
Resumen. - La electrificación de zonas rurales es un tema cada vez más relevante, debido a que en ciertos casos no se dispone de la red eléctrica tradicional. Es por ello, que es motivo de estudio el uso de microrredes de energías renovables aplicadas a estas zonas. Es importante considerar el recurso energético disponible para así poder dimensionar adecuadamente el sistema de microrred, ya que ciertos sistemas no pueden ser viables. En este estudio, se proponen dos sistemas de microrredes de generación de energías renovables: el primero es un sistema eólico/fotovoltaico que trabaja con la radiación indirecta del sol [kWh/m^2/día] y la velocidad promedio del viento [m/s] ; el segundo es un sistema netamente fotovoltaico que utiliza la radiación indirecta y la temperatura del sol, ambos sistemas son aislados y cuentan con un banco de almacenamiento energético (baterías), además tienen como carga a un consumidor rural residencial de 160 kWh/mes. Los sistemas son simulados y modelados en el software HOMER Pro. Los resultados indican que el sistema de microrred fotovoltaico es el más viable, ya que el lugar cuenta con bajas velocidades de viento y por lo tanto un sistema eólico no es viable.
Palabras clave: microrredes; comunidades rurales; generación eléctrica; energías renovables; HOMER Pro.
Summary.
- The electrification
of rural areas is an increasingly relevant issue, since in some cases they do
not have access to the traditional electricity grid. For this reason, the use
of renewable energy microgrids applied to these areas is being studied. It is important
to consider the available energy resource in order to adequately size the
microgrid system, since certain systems may not be viable. In this study, two
renewable energy generation microgrid systems are proposed: the first is a
wind/photovoltaic system that works with the indirect radiation of the sun
[kWh/m^2/day] and the average wind speed [m/s]; the second is a purely
photovoltaic system that uses the indirect radiation and the temperature of the
sun, both systems are isolated and have an energy storage system (battery
bank), also have as load a rural residential consumer of 160 kWh/month. The
systems are simulated and modeled in HOMER Pro software. The results indicate
that the photovoltaic microgrid system is the most viable, since the site has low
wind speeds and therefore a wind system is not viable.
Keywords: microgrids; rural communities; electricity generation; renewable
energies; HOMER Pro.
Resumo. -
A eletrificação das zonas rurais é um tema cada vez mais relevante, pelo facto
de em certos casos a rede elétrica tradicional não estar disponível. É por isso
que o uso de microrredes de energia renovável aplicadas a essas áreas é motivo
de estudo. É importante considerar o recurso energético disponível para
dimensionar adequadamente o sistema de microrrede, uma vez que determinados
sistemas podem não ser viáveis. Neste estudo são propostos dois sistemas de
microrrede de geração de energia renovável: o primeiro é um sistema
eólico/fotovoltaico que trabalha com a radiação indireta do sol [kWh/m^2/dia] e
a velocidade média do vento [m/s]; o segundo é um sistema puramente
fotovoltaico que utiliza a radiação indireta e a temperatura do sol, ambos os
sistemas são isolados e possuem banco de armazenamento de energia (baterias),
também cobram de um consumidor rural residencial 160 kWh/mês. Os sistemas são
simulados e modelados no software HOMER Pro. Os resultados indicam que o
sistema de microrrede fotovoltaica é o mais viável, pois o local possui baixas
velocidades de vento e portanto um sistema eólico não é viável.
Palavras-chave: microrredes;
comunidades rurais; geração da eletricidade; energia renovável; HOMER Pro.
1. Introducción. - El progreso tecnológico
promueve la creación de nuevas técnicas para la generación de electricidad enfocadas
al desarrollo sostenible con cero consumos de combustibles fósiles. Estas
técnicas innovadoras proporcionan energía limpia y sustentable, siempre con la
finalidad de operar a favor del ecosistema sin emisión de contaminantes [1].
Uno de los objetivos del desarrollo sostenible (ODS) promueve el acceso a una
energía asequible, segura y moderna, que según [2] una de cada 5 personas
carece de este servicio moderno. La distribución eléctrica no siempre puede
llegar abastecer a aquellos lugares de difícil acceso que por condiciones
geográficas son una desventaja para el consumidor final [3]. Las microrredes
son una alternativa viable en cuanto a servicio eléctrico en zonas aisladas; el
montaje e instalación de equipos no requiere de una gran inversión como la que
necesitaría un proyecto de gran escala [4].
Una
microrred se enfoca en cubrir la demanda residencial individual o comunitaria
de un determinado lugar, proporcionando electricidad a cualquier tipo de
vivienda en general [5].
Un
sistema Off-Grid ofrece distintas funcionalidades, como suministrar energía en
lugares remotos en donde no cuenten con la red eléctrica tradicional, o para
iluminar sitios pocos accesibles con iluminación tradicional u ornamental [6].
Un país en proceso de desarrollo como es el Ecuador, cuenta con un gran
potencial de recursos derivados de aquellas fuentes de energía con origen
renovable. Su zona geográfica compuesta por cordilleras, valles, islas, entre
otros, permite aprovechar el flujo de aire y la irradiación solar como una
solución práctica y sostenible para el país. Con este panorama se evidencia que
la aplicación de las microrredes no es un reto cuando se trata de generación
distribuida [7].
En
la última década planificaron y construyeron importantes proyectos como la Central
Eólica Villonaco y la Central Solar Isabela, situadas en las provincias de Loja
y Galápagos, respectivamente, siendo Galápagos la que tiene un gran reto en la
gestión del complejo sistema eléctrico, debido a que son islas remotas con una
biodiversidad única en el mundo y donde los suministros tradicionales de
energía son limitados, porque la mayor parte de esta zona está protegida [8].
Por ello, el actual gobierno ratifica el compromiso que tiene el país de
apostar por nuevos métodos de generación renovable, al dar luz verde al
proyecto eólico Minas de Huascachaca, provincia de Loja, Ecuador. Estudio
realizado y gestionado en dos fases por la empresa ELECAUSTRO, la fase UNO se
centra en la obra civil de carreteras y puentes; y la fase DOS se subdivide en
A y B. La fase DOS A se enfoca en la construcción y puesta en marcha de la
subestación Uchucay, mientras que la fase DOS B se ocupa del montaje de los
aerogeneradores [9].
2. Desarrollo.
– Esta sección describe el
procedimiento utilizado para el desarrollo del estudio, comienza por la
determinación de la zona (parroquia Checa,), la demanda existente, los recursos
disponibles y las propuestas de microrredes. Es importante mencionar que las redes
que electrifican a la parroquia, son propiedad de la Empresa Eléctrica Regional
Centro Sur (EERCS). Sin embargo, para la dotación de servicios nuevos, dentro
del área de concesión de la Empresa, La Jefatura Técnica analiza la
factibilidad de una extensión de red. En ocasiones no se procede por que el
usuario tiene la necesidad de optar por otra fuente de energía, diferente a la
convencional.
2.1. Ubicación
satelital de la provincia del Azuay. – Para iniciar la simulación,
se marca el punto de referencia en el mapa, que proporciona la información
geográfica correspondiente al lugar. El análisis se realiza en la parroquia
Checa, situada en dirección norte del cantón Cuenca, que es una de las 15
parroquias rurales que posee la ciudad, en la provincia del Azuay. Ecuador.
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Figura I.- Ubicación satelital de
la zona de estudio |
2.2. Perfil
de carga de la parroquia Checa. – En esta parroquia habitan
alrededor de unas tres mil personas y se espera que para el año 2025 esta cifra
aumente en un 6%, lo que indica que el perfil de carga este en constante
crecimiento. La Figura II muestra el comportamiento de la demanda eléctrica
residencial diaria, en la madrugada el consumo es mínimo porque las familias
duermen. Pasada las 6:00 el consumo aumenta ligeramente hasta las 8:00 porque
las familias se preparan para realizar sus actividades cotidianas fuera del
hogar. Durante la jornada vespertina, la demanda se mantiene casi constate y a
partir de las 18:00 se produce un pico máximo de la demanda [9].
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Figura II.- Perfil de carga
residencial diario, mensual y anual de la zona de emplazamiento |
2.3. Registro
meteorológico de la parroquia Checa. – La plataforma NASA POWER (Prediction
of Worldwide Energy Resource) permite al usuario acceder a la base de datos
meteorológicos de la parroquia y vincularlos internamente con el simulador. La
Figura III muestra una radiación superior a los 4 kWh/m² por día para todos los
meses y la Figura IV muestra una velocidad media de viento inferior a 6 m/s en
los meses de julio y agosto, a pesar de ser catalogados como los meses de mayor
afluencia.
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Figura III.- Radiación diaria |
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Figura IV.- Velocidad del viento
promedio |
2.4. Configuración
microrred Eólico/FV. – Para el diseño se eligió un sistema híbrido formado por un
micro aerogenerador de 1 kW y un arreglo de módulos FV de la misma potencia que
la máquina eólica. También cuenta con un convertidor
regulador que transforma y regula la tensión que entra en un conjunto baterías
para el almacenamiento y transformación de la corriente para el suministro de
energía, es decir cargar las baterías cuando existe generación y utilizar la
energía almacenada cuando no la hay. Con este diseño, el sistema híbrido
podrá llegar a abastecer una demanda de 11,27 kWh/día.
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Figura V.- Configuración del
sistema de microrred Eólico/FV |
2.5.
Configuración microrred FV. – En este segundo escenario se emplea un arreglo de módulos FV
de 1 kW, un convertidor regulador y un banco de baterías de plomo ácido
encargadas del almacenamiento de energía.
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Figura VI. - Configuración del
sistema de microrred FV |
3.1. Microrred Eólico/FV. – En la Tabla I se presentan los costos por componente
para el sistema de microrred Eólico/FV.
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Componente |
Costo de Capital |
Costo de Reemplazo |
Costo de O&M por año |
|
Aerogenerador |
$
5.000,00 |
$
4.500,00 |
$
1.000,00 |
|
Baterías |
$
9.000,00 |
$
7.950,94 |
$
900,00 |
|
Paneles FV |
$
9.628,59 |
$
9.310,00 |
$
962,80 |
|
Sistema Convertidor |
$
354,25 |
$
354,25 |
$ 35,43 |
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Tabla I.- Costos para el sistema
de microrred Eólico/FV |
La Figura VII
muestra la producción de energía mensual por sistema de generación en [MWh], en donde se aprecia que la
mayor producción es por el sistema de generación fotovoltaico, esto se debe a
que en la irradiación solar se mantiene más o menos constante a lo largo del
año y la generación de energía no tiene una gran variación. En cambio, para el
sistema de generación eólico, se presentan irregularidades en las velocidades
del viento, lo que se traduce como menores producciones de energía; es en los
meses de mayo hasta septiembre en donde se ve una leve generación.
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Figura VII.- Producción de energía
[MWh] mensual por sistema, microrred Eólico/FV |
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Figura VIII.- Producción anual por
paneles fotovoltaicos y por turbina eólica, microrred Eólico/FV |
La Figura IX muestra
el estado de carga anual del conjunto de baterías, se aprecia que cambia considerablemente
durante cada día. Debido a que las baterías deben de trabajar en los límites
más altos durante mucho tiempo, porque tienen que recargarse con el sistema de
microrred y durante la noche tienen que suministrar la energía a las cargas.
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Figura IX.- Carga del conjunto de
baterías, microrred Eólico/FV |
3.2. Microrred Eólico/FV. – En la Tabla II se presentan los costos por
componente para el sistema de microrred FV.
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Componente |
Costo de Capital |
Costo de Reemplazo |
Costo de O&M por año |
|
Baterías |
$
9.000,00 |
$
8.647,16 |
$
900,00 |
|
Paneles FV |
$
10.838,77 |
$
9.650,00 |
$
1.083,88 |
|
Sistema Convertidor |
$
391,12 |
$
391,12 |
$ 39,11 |
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Tabla II.- Costos para el sistema
de microrred FV |
La Figura X muestra
la producción de energía mensual [MWh] por el sistema de generación fotovoltaico, la irradiación solar se
mantiene más o menos constante a lo largo del año y la generación de energía no
tiene una gran variación. El sistema funciona adecuadamente y puede suministrar
de energía al consumidor e inclusive presenta excesos de producción.
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Figura X.- Producción de energía [MWh]
mensual por sistema, microrred FV |
La Figura XI muestra
la producción de energía anual por paneles fotovoltaicos, en donde comparando
con el sistema anterior, se ve una semejanza en cuanto a producción de energía.
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Figura XI.- Producción anual por
paneles fotovoltaicos, microrred FV |
La Figura XII
muestra el estado de carga anual del conjunto de baterías, se aprecia un estado
de carga similar al conjunto anterior. En donde las
baterías deben trabajar en el estado de carga más alto posible, afectando la
vida útil de las mismas y produciendo desgastes en la cargabilidad, al estar continuamente
cargándose y descargándose para poder suministrar de energía al usuario
consumidor. Una forma de mitigar este impacto es mantener las baterías entre el
20 y el 80% de carga, así no soportan mucho estrés ni desgaste.
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|
Figura XII.- Carga del conjunto de
baterías, microrred FV |
3.3. Comparación de los dos
sistemas de microrredes. – En la Tabla III se presenta
los resultados de los dos sistemas de microrredes, el Eólico/FV y el solo FV.
Se muestran los valores de NPC [M$], que es el coste actual neto o coste del ciclo de
vida de un componente y es el valor actual de todos los costes de instalación y
funcionamiento del componente a lo largo de la vida del proyecto, menos el
valor actual de todos los ingresos que obtiene a lo largo de la vida del
proyecto. HOMER calcula el NPC de cada componente del sistema y del sistema en
su conjunto. Además del COE [$/kWh], que es el coste nivelado de la energía, HOMER lo
define como el coste medio por kWh de energía eléctrica útil producida por el
sistema. Por último, se muestra los valores de costo de capital de los sistemas
en miles de dólares [k$], la producción por paneles fotovoltaicos [kW] y por el
aerogenerador [kW] y la capacidad de almacenamiento del conjunto de
baterías [kWh].
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Caso |
Eólico/FV |
FV |
|
NPC [M$] |
0.06 |
0.04 |
|
COE [$/kWh] |
1.18 |
0.89 |
|
Costo Capital [k$] |
23.98 |
20.23 |
|
Paneles FV [kW] |
9.63 |
10.8 |
|
Aerogenerador [kW] |
1 |
0 |
|
Baterías [kWh] |
30 |
30 |
|
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Tabla III.- Resultados de los
sistemas de microrredes Eólico/FV y FV |
4. Conclusiones. - Este estudio
presentó el modelado de dos sistemas de microrred de energías renovables en el software
HOMER Pro: uno híbrido, eólico/fotovoltaico (Eólico/FV) y otro únicamente
fotovoltaico (FV), como solución práctica para la electrificación de zonas
rurales de la provincia del Azuay, Ecuador. En cada escenario se evalúa el
alcance del proyecto en términos de producción, almacenamiento y coste de
inversión del proyecto. Los resultados revelan un NPC
de 0.06 M$ y un COE de 1.18 $/kWh para la configuración de microrred Eólico/FV,
un NPC de 0.04 k$ y un COE de 0.89 $/kWh para la configuración de microrred FV.
Por lo tanto, en términos de coste, el sistema de microrred más conveniente será
el de configuración de microrred FV.
Al tratarse de proyectos de energías renovables, están limitados a las
condiciones meteorológicas del lugar y las mismas pueden variar dependiendo de
la época del año, lo que provoca variaciones en la generación, por lo que se
consideró optar por un almacenamiento en baterías para almacenar la energía
disponible y que esté lista para su empleabilidad. Se utilizó el software HOMER
Pro para ajustar los sistemas, creando escenarios de modos de funcionamiento
que analizan la producción y el almacenamiento de energía. A la hora de evaluar este tipo de proyectos, se analiza
que tanto capital se necesita (y que tanto tiempo también) para integrar una
carga pequeña a una red de distribución tradicional, depende del punto más
cercano disponible y viable técnicamente para la conexión. Hay otros factores
en juego, que no son considerados aquí pero que también son importantes como,
por ejemplo: La tarifa de energía eléctrica que se le reconoce al distribuidor
y la calidad de servicio técnico y de producto técnico que le aplica en la
región. El balance de estos factores hace inviable la alimentación desde una
red convencional, en función de la cercanía/lejanía del punto de conexión
viable más cercano de la red. Por último, las microrredes se adaptan con
facilidad a distintos entornos geográficos, facilitando el despacho de energía
a las comunidades rurales de la provincia del Azuay.
5. Referencias
[1] M. S. R. Molina, D. X. O. Ochoa and F. A.
Q. Palomeque, "Comparative analysis of wind and solar micro-generation for
an Off Grid system in the city of Cuenca-Ecuador," 2021 IEEE URUCON, 2021,
pp. 122-126, doi: 10.1109/URUCON53396.2021.9647295.
[2] ARCONEL. Estadística Anual y Multianual del Sector Eléctrico Ecuatoriano 2019, 2019.
[3] D. Ochoa and M. Ronquillo, “Análisis
y reacondicionamiento del sistema de generación híbrido (eólico-fotovoltaico)
aislado de la Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca” 2021. Available:
http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/21283.
[4] J. Clairand, H. Chinchero-Villacís, X.
Serrano-Guerrero and A. Gonzalez-Zumba, "Microgrids as Electrification
Alternatives for the Amazon Region in Ecuador," 2019 IEEE Innovative Smart
Grid Technologies - Asia (ISGT Asia), 2019, pp. 4286-4291, doi:
10.1109/ISGT-Asia.2019.8881594.
[5] C. Anzures, J. Posada, K.
Osorio, J. R. Vidal Medina, V. M. Sanchez and Y. U. Lopez, "Operación de
Sistemas de Generación y Suministro de Energía Eléctrica en Zonas no
Interconectadas de Colombia," 2018 IEEE ANDESCON, 2018, pp. 1-6, doi:
10.1109/ANDESCON.2018.8564585.
[6] Serrano-Guerrero, X., Ochoa-Malhaber, C.,
& Ortega-Romero, I. Procedure of the design of photovoltaic systems applied
to ornamental lighting. (2022). Renewable Energy and Power Quality Journal, 20,
393-398. https://doi.org/10.24084/repqj20.320
[7] R. M. Schierloh, J. L. Godoy, F.
M. Vincitorio and J. R. Vega, "Simulación y Análisis de Fallas Eléctricas
en una Microrred Aislada con Integración de Generación Fotovoltaica y
Almacenamiento en Baterías [Not available in English]," 2021 IEEE URUCON,
2021, pp. 138-142, doi: 10.1109/URUCON53396.2021.9647183.
[8] C. Ochoa-Malhaber, D. Ochoa-Ochoa, X.
Serrano-Guerrero and A. Barragán-Escandón, "Technical-economic comparison
of microgrids for rural communities in the island region of Galapagos, Ecuador:
Isabela Island case," 2022 IEEE Biennial Congress of Argentina (ARGENCON),
2022, pp. 1-7, doi: 10.1109/ARGENCON55245.2022.9939813.
[9] “Proyecto Eólico Minas de
Huascachaca (PEMH)” 2022.
https://www.elecaustro.gob.ec/proyectos/proyecto-eolico-minas-de-huascachaca/
(accessed May. 10, 2022).
[10] P. D. Robles Lovato, Optimización
y planificación de sistemas eléctricos. Cuenca, 2020.
Nota
contribución de los autores:
1.
Concepción y diseño del estudio
2.
Adquisición de datos
3.
Análisis de datos
4.
Discusión de los resultados
5.
Redacción del manuscrito
6.
Aprobación de la versión final del manuscrito
JOO
ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
COM
ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
SOO
ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
Nota
de aceptación: Este artículo fue aprobado por los editores
de la revista Dr. Rafael Sotelo y Mag. Ing. Fernando A. Hernández Gobertti.