PROPUESTA TÉCNICA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA EL SUMINISTRO BÁSICO DE ELECTRICIDAD EN ÁREAS NO CONECTADAS A LA RED PARA LA REGIÓN AREQUIPA

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1 PROPUESTA TÉCNICA DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS PARA EL SUMINISTRO BÁSICO DE ELECTRICIDAD EN ÁREAS NO CONECTADAS A LA RED PARA LA REGIÓN AREQUIPA Ing. Humpire Mojonero David - david_hjk@hotmail.com Universidad Nacional de Ingeniería, Estudiante de Maestría en Ciencias con Mención en Energética Resumen- El documento presenta una propuesta para abordar el suministro básico de electricidad en zonas no conectadas a la red, en iniciativa al proyecto masivo de la instalación de sistemas fotovoltaicos que se llevó acabo en nuestro País (2014) en el marco del plan de Acceso Universal Energía. Mediante un modelamiento territorial de la demanda de energía fotovoltaica empleando herramientas GIS (Sistemas de Información Geográfica) y el análisis de las tecnologías fotovoltaicas se logra la identificación de zonas sin servicio eléctrico y oferta de energia para cubrir las necesidades basicas de electricidad. Se plantea esta propuesta para apoyar al logro del acceso universal al servicio eléctrico. Palabras Clave: Acceso a la Energía, Electrificación rural, Sistemas fotovoltaicos, Sistemas de Información Geografica I. INTRODUCCIÓN Según el informe World Energy Outlook 2011, se llegó a la conclusión que la ampliación de la red eléctrica es la mejor opción para lograr el acceso al servicio eléctrico en todas las zonas urbanas, sin embargo solo es la mejor opción en un 30% de las zonas rurales. La Agencia Internacional de Energía (AIE) estima que aproximadamente el 45% de las conexiones adicionales necesarias para lograr el acceso universal se hará mediante la ampliación de la red eléctrica, mientras que el otro 55% dependerá de micro-grids y soluciones fuera de la red (off-grid). [2] Considerando que en el marco de la Política Energética Nacional , se elaboró el Plan de Acceso Universal a la Energía , el cual tiene el objetivo de promover desde el ámbito energético, el desarrollo económico eficiente, sustentable con el medio ambiente y con equidad, a través de proyectos que permitan ampliar el acceso universal al suministro energético [4]. En el Perú al menos 3 millones de personas carecen de servicio eléctrico (Figura 1 y 2), concentradas principalmente en zonas rurales aisladas, donde la dispersión de viviendas es la principal barrera técnica y económica para la ampliación de redes del sistema interconectado nacional, ocasionando la exclusión de estos grupos sociales de los grandes proyectos de electrificación promovidos por el gobierno. [5] Figura 1: Avances en electrificación rural Fuente: MINEM; Elaboración: Propia En este sentido el proyecto de instalación masiva de hasta 500,000 paneles fotovoltaicos en áreas no conectadas a la red pretende elevar el coeficiente de electrificación equivalente en un 7% y 50 MW de capacidad instalada off grid [3]; por tal el presente documento establece una propuesta para tal proyecto.

2 Figura 2: Proyección del coeficiente de electrificación rural II. METODOLOGIA Fuente:MINEM Esta propuesta contempla la región Arequipa para el análisis, aplicando la metodología de selección territorial de la demanda energética fotovoltaica y la identificación de la oferta energética óptima basada en sistemas fotovoltaicos para atender los requerimientos básicos de electricidad. A) Modelamiento territorial de la demanda de energía fotovoltaica Basado en información georeferenciada de Centros poblados (INEI y DGER -MINEM), Redes Eléctricas existentes (GART OSINERGMIN) y proyectadas (PNER DGER MINEM), redes viales (MTC) y Áreas de concesión de distribución (MINEM). Consiste en las sub-etapas: Modelamiento de Oferta de Energía Modelamiento de Demanda de Energía Modelamiento de Accesibilidad a la población objetivo B) Formulación de la propuesta energética Consiste en la Identificación de la oferta óptima para el suministro básico de electricidad basado en sistemas fotovoltaicos, dimensionando los sub-sistemas de generación, acumulación, regulación y acondicionamiento. III. MODELAMIENTO TERRITORIAL DE LA DEMANDA DE ENERGIA FOTOVOLTAICA Modelamiento de la oferta de energía La oferta de energía para atender el suministro básico de electricidad fundamentalmente está constituida por redes eléctricas, entonces mediante la georeferenciación de esta infraestructura y la aplicación de criterios de factibilidad (extensión de red) obtenemos nuestra oferta de energía factible para atender.

3 Figura 3: Factibilidad de la infraestructura eléctrica Fuente: Proyecto FISE Esta oferta de energía factible es un área de cobertura (Figura 4) para abastecer mediante redes el suministro de energía eléctrica, esto nos va permitir conocer que áreas tienen acceso a este tipo de energía, y se entiende que no son lugares donde se tiene que invertir para implementar abastecimiento por sistemas fotovoltaicos (La franja roja es la oferta existente y la verde la oferta de energía eléctrica proyectada). Figura 4: Modelamiento de la Oferta de energía Modelamiento de la demanda de energía Consiste en la georeferenciación de la demanda energética, la cual consiste en los Centro Poblados (Figura 5). De esto consideramos la demanda que no tiene oferta de energía factible, la cual vendría a ser la demanda sin servicio (demanda a atender mediante esta propuesta).

4 Figura 5: Modelamiento de la demanda de energía Modelamiento de la accesibilidad a la población objetivo Consiste en la georeferenciación de las redes Viales Nacionales, departamentales, vecinales y ríos navegables. Figura 6: Modelamiento de la Accesibilidad Fuente: Proyecto FISE

5 Entonces podemos mediante esto establecer la prioridad con que se podría atender a la demanda sin servicio, para la implementación de los sistemas. Ademas considerando las zonas de concesión de distribucion electrica (pintado de amarrillo en la Figura 7) nos permite conocer que localidades sin servicio, tendrian que ser atendidas por las empresas eléctricas de distribucion mediante redes convencionales. Figura 7: Zonas sin servicio y dentro de áreas de concesión Eléctrica Con esto tenemos lo siguiente: Tabla 1: Resultados del modelamiento para la región Arequipa Donde: CA-SS: Con Acceso vial y Sin servicio eléctrico SA-SS: Sin Acceso vial y Sin servicio eleéctrico CA-SS-SC:Con Acceso vial y Sin servicio eléctrico,fuera del area de concesión. SA-SS-SC:Sin Acceso vial y Sin servicio eléctrico,fuera del area de concesión. En al anexo 01 se muestra el modelamiento descrito para la región Arequipa.

6 IV. FORMULACIÓN DE LA PROPUESTA ENERGÉTICA Para el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos de la demanda sin servicio hallada como en la etapa anterior, consideramos el abastecimiento de energía referido al suministro básico de electricidad, es decir electricidad para iluminación, comunicación y servicios comunitarios. Nos basaremos en la ecuación de balance de energía y la metodología de [7]. El sistema fotovoltaico considerado se muestra en la figura 8. Figura 8: Esquema de un SFVD En la figura 9 podemos distinguir tres niveles de recurso solar en la región, indicamos los valores para el dimensionamiento por zonas. La zona central del mapa-zona I es la más apremiada con el recurso solar, la zona sierra-zona II (mayor extensión) y donde están la gran mayoría de comunidades a atender según esta propuesta tiene un nivel entre 5.5 a 6 kwh/m2, y la zona costa-zona III que limita con Ica tiene un nivel inferior entre 5 y 5.5 kwh/m2. [8] Figura 9 : Niveles de incidencia solar promedio Región Arequipa Fuente: Atlas Solar/MINEM La tabla 2 muestra los valores de incidencia solar mensual para cada zona identificada en la figura 9, asi como los valores minimo, máximo y promedio de estos.

7 Tabla 2: Irradiación Global Media en kwh/m2-dia Fuente: Atlas Solar Elaboración:Propia Establecemos que los requerimientos de energía para una vivienda de tipo rural son: Tabla 3: Requerimientos básicos de energía Vivienda rural Lo siguiente demuestra que a mayor potencia instalada del panel se requiere en mayor proporción el tamaño de la batería para poder tener una aceptable relación de energía aprovechable. Tabla 4: Análisis fotovoltaico para la región Arequipa Entonces un panel de 85 Wp es suficiente para abastecer a zonas con nivel de radiación mínimo de 5.38 kwh/m2. Para zonas menores a este valor (Zona III de la propuesta) requerirá por lo menos un tamaño mayor, se considera el de 100 Wp. Según lo explicado entonces para el panel de 100 Wp requiere tamaños de batería 150 Ah y para 85 Wp será suficiente uno de 100 Ah.

8 Tabla 5: Dimensionado SFVD Se considera que el costo del inversor (entre 150 y 200 $ para esta sistema) es necesario, esto apoyado en la sostenibilidad del sistema [9], ya que los equipos de consumo típicos son a 220 V AC en el mercado, además de técnicamente ser más factible por el menor diámetro de conductor requerido a esta tensión, a expensas de un 5 a 10 % de pérdidas de energía es este equipo. Se recomienda conectar el inversor a la salida del controlador (en paralelo a las cargas en continua si existen), así se mantiene la protección dada por el controlador al sistema, en otro caso el conectar el inversor directamente a las baterías, podría descargarlas fuera del límite permitido técnicamente (sobre descarga). El primer caso requiere que el controlador sea capaz de soportar la corriente demandada por el inversor Figura 10: Configuración de SFV respecto al inversor V. CONCLUSIONES El acceso Universal a la energía es un objetivo de la política energética del Perú, para hacer posible el acceso universal se tiene que electrificar las comunidades rurales aisladas, donde se concentra la pobreza, la falta de servicios y oportunidades. Esto requiere integrar con adecuada planificación y de forma efectiva la electrificación convencional con la electrificación aislada basada en energías renovables y sistemas hibridos. Los sistemas fotovoltaicos deben ser dimensionados tomando los criterios descritos ya que los requerimientos de energía, condiciones climatológicas y el potencial solar varían en cada región del País La sostenibilidad de la electrificación rural tendrá por un lado la participación del Estado en cuanto a los subsidios, que debido a que la inversión inicial es alta con respecto de la capacidad de pago de la gran mayoría de las familias de este ámbito se requiere estos mecanismos de compensación como el FOSE y el FISE El análisis realizado demuestra el potencial de aplicar herramientas GIS, por lo que se propone que los proyectos de electrificación deben abarcar procesos de planificación territorial sumada al diagnóstico y evaluación de alternativas disponibles. La presente propuesta realizada permite su replicabilidad para diversos proyectos públicos y privados del sector, además de los criterios técnicos para evaluar alternativas para proveer el servicio de electricidad.

9 REFERENCIAS [1] Murillo V., García E., Carcausto D. e Inocente J., 2013, Propuesta Metodológica para el logro del Acceso Universal a la Energía en el Perú; Proyecto FISE-Osinergmin, Perú. [2] Naciones Unidad Asamblea General, 2012, Energía sostenible para todos: Un programa mundial de Acción (SE4ALL). [3] Osinergmin-GART, 2014, Bases para la subasta de suministro de electricidad con recursos energéticos renovables en áreas no conectadas a red. [4] DGEE/MINEM, Plan de Acceso Universal a la Energía [5] DGER/MINEM, Plan nacional de electrificación rural, PNER [6] GART/División de distribución eléctrica, 2014, Fijación de la tarifa Rural para sistemas fotovoltaicos [7] O.Perpiñan, A. Colmenar, M. Castro, España, 2012, Diseño de sistemas fotovoltaicos. [8] SENAMHI-DEP/MINEM, 2003, Atlas de energía solar del Perú. [9] Osinergmin, 2010, Diagnóstico de la problemática de la electrificación rural en el Perú. [10] M.Rodriguez, M.Castro, A.Vasquez, M. Vilaragut, 2013, Sistemas fotovoltaicos y la ordenación territorial, La Habana.

10 ANEXO 01: MODELAMIENTO TERRITORIAL DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA PARA LA REGIÓN AREQUIPA