UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS

CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM

MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

Informe: ENERGIAS RENOVABLES Y APLICACIÓN

FOTOVOLTAICA

Presentado por:

Richard Cáceres Ortiz

Fidel Lagos Gómez

Frans Dennys Carhuamaca Castro

Walter Méjico Sedano

Hugo Lozano Núñez

Huancayo-14 de Febrero de 2012

2

ÍNDICE

ÍNDICE ........................................................................................................................................................ 2 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 3 2 CONTENIDO ....................................................................................................................................... 3

Económicos .......................................................................................................................................... 7 Directrices políticas locales .................................................................................................................. 8 Políticas y reglamentaciones más comunes .......................................................................................... 8 Usuarios ................................................................................................................................................ 9

3 DISEÑO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UN SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE

AGUA PARA UN POBLADO .................................................................................................................. 11 4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................. 19 5 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA .................................................................................................... 20

3

1 INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo trataremos de manera integral el tema de energías

renovables, y como se está procediendo en la aplicación y uso de estos

recursos haciendo una descripción de las leyes con que cuenta nuestro

país en lo que refieres a los temas de Energía renovables así como las

ventajas y desventajas de uso de estos.

Y en segundo punto diseñaremos un sistema fotovoltaico para un sistema

de abastecimiento de agua para un poblado de 50 familias que tienen un

pozo de 17 metros de profundidad, y requiere de 6 días de reserva.

2 CONTENIDO

ENERGIA RENOVABLES

La energía renovable es la energía que se obtiene a partir fuentes

naturales virtualmente inagotables las cuales tienen la característica de

existir en grandes cantidades o regenerase naturalmente.

Dentro ellas tenemos:

La hidráulica, eólica, solar, geotérmica, mareomotriz, biomasa.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

SOLAR

Ventajas

• Puede instalarse en zonas rurales, principalmente en zonas donde no

puede llegar la red interconectada de electricidad.

• No rompe la ecología de la zona donde se instale (el impacto ambiental

es mínimo).

• Es la única energía proyectada para su uso en el futuro.

• Puede intercambiar energía con la red eléctrica.

4

• Puede instalarse de forma masiva en el centro de zonas urbanas.

• Es energía limpia.

• Gran potencial de Mercado.

• No genera Ruidos.

• Es segura.

• Existen en el mercado paneles que funcionan con viento, nieve, lluvia.

Desventajas

• Altos costos iniciales, pero que van disminuyendo.

• Necesitan de reglamentaciones especiales para evitar se construyan

estructuras que bloqueen el acceso de un usuario a la incidencia solar.

• Disponibilidad de personal calificado, aunque esto va disminuyendo

• Corrosión y alto costo de mantenimiento de equipos, lo cual también

está disminuyendo

• Sistemas de acumulación eléctrica (baterías) aún ineficiente, que

además genera un problema de residuos tóxicos.

EÓLICA

Ventajas

• No produce emisiones a la atmósfera ni genera residuos (salvo los de la

fabricación de los equipos y el aceite de los engranajes).

• Permite aumentar la potencia instalada mediante la incorporación de

nuevos módulos, fácilmente ampliables.

• Tiene una vida útil superior a 20 años.

• Es una tecnología de aprovechamiento totalmente madura y puesta a

punto.

• Es una de las fuentes más baratas, puede competir en rentabilidad con

otras fuentes energéticas tradicionales como las centrales térmicas de

carbón, las centrales de combustible e incluso con la energía nuclear, si

se consideran los costes de reparar los daños medioambientales.

Desventajas

• El impacto paisajístico.

5

• Los efectos sobre la fauna (migraciones).

• El ruido.

• No es constante la generación de Energía.

• Altos costos de conexión de la red (tendido de líneas, interconexión,

etc.)

Geotérmica

Ventajas

• Emiten 0.3 de CO2eq por MW/hora

• No requieren grandes extensiones de terreno.

• Las plantas geotérmicas pueden fácilmente expandirse para aumentar la

demanda de electricidad.

• El nitrógeno las emisiones de dióxido de sulfuro y óxido son también

más bajas en plantas geotérmicas.

• Los residuos que produce son mínimos y ocasionan menor impacto

ambiental que los originados por el petróleo, carbón, etc.

• Pueden trabajar 24 horas al día, todo el año. También resistentes a las

interrupciones de generación de poder. El calor de la tierra está a

nuestra entera disposición durante las 24 horas del día y a lo largo de

todo el año.

• Nuevas fuentes de servicios turísticos.

• Fuente de Calefacción natural y acondicionamiento de aire.

• Aplicable a Bonos de Carbono y MDL.

• Calentamiento de Cultivos y Suelos (Invernaderos).

• Deshidratado de Cultivos y secado de madera.

• Baja contaminación acústica.

• Uso en la industria química.

• Su operación genera menos ruido que el claxon de un auto a 3 metros.

• Menor uso de tierra comparado a otras tecnologías renovables.

• Se trata de una fuente de energía idónea para poblaciones que se hallen

en localizaciones remotas, lugares a los que no llegan las redes

convencionales de suministro de energía.

6

• El consumo de agua es mucho menor.

• Generación de Energía Eléctrica limpia.

Desventajas

• Gasto inicial alto. El costo de inversión de la planta esta sobre US$3,000

por kilovatio.

• Ubicación: No existen muchos lugares donde la energía geotérmica

puede usarse como una fuente de poder. Debe haber una cantidad

segura de magma y un área de desalojamiento para calentar el agua.

• La energía geotérmica no puede transportarse como energía primaria.

Olor: Un problema común con plantas geotérmicas es olor a huevo

podrido ocasionado por el hidrógeno y el sulfuro del subsuelo.

• Equipo especializado de tecnología.

• El uso de Químicos para quitarle al fluido geotérmico sustancias que

pueden ocasionar corrosión en los equipos.

• Los yacimientos hidrotermales llevan disueltos gases y otras sustancias

químicas (mercurio y compuestos de azufre, por ejemplo), que hay que

tratar adecuadamente para evitar que contaminen la atmósfera y las

aguas circundantes. Aunque las tecnologías actuales logran depurar

hasta el 99% del Mercurio y el Azufre se depura y se utiliza como

fertilizante. En ciertos casos emisión de ácido sulfhídrico.

• Raramente ligera emisión de CO2.

• Contaminación de aguas próximas con sustancias como arsénico,

amoníaco, etc.

• Contaminación térmica.

Peligro de enfriamiento del magma con las consiguientes

consecuencias.

• El deterioro del paisaje es otro posible impacto por mal planeamiento y

manejo.

• La tecnología actual minimiza estos riesgos.

7

Hidroenergía

Ventajas

Disponibilidad.

"No contamina" y No hay emisiones de gases.

Produce trabajo a la temperatura ambiente.

Fuente de trabajo y es más rentable.

Almacenamiento de agua para regadíos.

Evita inundaciones por regular el caudal.

Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc.).

Desventajas

Las presas obstáculos insalvables.

Altos costos y alto tiempo de espera para entrar en vigencia

"Contaminación" del agua.

Eutrofización.

Privación de sedimentos al curso bajo.

Altos costos de construcción.

Altamente vulnerables al Cambio Climático.

FACTORES QUE FACILITAN Y RETARDAN SU DESARROLLO EN EL

PAIS

Económicos

Precio del petróleo. El petróleo es la principal fuente de energía de la

economía mundial y su precio, después de una rápida y acentuada

reducción en 2008, se recuperó significativamente en los últimos dos años.

Esa recuperación tuvo un fuerte impacto sobre las alternativas energéticas,

como las energías renovables.

Tasas de interés. El principal componente del costo de las tecnologías ER

es el costo de la inversión, que es afectado por las tasas de interés, que

alcanzaron su nivel más bajo en décadas en el contexto internacional.

8

Costo y desarrollo tecnológico. El costo de las tecnologías ER ($/kWh)

disminuyó en las últimas décadas y en muchos contextos y nichos de

mercado. Este hecho, junto a los factores antes mencionados, las convirtió

en competitivas con relación a las alternativas basadas en combustibles

fósiles. Hubo un continuo interés y desarrollo de algunas tecnologías ER,

como la eólica, la biomasa y, más recientemente, la solar fotovoltaica.

Negociaciones sobre cambio climático. La potencial reducción de CO2 con

las ER y el hecho de que dos países latinoamericanos (Brasil y México)

hayan sido actores importantes en las negociaciones globales también

constituyen factores significativos que favorecen la implantación de ER en la

región.

Directrices políticas locales

En la mayoría de los países, las preocupaciones locales son factores

importantes para apoyar las políticas de ER. La siguiente lista presenta las

principales cuestiones y los países que fueron influyentes:

Seguridad energética nacional: Brasil, América Central, Chile, México

Preocupaciones ambientales: Brasil, Chile

Costo de la energía: Argentina, Colombia

Potencial de la ER: Argentina, Brasil, Chile, México.

Políticas y reglamentaciones más comunes

Todos los países poseen algún tipo de política de promoción de ER.

El principal instrumento es una ley general con una variedad de instrumentos específicos.

El país con la política más completa y avanzada y con reglamentación más específica para ER es Brasil.

También existen mecanismos específicos de regulación tecnológica, especialmente para la energía eólica, la biomasa, la energía geotérmica y fotovoltaica.

Ese el caso de Argentina, Brasil, Chile, Colombia y Perú.

Los mecanismos específicos tienen formas diversas: Subvenciones tarifarias (FIT – Feed in tariffs) y ventajas competitivas

(Brasil) Wheeling (transmisión de electricidad de una entidad a través de redes

y equipos de otra compañía) por un precio fijo (México)

9

Deducciones y/o exenciones fiscales.

Reglamentaciones promovidas por las agencia reguladoras (y no leyes específicas orientadas a la ER) están impulsando el desarrollo de proyectos de ER.

En México, los contratos de interconexión y las tarifas wheeling para proyectos de ER son instrumentos que impulsan las inversiones.

Chile introdujo rápidamente varias medidas reguladoras más amplias (no específicas para determinadas tecnologías) para estimular el mercado de ER.

Usuarios

Presencia y la actividad de las partes interesadas (stakeholders) vinculadas a la promoción de las tecnologías de ER. proyectos, fabricantes, ministerios/agencias ambientales, asociaciones comerciales, cámaras de industria y comercio, bancos internacionales, organismos multilaterales y agencias nacionales.

La presencia de los fabricantes todavía es muy limitada, prácticamente inexistente, excepto en Brasil (biomasa, pequeñas centrales hidroeléctricas y eólicas) y en Argentina (pequeñas centrales hidroeléctricas y eólicas).

Los desarrolladores de proyectos y los socios locales cuentan con más difusión y los países con mayor número de partes interesadas por estas tecnologías son: fotovoltaica (Perú y México), biomasa (Argentina y Brasil), pequeñas centrales hidroeléctricas (Argentina, Brasil, Perú, Colombia, México y América Central), eólicas (Argentina y Brasil) y geotérmicas (Perú y México).

Asociaciones comerciales más activas por tecnologías de ER: fotovoltaica (Perú, Chile y México), biomasa (Argentina, Brasil), pequeñas centrales hidroeléctricas (Chile) y energía eólica (Argentina, Brasil y México).

Centros de investigación más activos por tecnologías de ER: biomasa (Argentina, Brasil, América Central, Colombia), solar fotovoltaica (Brasil), pequeñas centrales hidroeléctricas (Argentina, Brasil).

MATRIZ ENERGETICA PERUANA

Perú cuenta con una Política Energética Peruana que promueve el cambio

de matriz energética, ser menos dependiente del uso de energías fósiles

(petróleo).

La meta de esta política es llegar al año 2040 empleando el 50% de la

matriz energética basada en energías renovables, promoviendo además

10

proyectos e inversiones para lograr una matriz energética diversificada, sin

dejar de incluir los combustibles fósiles, pero en un menor grado.

Figura 01

LAS ENERGIAS RENOVABLES DENTRO DE LA MATRIZ ENERGETICA

La producción de bosta, yereta y bagazo es 29 121 TJ de los cuales el

35.37% se dirigió al sector comercial residencial pero el 24.43% a un

consumo no energético (tableros aglomerados principalmente). El 6.2%

representa la transformación del bagazo en las plantas eléctricas.

La producción de energía solar representa el 0.03% de la producción total,

es destinada mayormente al sector residencial y 0.3% a sector industrial.

11

Figura 02

LEYES Y POLITICAS DE INCENTIVO AL USO DE ENERGIA

RENOVABLES EN PERU

La Política Nacional Ambiental está definida en los siguientes artículos de la

Constitución Política del Perú:

“Artículo 2°. Toda persona tiene derecho:

22) A la paz, a la tranquilidad, al disfrute del tiempo libre y al descanso, así

como a gozar de un ambiente equilibrado y adecuado al desarrollo de su

vida.”

“Artículo 66°. Los recursos naturales, renovables y no renovables, son

patrimonio de la Nación. El Estado es soberano en su aprovechamiento.

Por ley orgánica se fijan las condiciones de su utilización y de su

otorgamiento a particulares. La concesión otorga a su titular un derecho

real, sujeto a dicha norma legal.”

“Artículo 67°. El Estado determina la política nacional del ambiente.

Promueve el uso sostenible de sus recursos naturales.”

“Artículo 68°. El Estado está obligado a promover la conservación de la

diversidad biológica y de las áreas naturales protegidas.”

3 DISEÑO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA UN SISTEMA

DE ABASTECIMENTO DE AGUA PARA UN POBLADO

12

ABASTECIMIENTO DE AGUA A UN POBLADO DE 50 FAMILIAS

A efectos de determinar el abastecimiento de agua a una población de 50

familias con una reserva de 06 días, con un pozo de 17 m de profundidad,

se hacen las siguientes consideraciones:

El criterio de nuestra selección es para una localidad del tipo urbano-rural,

con un suministro de agua para cada vivienda el cual será descrito a

continuación.

En nuestro país aun existe una gran cantidad de poblaciones que se

encuentran en zonas de difícil acceso o lugares remotos donde no es

factible llevar la energía eléctrica mediante los sistemas tradicionales es por

eso que se esta proponiendo el suministro a través del sistema de paneles

FV que se hace aconsejable para lugares como estos donde el estado aun

no podido brindar aun la ayuda social mediante el suministro de energía

eléctrica.

1) Determinación del consumo de agua diario:

Consumo de agua por persona/día : 15 lt/día

Consumo de baño – ducha/persona/día : 26 lt/día

Consumo por lavandería/persona/día : 16 lt/día

Consumo diario por persona : 57 lt/día

Por efectos de seguridad consideramos un factor de seguridad de

20%

Consumo deseable diario/persona/día : 68.4 lt/día

Nº de familias a bastecerse de agua : 50

Nº de integrantes por familia : 04

El consumo o caudal deseado/50 familias : 13680 lt/día

Reserva de consumo de agua : 06 días

Caudal deseado con la reserva de 06 días : 82,080 lt/dia

Caudal extra del 5% de la reserva deseada : 4,104 lt/dia

Caudal real o consumo de agua : 17,784 lt/día

13

Los cálculos efectuados se reflejan en el cuadro Excel siguiente:

Cuadro N° 02

2) Determinación de la altura dinámica:

A efectos de determinar la altura dinámica, se hacen las siguientes

consideraciones:

a) Nivel estático del agua : 17 m

b) Abatimiento (10% de a) + 1 m) : 2.7 m

c) Altura de descarga (1m base reser+2.9 altura reserva

+ 0.5 m ingreso de agua) : 4.4 m

d) Distancia al depósito : 2 m

e) Longitud total de cañería : 24.7 m

f) Pérdidas total en tubería : 2%

g) Altura dinámica : 24.62 m

3) Cálculo de la carga de bombeo de agua: a) Régimen de Bombeo: según el cuadro siguiente:

14

El número de horas de bombeo y el número de arranques en un día, depende del rendimiento de la fuente, el consumo de agua, la disponibilidad de energía y el costo de operación.

Cuadro N° 01

b) Carga dinámica total: Conforme el cálculo del cuadro:

La altura dinámica puede ser definida como el incremento total de la carga del flujo a través de la bomba. Es la suma de la carga de succión más la carga de impulsión:

Donde: Hb = Altura dinámica o altura de bombeo, m. Hs = Carga de succión, m. Hi = Carga de impulsión, m.

Cuadro N° 02

c) Características de la bomba y el Motor: Estas bombas pueden ser sumergibles o de superficie y son capaces de bombear el agua a 60 metros de carga dinámica total, o más dependiendo del número y tipo de impulsores. Todas las bombas sumergibles están selladas y tienen el aceite de lubricación contenido para evitar contaminación del agua. Otras bombas utilizan el agua misma como lubricante. Estas bombas no deben operarse en seco por que sufren sobrecalentamiento y se queman.

Por lo que luego de los análisis el Sistema de Bombeo, tiene las siguientes características:

15

Cuadro N° 03

El mismo se corrobora conforme a la selección de bomba según la figura n° 03, indica el tipo de bomba adecuada que se recomienda en general según la carga dinámica total del sistema de bombeo.

Figura n°03

En los siguientes cuadros podremos apreciar los valores que se han calculado para la selección de nuestra bomba del ejemplo propuesto, en el cuadro N° 04 obtendremos la Carga Eléctrica que nos servirá para el posterior calculo en el cuadro N° 05 del corriente de nuestro proyecto.

Cuadro N° 04

16

Cuadro N° 05

4) Cálculo del Sistema Fotovoltaico Antes de empezar con los cálculos debemos de decir que nos

inclinamos por la opción de no utilizar los cargadores(baterías), por que

se recomienda almacenar el agua para seis días de abasto. Almacenar

agua en tanques es mucho más económico que almacenar energía en

baterías. Después de algunos años de uso, las baterías necesitan

reemplazarse, mientras que la vida útil de un tanque de almacenamiento

bien construido es de varias décadas. En general no se recomienda

utilizar baterías en los sistemas solares de bombeo.

a) Características del módulo Fotovoltaico Los resultados de nuestro programa nos dieron las los valores para nuestro módulo FV y son las que se muestran en los siguientes cuadros.

Cuadro N° 06

En el cuadro N°07, podemos observar el valor de la corriente del modulo elegido es igual a 3,27 A y el numero de módulos en paralelo que es igual a uno.

Cuadro N° 07

En el cuadro N° 08 podemos observa cómo se obtiene el número total de módulos que es igual a 12, la corriente del modulo que es

17

3,27 A la tensión del modulo 18,4 V obteniéndose la potencia 824,12 W.

Cuadro N° 08

A fin de determinar la cantidad real de los módulos a utilizar se realiza los ajustes al cuadro 8, en consecuencia la potencia del generador fotovoltaico es:

b) Comprobación Rápida de la potencia del generador FV:

Cuadro N° 09

5) SISTEMA ECONOMICO

No se usara batería

Incluyendo convertidor DC/AC, 220 V

Cableado

Tubería

Previsto para usarse con radiación promedio nivel nacional (5.5kwh/dia)

Sistema Bomba-Motor Sumergible

Otros accesorios son necesarios para mejorar calidad de trabajo:

Alargue de la duración del día solar, a fin de reducir el caudal por hora (minuto) a bombearse. Para ello debe contemplar el uso de un seguidor automático, preferentemente el de dos ejes y un controlador del tipo MPPT.

18

Diagramas de bloques de un sistema FV para bombeo de agua

Se adjuntan los cálculos adecuados para determinar las características del sistema fotovoltaico en una hoja Excel.

Figura N° 03

19

Figura N° 04

Se adjunta al presente la Hoja de Calculo en Excel, con los detalles de análisis de cálculos indicados arriba.

4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La opción solar para bombeo de agua es factible para muchos

productores del campo. Los equipos disponibles en el mercado son

confiables, duraderos y fáciles de operar. El costo inicial es

relativamente alto comparado con otras opciones tradicionales, pero

pueden ser más económicos a largo plazo debido a su bajo costo de

operación y mantenimiento.

La razón de no incluir baterías la hacemos porque es mas

económica, ya que las baterías duran poco tiempo y necesitan un

mantenimiento a cambio de una tanque de almacenaje del liquido

bien diseñado podría durar de 10 años a mas.

El número de módulos FV salió con una cantidad de 12 y serán

colocadas en paralelo.

La bomba será de tipo sumergible centrifuga y suficiente para otorgar

diario el consumo de las 50 familias y se ira acumulando un

porcentaje de la reserva indicada, la misma que será almacenada al

20

reservorio en un periodo de 20 días completándose la reserva

requerida por 06 días en caso no funcione el generador fotovoltaico

por días nublados o cualquier contingencia.

5 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de

investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011

Gomes, L.F.A.M.; Araya, M.C.G.; Carignano, C. Tomada de Decisões em

Cenários Complexos. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2004.

Jannuzzi, P.M.; Miranda, W.L. de; Silva, D.S.G da. Análise Multicritério e

Tomada de Decisão em Políticas Públicas: Aspectos Metodológicos,

Aplicativo Operacional e Aplicações. Informática Pública, ano 11 (1), p. 69

– 87, 2009.

Sanjay D Pohekar, M Ramachandran. "Application of Multicriteria Decision

Making to Sustainable Energy Planning - A Review".Renewable and

Sustainable Energy Reviews, Vol. 8, pp.365 – 381, 2004.

Firco, SWTDI, SNL, EyNT, WINROCK, CIE y UNAM “Guía para el

Desarrollo de Proyectos de Bombeo de Agua con Energía Fotovoltaica”,

México – 2001.